高速可设定式DSP技术

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                    　　消费性产品与通讯产品都要能支援高运算量和资料转换的功能。这些产品对体积大小和耗电量的要求很严格，而数位讯号处理器（ＤＳＰ），就是这些产品最核心的部份。为了支援这些产品的需求和应用，ＤＳＰ应该是可程式化的、可设定的和可扩充的。因此高速可设定式ＤＳＰ因此应运而生，它非常适合应用在需要高效能、低功率且可以弹性设计的消费性产品和通讯产品上。
　　消费性产品与通讯产品，基本上都要能支援高运算量和资料转换（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）的功能。例如：视讯影像的编码与解码、声音的压缩与解压缩，或者影像资料的处理及压缩、语音的播放以及通讯频道的编解码等应用。
　　这些产品对体积大小和耗电量的要求很严格，而且要求能针对特定的规格提供最佳的支援。而所谓特定的规格就是指产品的应用功能。例如：手提式视讯装置需要低功率和低成本，但影像品质并不高；不过，视讯广播市场所需要的视讯产品，则必须是高画质的，且其运算处理效能一定要高。
　　此外，目前许多产品都必须同时支援多种应用项目，或必须支援具有多种格式（ｆｏｒｍａｔ）的单一应用。譬如：只支援ＭＰＥＧ２的视讯产品，将必须同时支持ＭＰＥＧ４、Ｈ２６Ｌ、ＭＳＷＭ和其它视讯标准；而ＷＬＡＮ通讯装置除了要支援８０２．１１的不同版本标准以外，有时还得支援其它的无线电标准。
　　而数位讯号处理器（ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ＤＳＰ），就是这些产品最核心的部份，负责处理那些需要大量运算的资料。为了有效地支援这些产品的需求和应用，ＤＳＰ应该是可程式化的（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ）、可设定的（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ／ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ）和可扩充的（ｓｃａｌａｂｌｅ）。高速的可设定式ＤＳＰ因此应运而生，它非常适合应用在需要高效能、低功率且可以弹性设计的消费性产品和通讯产品上。
　　高速可设定式ＤＳＰ的设计目的，简单说，就是要在单一的系统级单晶片（ＳｏＣ）架构下，支援许多种应用和需求，而且使用者可以利用高阶语言来开发。为了能尽早完成产品的开发工作，使产品能提早上市，这种新技术将是无法抵挡的趋势。
　　必须了解的定义
　　有几个定义必须先了解。首先，所谓「可程式化」，是指它可以处理指令，而不是指执行固定的函式（ｆｕｎｃｔｉｏｎ）。对ＤＳＰ而言，指令可以来自于高阶语言（Ｃ、Ｊａｖａ、Ｃ＋＋）的编译器（ｃｏｍｐｉｌｅｒ），也可以经由手写程式（组合语言）产生。这有别于传统的ＤＳＰ功能，因为可设定式ＤＳＰ具有类似中央处理器（ＣＰＵ）的功能。其实，正如ＤＳＰ的原名──「数位讯号处理器」，它本来就应该是一种处理器；只不过，传统的ＤＳＰ并没有将ＣＰＵ核心纳入架构中，因此，「ＤＳＰ只能执行固定的函式」就变成了一种刻板印象。
　　所谓可设定式，是指可以使用一种或数种方法，将可设定式ＤＳＰ修改成客户想要的应用功能。不过，这些修改必须在它变成硅晶之前，就得完成。
　　而可扩充性，是指它可以增加或缩减功能，来支援不同种类的应用需求。在大多数的情况下，是专指增加功能而言，这可以使它拥有数颗传统ＤＳＰ的功能。
　　基本特性
　　可设定式ＤＳＰ最明显的特性，就是能动态地执行最佳化作业。它以下列三种方式来强化运算效能。
　　扩充或缩小
　　藉由增加或减少ＤＳＰ处理器里的可用资源，同一种应用就可以具有不同等级的运算效能。可扩充性可以藉由增加单一ＤＳＰ的资源，或者使用数个ＤＳＰ核心来达成。不过，为了能完善地利用这些新增的资源，以提高运算效能，还需要一个功能强大的编译器来配合才行。如果没有这种编译器的协助，则可设定式ＤＳＰ只会使应用产品的开发时程增长而已。
　　位置与混合
　　藉由改变资源的组成结构（在不增加额外的资源之情况下），可设定式ＤＳＰ可以依照不同的应用需求，提供不同等级的效能。例如，暂存器的位置（必须防止它的资料爆满溢出）会直接影响到程式运算迴圈的效能。同样地，功能强大的编译器在这里也扮演着举足轻重的角色。
　　自订指令（ｃｕｓｔｏｍ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）
　　每一种应用都具有一些特殊的运算作业（数学的、工程的或其它），但并不是全部都适合ＤＳＰ去执行。因此，实际上，单一的ＤＳＰ不可能包含所有的指令或运算函式。而且，ＤＳＰ厂商也无法事先就完全知道，所有客户需要的全部运算函式和指令。所以，为了提供弹性设计的方便性，可设定式ＤＳＰ允许使用者可以将自己设计的指令置入此ＤＳＰ中，以满足客户的需求。
　　除了提高运算效能以外，可设定式ＤＳＰ还必须支援功率和体积（成本）的最佳化。因为效能、功率、体积三者是技术产品成败的关键，所以可设定式ＤＳＰ必须在指定的效能等级中，以程式求出最合适的耗电功率和体积大小。
　　可设定式ＤＳＰ可以用比较少的时脉週期和逻辑电路，得到与传统ＤＳＰ同等级的效能，这是靠自订指令来完成的。在可程式化方面，此种ＤＳＰ具有下列两个重要的功能。
　　指令的执行
　　和一般的处理器一样，可设定式ＤＳＰ读取和执行指令串流或目标码（ｏｂｊｅｃｔ　ｃｏｄｅ），以实现特定的应用功能。这些功能包含支援多重标准或多重格式，甚至包括未知的新功能，或数目更多的格式。藉由撰写和执行新的指令，它就可以支援许多种不同的应用功能，这是传统ＤＳＰ望尘莫及的。
　　高阶语言
　　使用高阶语言（Ｃ与Ｊａｖａ）来设计处理器的程式，具有右列的几个优点：程式设计者的生产力会提高（因为容易撰写和验证）、设计弹性高（因为容易变更）及维护性高（因为容易除错和修改）。这些优点是低阶语言（组合语言）所没有的。如果不使用高阶语言来开发，则徒具可程式化功能的ＤＳＰ就没有价值了。不过，高阶语言所带来的便利性，其实是源自于高效率的编译器与优化程式（ｏｐｔｉｍｉｚｅｒ）。
　　基本单元
　　平行执行单元（ｐａｒａｌｌｅｌ　ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ　ｕｎｉｔ）是可以视需要做增减调整的；也可以结合数个可设定式ＤＳＰ核心，形成阵列的架构一起工作。高速的可设定式ＤＳＰ是「极长指令字组（Ｖｅｒｙ　Ｌｏｎｇ　Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｗｏｒｄ；ＶＬＩＷ）」的可程式化处理器。ＶＬＩＷ　ＤＳＰ的运算速度是很惊人的，例如：ＴＩ于２００４年２月推出的ＴＭＳ３２０Ｃ６４ｘ　ＤＳＰ核心的时脉速率最高可达１ＧＨｚ。
　　需要经过数位讯号处理的应用，其频宽需求是非常高的。例如：简单的１６与３２位元的资料转换，就需要进行数百次的乘加运算，再结合大量的资料流处理，因此，需要一个非常有效率的运算平台才行。
　　另一种可以使运算速度加快的方法，就是尽可能同时执行许多个运算作业。ＶＬＩＷ处理器的功能正可以达到这个目的。因为每一个指令字组（ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｗｏｒｄ）包含了许多个时槽（ｔｉｍｅ　ｓｌｏｔ），因此编译器可以在每一个週期内，指定许多个动作，而且在每一个时槽里，执行个别的动作。其结果是，ＶＬＩＷ处理器就可以在一个週期内，完成数个运算作业。ＶＬＩＷ处理器特别适合应用于数位讯号处理工作，因为ＤＳＰ的工作都是规律而重复的，几乎不需要控制码。
　　高速可设定式ＤＳＰ具有数个类似「算数逻辑单元（ＡＬＵ）」的结构，称作「计算单元（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　Ｕｎｉｔ；ＣＵ）」，它们前后串接，并藉由「指令时槽（ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｌｏｔ）」控制每一个ＣＵ。当两个ＣＵ共用一个指令时槽时，就发生了「重叠」现象，此时不能进行「同时作业」。不过，高速可设定式ＤＳＰ允许ＣＵ混合不同的指令，并利用指令时槽，决定每一个週期内的指令型态与数量。
　　在ＶＬＩＷ架构中，指令字组包含了许多个时槽，每一个时槽各控制一个运算作业。因此，藉由改变时槽或ＣＵ的数量，就可以增加或减少每週期所执行的运算数量。当增加ＣＵ后，会使可用的混合资源改变，好让编译器能对平行作业（ｐａｒａｌｌｅｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）做出最好的排序（ｓｃｈｅｄｕｌｅ）。「可设定式」之名就来自于此。
　　典型的ＣＵ包含：算数运算单元、乘加单元（ＭＡＣ）、位移单元、计数器和其它指令处理指元。资料路径（ｄａｔａ　ｐａｔｈ）大小一般是１６或３２位元，或两者兼具；採固点或浮点运算。大部份的ＣＵ还支援「单指令多资料（Ｓｉｎｇｌｅ　Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｄａｔａ；ＳＩＭＤ）」运算功能，可以处理位元组（ｂｙｔｅ）或半字组（ｈａｌｆ　ｗｏｒｄ）的资料，例如将平面空间的圆转换成３Ｄ空间的圆（由多个三角形构成）。
　　同样的，记忆介面单元（Ｍｅｍｏｒｙ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　Ｕｎｉｔ；ＭＩＵ）也被指令时槽组织起来，并透过指令时槽决定读取的时机。ＭＩＵ支援资料存取和位址（ａｄｄｒｅｓｓ）生成。高速可设定式ＤＳＰ支援１６或３２位元的位址空间（ａｄｄｒｅｓｓ　ｓｐａｃｅ）。因为ＭＩＵ和ＣＵ一样，都受指令时槽的控制，因此可以藉由改变时槽的数目，来变更可用的ＭＩＵ数量。
　　和传统处理器不同的是，可设定式ＤＳＰ的暂存器（ｒｅｇｉｓｔｅｒ）分散于各地，它不使用集中式的单一「暂存档案（ｒｅｇｉｓｔｅｒ　ｆｉｌｅ）」来管理。这会使得运算结果的位置，比较靠近产生此结果的地方和应用此结果的地方。同时，这也让编译器能更灵活地将资料配置到储存的位置。这观念类似ＲＡＭ的随机存取动作。
　　「资料通讯区块（ｄａｔａ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｂｌｏｃｋ）」可以让资料在不同的储存位址之间移动，以及输入到ＣＵ里。它包含了数个具有多工（ＭＵＸ）功能的匯流排，并且受编译器的控制。（图一）是高速可设定式ＤＳＰ的简易架构。



　　（图二）　可设定式ＤＳＰ的开发流程
　　结语
　　「软硬体同时开发」是加速ＳｏＣ设计的重要方法，同样也是应用高速可设定式ＤＳＰ开发新产品时，必须採用的方法。ＯＥＭ／ＯＤＭ厂商在时间和成本的压力下，最后势必会採用这种新技术。不过，若大多数厂商都使用同一款ＤＳＰ处理器来开发产品，很可能无法形成产品的市场区隔，再次陷入削价竞争的窘境
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