1、篇名數位訊號處理器之初探作者陳志宏。高雄縣中山工商。綜合高中。三年六班數位訊號處理器之初探- 1 -壹前言很長一段時間以來，DSP一詞的意義都含混不清。25年以來，它一直被用來表示數位訊號處理和數位訊號處理器。因此，我們可以說DSP就是一種為DSP技術而設計的處理器。你可能以為這種混淆情況會一直持續下去，但最近，這個問題已不再重要了。過去，你可能必須根據上下文來判斷究竟該詞代表哪一種意義，而真正重要的，或許是這兩種含義是緊密連繫在一起：如果你想實現即時數位訊號處理，絕大部份情況下是在數位訊號處理器上進行。它們事實上是一體兩面的。貳正文1數位訊號處理DSP的歷史1978年，Intel發佈了一種模
2、擬信號處理器2920處理器。它包含一組帶有一個內部信號處理器的片上ADC/DAC，但由於它不含硬件乘法器，因此在市場上銷售並不成功. 1979年，AMI發佈了S2811處理器，它被設計成微處理器的周邊裝置，必須由主處理器初始化後才能工作，S2811在市場上也不成功。1979年，貝爾實驗室發表了第一款單芯片DSP，即Mac 4型微處理器。繼而於1980年的IEEE國際固態電路會議上出現了第一批獨立、完整的DSP，它們是NEC的PD7720處理器和AT&T的DSP1處理器。這兩種處理器都是在公共交換電話網（PSTN）的遠程通信研究中受到了啟發而產生的。另一種早期的DSP，Altamira DX-1
3、，帶有延遲轉移和預測機制的四整數組流水線。事實證明，1983年德克薩斯儀器公司生產的的第一款DSP，TMS32010，是一個更大的成功，時至今日德州儀器已成為通用DSP市場的龍頭老大。另一款成功的設計是摩托羅拉的56000。註一2數位訊號處理器DSP特點分開的程序存儲器和數據存儲器。用於單指令流多數據流作業的特殊指令集。可進行並行處理，但不支援多任務。用於宿主環境時可作為直接存儲器訪問設備運作.從類比數位轉換器獲得數據，最終輸出的是由數位類比轉換器轉換為類比信號的數據。數位訊號處理器之初探- 2 -3數位訊號處理器DSP的配置DSP中的FPGA是一種可以重複改變組態的電路，可使用者進行編程的邏
4、輯閘元件，特別適用於產品開發時必須不斷變更設計的應用，以有效加速產品上市時間。FPGA的邏輯閘特性，可依設計者的需要加以改變，並提供各種基本功能。然而，一般而言，FPGA比DSP更為昂貴，所消耗的功率也較高；FPGA的速度也較ASIC更慢，無法完成複雜的設計，因此FPGA常與DSP或ASIC搭配使用，以提供更好的彈性、價格性能比與電源需求。訊號處理是連接現實世界與數位運算世界的橋樑。使用數位訊號處理的演算法日益複雜，對這些演算法的性能要求也呈指數級上升。對要求低成本的大量設備，如行動電話、視訊轉換盒和電腦繪圖卡而言，要求正在推動開發極專用的特殊應用標準產品(ASSP)。然而對許多其它設備來說，
5、實現高性能數位訊號處理的唯一選擇，是採用通用數位訊號處理器(DSP)以及最新的現場可編程閘陣列(FPGA)，FPGA可以為傳統DSP的應用可重配置解決方案，DSP提供更高的吞吐量和原始數據處理能力。由於FPGA的硬體是可配置的，它能在提供完整硬體定製功能的同時實現各種DSP應用。用FPGA實現的DSP系統可具有定製架構、定製的匯流排結構、定製的記憶體、定製的硬體加速模組和可變數量的MAC模組。註二4數位訊號處理器DSP的優點DSP是一種功能強大且非常快速的微處理器，其特性在於能夠即時處理數位訊號，以便為連續的類比訊號進行測量或濾波。在進行數位訊號處理之前必須先透過類比數位轉換器(ADC)將訊號
6、從類比轉換成數位；而數位訊號處理的輸出則再透過數位類比轉換器(DAC)變換為類比訊號輸出。相較於一般的微處理器或類比訊號處理設備而言，數位訊號處理技術與設備具備彈性化、精確、抗干擾強、設備尺寸小、造價低與速度快等優勢。註三5數位訊號處理器DSP的運算(一)數據運算指令使用飽和算法，在這種方式中，會產生溢出的運算將累積至寄存器可容納的最大值，而不是按環繞方式（環繞方式是很多通用CPU的方式。在環繞方式中，寄存器的數值到達最大值後再加一則會繞回到最小值；而使用飽和算法時則不會發生環繞，運算結果仍將保持為最大值）。有些情況下可使用不同的粘滯位運算模式。數位訊號處理器之初探- 3 -使用乘積累加（MA
7、C）運算，這會提高各種矩陣運算的效率（例如卷積運算、點積運算、乃至矩陣多項式的求值運算；參看Horner scheme和積和熔加運算）。由於在許多DSP中都必然地使用了單週期的MAC部件，因此也自然沿襲了下面所述的許多性質（尤其是哈佛結構和指令流水線（Instruction Streamline）。在使用同餘定址方式操作循環緩衝器、以及在使用逆位序定址模式處理快速傅立葉變換交叉參照時，都可使用專門的指令實現。註四(二)程序流程使用深層流水線技術，因錯誤的預測產生的跳轉會造成更大的（效率）成本。使用通過動態表或硬編碼的零開銷循環實現的分支預測。為減少執行高頻度的內層循環時跳轉造成的（效率）影響，
8、處理器提供了這個特性。該技術包括兩種類型的操作：單指令的重複操作和多指令的循環操作。預取指令使用指令流水線方式。流水線作業方式可減少總體的處理時間，增加系統的產出效率。流水線可以分為若干層級。通用CPU中有些技術是受到帶有擴展模塊的DSP的影響而出現的，例如Intel的IA-32架構指令集（ISA）中的MMX擴展。6數位訊號處理器DSP的研發影像監控系統之研發，可作為遠端監控之用，利用即時影像傳送，並對於推行之道路監控安全機制，亦有相當之助益。數位聲訊技術處理之研發，可應用於數位聲納、水下聲音分析、識別系統。數位語音處理技術之研發，可提升監聽技術、語音鑑別之能力。數位儲存技術之研發，可應用於機
9、密資料保存之安全與穩定性。7數位訊號處理器DSP的發展數位訊號處理技術(DSP)應用愈來愈廣泛，各種有關於DSP的應用因應而生，包括音訊、影像、視訊、通訊、控制、交通、娛樂、電腦、軍事、消費性產品等等領域，本公司乃選擇以影音處理技術為發展主軸。包括聲訊、視訊等媒體處理之相關產品技術，本公司都將相繼研發。DSP也將在未來的電子戰中佔有相當之重要性，成為各先進國家在發展國防與民生科技時所必要發展之技術。大部分DSP使用的是定點算法，這是因為在信號處理的一般實際應用中不需要使用浮點運算比定點運算多提供的那部分額外的精度範圍，而使用定點算法犧牲了不需要的精度，卻大大提高了速度。另一方面，浮點DSP則常
10、用在科學計算和某些需要高精度的應用，用於儀器方面的發展運用。註五數位訊號處理器之初探- 4 -參結論DSP電路可將原本紛雜的人為訊號，區分為有序的和吵雜的。DSP把聲、光、熱等類比訊號轉換為數位訊號，所以DPS長於處理數位及線性混合訊號。DSP可應用於電腦、通訊、工業及消費性電子等領域，應用層面相當廣泛，近年來由於半導體技術、電腦技術的成熟與快速發展，使得科技與生活的密切結合，尤其是數位訊號處理技術的突飛猛進，以及許多元件得以數位化及積體化，提供了小型、多功能、低成本與低功率損耗的特性。由於訊數位訊號先天上優於類比訊號，因此數位訊號對雜訊的免疫力遠較類比訊號來的好，訊號能長時間的保存或長距離的傳送且較不易產生失真現象，便在近年來發展快速，成為一種主流的學識。肆詳細資料 註 一 盧怡仁 蔡偉和 (2007)。 數位信號處理 在嵌入式系統的應用 。 台北 ： 文魁 。註二陳宏宇(2005)。DSP程式設計。台北：松崗。註三盛暘科技股份有限公司(2007)。數位訊號處理。檢索日期:2008/10/15http:/.tw/forum/modules/tinyd0/index.php。註四林傳生:李佩謙(2005)。數位訊號處理器簡介與應用。台北：全華科技。註五Sanjit K. Mitra(2005)。數位訊號處理。台北：旗標。
