DSP—数字化音频领域的未来

DSP—数字化音频领域的未来

DSP—数字化音频领域的未来

`2000中南地区省级电视台技术协会技术论文二等奖
《西部广播电视》2000年第9期发表

随着数字信号处理技术的日益推进， IT领域的科技成果越来越普遍的应用于视音频领域并大大的推动了视音频科技的进步，其中DSP（Digital Signal Processor即数字信号处理器）在音频领域内的应用就是一个很好的例子。
传统的模拟视音频产品如今逐渐退出，采用数字化技术极其相应产品已呈不可抵挡的趋势。数字化的视音频产品必将涉及将类比信号转换成数字信号后加以传输的问题。而在这种转换的过程中需要做大量的数学运算，因此必须选择运算快速的微处理器才能完成实时(real-time)的数位信号处理。而市面上的微处理有成百上千种，各有其特色及对应的应用场合，DSP以其特有的优势更加适合于完成上述任务。以下就从微处理器的硬件基本架构，来说明DSP与传统微处理器间的差异及其本身的优势。

DSP的优势

要了解DSP的优势，就必须明白DSP与传统微处理器在硬件基本架构上的不同。

Von Neumann与Harvard基本架构

所有的微处理器都是由几个基本的模块所组成：运算器以完成数学运算、存储器和解码器以完成类比信号与数位信号间的转换。在程序中，在每一周期必须告知微处理器要做些什么。因此微处理器必须从储存程序的存储体取得控制指令与一些数据而加以运算。但是对于所有的微处理器并不是使用相同的方法，一般来说可分成Von Neumann与Harvard二种基本架构，同时又有取其二者优点而衍生出多种的混合改良架构，在增加存储器与周边装置后，就成为能作为数字信号处理应用的微处理控制器。
Von Neumann结构成为电脑发展上的标准已超过40年，基本结构是非常简洁，程序与数据二者能够存储在同一存储映射空间（memory-mapped space），这种结构的形成是基于大多数一般用途的程序要求，如x86系列。而其缺点是仅有一条总线来共享数据和程序地址，因此同一时间仅有一数据存储单元或是程序存储单元能被进行存取操作。
能在读取执行程序的同时访问数据存储空间是有效加快数据处理的重要方法，Harvard结构具有分离程序和数据的存储空间，两根总线分别处理不同的地址单元，以确保数据和程序能同时并行的存取，以增加处理速度。这种分离的总线架构可将程序执行分成寻址、解码、读取、执行四个工作阶段，每一指令必须4个指令周期才能完成，并且同一时间可以有4个指令进入微处理器内处理，当在第4个指令周期后，每一指令周期就有一个指令执行，此时程式是以最高的效率的执行。但需要指出的是，当执行选择指令如跳跃或比较指令时，由于必须等到指令执行产生的结果后，才知道要跳跃的位置与下一个指令，在此之前所输入的指令会变的无效，而必须重新输入新的指令，因此会产生所谓的选择延时或选择等待等现象，使得程式执行效率大幅降低至与Von Neumann结构差不多，所以一般当程序需要大量的比较或跳跃语句的场合，如人机交互的介面（这是绝大多数PC机用户的主要操作方式）等，Harvard架构并不会比Von Neumann结构有更好的性能。
毫无疑问，程序执行速度的增加的同时硬件的成本也相应的增加，分离的数据存储空间和程序存储空间就需要两个不同的数据寻址和与程序寻址的硬件接口。因此能发现在价格与性能间取得折衷的方法，才算是一个较佳的解决方案， 于是产生了Modified Harvard架构，这种架构仅有一个外部总线（以减少接口数），同时有程序与数据两个内部总线，可以减少成本并维持顾客对运算速度的要求。
由此可见，在个人电脑这样需要大量的选择跳跃语句进行人机交互的处理器还是选择Von Neumann架构（即传统的CPU 如x86、Pentium等）更加的合理，而在数字视音频领域进行数字信号的传输处理，并不需要大量的选择语句时， Harvard架构及Modified Harvard架构就显得更加的适合。

DSP的Modified Harvard架构

DSP是属于Modified Harvard架构，即它具有两条内部总线，一个是数据总线，一个是程序总线；而传统的微处理器内部只有一条总线供数据传输与程序执行使用； 从上面我们已经看到Modified Harvard架构在大量数学运算方面有着强大的优势，在DSP内部具有硬件乘法器，大量的寄存器，目前最快的可在一个指令周期内完成32bit乘32bit的指令，而传统的微处理器运算系以微代码来执行，遇到乘法运算指令时就得消耗掉好几个指令周期，加上传统的微处理器中的寄存器较少，不得不经常从外部储存器传输数据来进行运算，而DSP指令具备重新执行功能，因此在数学运算速度超越一般传统的微处理器。
例如当执行循环控制语句时，传统的CPU会以某一暂存器当初始循环数index，然后以比较跳跃的方式来达到循环控制的目的，此时程序会重复做比较运算直至index为0；而DSP内建硬体repeat count指令来直接对硬件决定下一个循环指令的执行次数，如此可大量减少程式的执行时间。
又如在做数字信号处理时最常出现乘加的运算（如ax y），DSP针对此项需求而特别设计了一个硬件的MAC unit，使得在一个指令周期内即可完成乘加的运算，若再配合repeat指令，便可以将乘加运算的速度大大提高。同时因为DSP有分离的程序与数据的总线，所以一条指令能同时定址访问程序和数据的存储单元，完成两个变量的运算。必须注意a为一维常量放在程序存储单元，而X为一维变量放在数据存储单元；若系数a会随程序运算而变动时，DSP内建一小块Dual-Access RAM (DARAM)的存储区域，可由程序将此区域设定为程序存储区域或数据存储区域，利用此存储区域可完成可变系数的计算。
归纳起来DSP具备有以下的特点：(1)内建乘法累加器；(2)指令管线化；(3)多总线与存储空间；(4)循环寻址与位重新寻址；(5)零负荷循环运算；(6)晶片内含存储体与存储体介面。

DSP在音频领域的应用

由于不存在线形放大电路非理想传输函数所造成的失真缺点，运算速度又比传统微处理器快，DSP已普遍应用于视音频领域的合成、辨识与编码；由于对硬盘存储容量的要求日益提高，使得对VCM(VOICE COIL MOTOR)的定位精度的要求也越来越严谨，DSP IC已成为高容量硬盘机

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