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DSP—數字化音頻領(lǐng)域的未來(lái)
DSP—數字化音頻領(lǐng)域的未來(lái)
`2000中南地區省級電視臺技術(shù)協(xié)會(huì )技術(shù)論文二等獎《西部廣播電視》2000年第9期發(fā)表
隨著(zhù)數字信號處理技術(shù)的日益推進(jìn)， IT領(lǐng)域的科技成果越來(lái)越普遍的應用于視音頻領(lǐng)域并大大的推動(dòng)了視音頻科技的進(jìn)步，其中DSP（Digital Signal Processor即數字信號處理器）在音頻領(lǐng)域內的應用就是一個(gè)很好的例子。
傳統的模擬視音頻產(chǎn)品如今逐漸退出，采用數字化技術(shù)極其相應產(chǎn)品已呈不可抵擋的趨勢。數字化的視音頻產(chǎn)品必將涉及將類(lèi)比信號轉換成數字信號后加以傳輸的問(wèn)題。而在這種轉換的過(guò)程中需要做大量的數學(xué)運算，因此必須選擇運算快速的微處理器才能完成實(shí)時(shí)(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(chǎng)合，DSP以其特有的優(yōu)勢更加適合于完成上述任務(wù)。以下就從微處理器的硬件基本架構，來(lái)說(shuō)明DSP與傳統微處理器間的差異及其本身的優(yōu)勢。
DSP的優(yōu)勢
要了解DSP的優(yōu)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(gè)基本的模塊所組成：運算器以完成數學(xué)運算、存儲器和解碼器以完成類(lèi)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(lái)說(shuō)可分成Von Neumann與Harvard二種基本架構，同時(shí)又有取其二者優(yōu)點(diǎn)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(fā)展上的標準已超過(guò)40年，基本結構是非常簡(jiǎn)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(diǎn)是僅有一條總線(xiàn)來(lái)共享數據和程序地址，因此同一時(shí)間僅有一數據存儲單元或是程序存儲單元能被進(jìn)行存取操作。
能在讀取執行程序的同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)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(xiàn)分別處理不同的地址單元，以確保數據和程序能同時(shí)并行的存取，以增加處理速度。這種分離的總線(xiàn)架構可將程序執行分成尋址、解碼、讀取、執行四個(gè)工作階段，每一指令必須4個(gè)指令周期才能完成，并且同一時(shí)間可以有4個(gè)指令進(jìn)入微處理器內處理，當在第4個(gè)指令周期后，每一指令周期就有一個(gè)指令執行，此時(shí)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(shí)，由于必須等到指令執行產(chǎn)生的結果后，才知道要跳躍的位置與下一個(gè)指令，在此之前所輸入的指令會(huì )變的無(wú)效，而必須重新輸入新的指令，因此會(huì )產(chǎn)生所謂的選擇延時(shí)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(yǔ)句的場(chǎng)合，如人機交互的介面（這是絕大多數PC機用戶(hù)的主要操作方式）等，Harvard架構并不會(huì )比Von Neumann結構有更好的性能。
毫無(wú)疑問(wèn)，程序執行速度的增加的同時(shí)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(gè)不同的數據尋址和與程序尋址的硬件接口。因此能發(fā)現在價(jià)格與性能間取得折衷的方法，才算是一個(gè)較佳的解決方案， 于是產(chǎn)生了Modified Harvard架構，這種架構僅有一個(gè)外部總線(xiàn)（以減少接口數），同時(shí)有程序與數據兩個(gè)內部總線(xiàn)，可以減少成本并維持顧客對運算速度的要求。
由此可見(jiàn)，在個(gè)人電腦這樣需要大量的選擇跳躍語(yǔ)句進(jìn)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(lǐng)域進(jìn)行數字信號的傳輸處理，并不需要大量的選擇語(yǔ)句時(shí)， 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(xiàn)，一個(gè)是數據總線(xiàn)，一個(gè)是程序總線(xiàn)；而傳統的微處理器內部只有一條總線(xiàn)供數據傳輸與程序執行使用； 從上面我們已經(jīng)看到Modified Harvard架構在大量數學(xué)運算方面有著(zhù)強大的優(yōu)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(gè)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(lái)執行，遇到乘法運算指令時(shí)就得消耗掉好幾個(gè)指令周期，加上傳統的微處理器中的寄存器較少，不得不經(jīng)常從外部?jì)Υ嫫鱾鬏敂祿䜩?lái)進(jìn)行運算，而DSP指令具備重新執行功能，因此在數學(xué)運算速度超越一般傳統的微處理器。
例如當執行循環(huán)控制語(yǔ)句時(shí)，傳統的CPU會(huì )以某一暫存器當初始循環(huán)數index，然后以比較跳躍的方式來(lái)達到循環(huán)控制的目的，此時(shí)程序會(huì )重復做比較運算直至index為0；而DSP內建硬體repeat count指令來(lái)直接對硬件決定下一個(gè)循環(huán)指令的執行次數，如此可大量減少程式的執行時(shí)間。
又如在做數字信號處理時(shí)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(gè)硬件的MAC unit，使得在一個(gè)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(shí)因為DSP有分離的程序與數據的總線(xiàn)，所以一條指令能同時(shí)定址訪(fǎng)問(wèn)程序和數據的存儲單元，完成兩個(gè)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(huì )隨程序運算而變動(dòng)時(shí)，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(lái)DSP具備有以下的特點(diǎn)：(1)內建乘法累加器；(2)指令管線(xiàn)化；(3)多總線(xiàn)與存儲空間；(4)循環(huán)尋址與位重新尋址；(5)零負荷循環(huán)運算；(6)晶片內含存儲體與存儲體介面。
DSP在音頻領(lǐng)域的應用
由于不存在線(xiàn)形放大電路非理想傳輸函數所造成的失真缺點(diǎn)，運算速度又比傳統微處理器快，DSP已普遍應用于視音頻領(lǐng)域的合成、辨識與編碼；由于對硬盤(pán)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(lái)越嚴謹，DSP IC已成為高容量硬盤(pán)機
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