DSP—數字化音頻領域的未來

DSP—數字化音頻領域的未來

DSP—數字化音頻領域的未來

`2000中南地區省級電視臺技術協會技術論文二等獎
《西部廣播電視》2000年第9期發表

隨著數字信號處理技術的日益推進， IT領域的科技成果越來越普遍的應用于視音頻領域并大大的推動了視音頻科技的進步，其中DSP（Digital Signal Processor即數字信號處理器）在音頻領域內的應用就是一個很好的例子。
傳統的模擬視音頻產品如今逐漸退出，采用數字化技術極其相應產品已呈不可抵擋的趨勢。數字化的視音頻產品必將涉及將類比信號轉換成數字信號后加以傳輸的問題。而在這種轉換的過程中需要做大量的數學運算，因此必須選擇運算快速的微處理器才能完成實時(real-time)的數位信號處理。而市面上的微處理有成百上千種，各有其特色及對應的應用場合，DSP以其特有的優勢更加適合于完成上述任務。以下就從微處理器的硬件基本架構，來說明DSP與傳統微處理器間的差異及其本身的優勢。

DSP的優勢

要了解DSP的優勢，就必須明白DSP與傳統微處理器在硬件基本架構上的不同。

Von Neumann與Harvard基本架構

所有的微處理器都是由幾個基本的模塊所組成：運算器以完成數學運算、存儲器和解碼器以完成類比信號與數位信號間的轉換。在程序中，在每一周期必須告知微處理器要做些什么。因此微處理器必須從儲存程序的存儲體取得控制指令與一些數據而加以運算。但是對于所有的微處理器并不是使用相同的方法，一般來說可分成Von Neumann與Harvard二種基本架構，同時又有取其二者優點而衍生出多種的混合改良架構，在增加存儲器與周邊裝置后，就成為能作為數字信號處理應用的微處理控制器。
Von Neumann結構成為電腦發展上的標準已超過40年，基本結構是非常簡潔，程序與數據二者能夠存儲在同一存儲映射空間（memory-mapped space），這種結構的形成是基于大多數一般用途的程序要求，如x86系列。而其缺點是僅有一條總線來共享數據和程序地址，因此同一時間僅有一數據存儲單元或是程序存儲單元能被進行存取操作。
能在讀取執行程序的同時訪問數據存儲空間是有效加快數據處理的重要方法，Harvard結構具有分離程序和數據的存儲空間，兩根總線分別處理不同的地址單元，以確保數據和程序能同時并行的存取，以增加處理速度。這種分離的總線架構可將程序執行分成尋址、解碼、讀取、執行四個工作階段，每一指令必須4個指令周期才能完成，并且同一時間可以有4個指令進入微處理器內處理，當在第4個指令周期后，每一指令周期就有一個指令執行，此時程式是以最高的效率的執行。但需要指出的是，當執行選擇指令如跳躍或比較指令時，由于必須等到指令執行產生的結果后，才知道要跳躍的位置與下一個指令，在此之前所輸入的指令會變的無效，而必須重新輸入新的指令，因此會產生所謂的選擇延時或選擇等待等現象，使得程式執行效率大幅降低至與Von Neumann結構差不多，所以一般當程序需要大量的比較或跳躍語句的場合，如人機交互的介面（這是絕大多數PC機用戶的主要操作方式）等，Harvard架構并不會比Von Neumann結構有更好的性能。
毫無疑問，程序執行速度的增加的同時硬件的成本也相應的增加，分離的數據存儲空間和程序存儲空間就需要兩個不同的數據尋址和與程序尋址的硬件接口。因此能發現在價格與性能間取得折衷的方法，才算是一個較佳的解決方案， 于是產生了Modified Harvard架構，這種架構僅有一個外部總線（以減少接口數），同時有程序與數據兩個內部總線，可以減少成本并維持顧客對運算速度的要求。
由此可見，在個人電腦這樣需要大量的選擇跳躍語句進行人機交互的處理器還是選擇Von Neumann架構（即傳統的CPU 如x86、Pentium等）更加的合理，而在數字視音頻領域進行數字信號的傳輸處理，并不需要大量的選擇語句時， Harvard架構及Modified Harvard架構就顯得更加的適合。

DSP的Modified Harvard架構

DSP是屬于Modified Harvard架構，即它具有兩條內部總線，一個是數據總線，一個是程序總線；而傳統的微處理器內部只有一條總線供數據傳輸與程序執行使用； 從上面我們已經看到Modified Harvard架構在大量數學運算方面有著強大的優勢，在DSP內部具有硬件乘法器，大量的寄存器，目前最快的可在一個指令周期內完成32bit乘32bit的指令，而傳統的微處理器運算系以微代碼來執行，遇到乘法運算指令時就得消耗掉好幾個指令周期，加上傳統的微處理器中的寄存器較少，不得不經常從外部儲存器傳輸數據來進行運算，而DSP指令具備重新執行功能，因此在數學運算速度超越一般傳統的微處理器。
例如當執行循環控制語句時，傳統的CPU會以某一暫存器當初始循環數index，然后以比較跳躍的方式來達到循環控制的目的，此時程序會重復做比較運算直至index為0；而DSP內建硬體repeat count指令來直接對硬件決定下一個循環指令的執行次數，如此可大量減少程式的執行時間。
又如在做數字信號處理時最常出現乘加的運算（如ax y），DSP針對此項需求而特別設計了一個硬件的MAC unit，使得在一個指令周期內即可完成乘加的運算，若再配合repeat指令，便可以將乘加運算的速度大大提高。同時因為DSP有分離的程序與數據的總線，所以一條指令能同時定址訪問程序和數據的存儲單元，完成兩個變量的運算。必須注意a為一維常量放在程序存儲單元，而X為一維變量放在數據存儲單元；若系數a會隨程序運算而變動時，DSP內建一小塊Dual-Access RAM (DARAM)的存儲區域，可由程序將此區域設定為程序存儲區域或數據存儲區域，利用此存儲區域可完成可變系數的計算。
歸納起來DSP具備有以下的特點：(1)內建乘法累加器；(2)指令管線化；(3)多總線與存儲空間；(4)循環尋址與位重新尋址；(5)零負荷循環運算；(6)晶片內含存儲體與存儲體介面。

DSP在音頻領域的應用

由于不存在線形放大電路非理想傳輸函數所造成的失真缺點，運算速度又比傳統微處理器快，DSP已普遍應用于視音頻領域的合成、辨識與編碼；由于對硬盤存儲容量的要求日益提高，使得對VCM(VOICE COIL MOTOR)的定位精度的要求也越來越嚴謹，DSP IC已成為高容量硬盤機

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