DSP 的高效性源于其針對性的架構(gòu)設(shè)計(jì)，從存儲架構(gòu)、運(yùn)算單元到指令集，每一個(gè)環(huán)節(jié)都圍繞 “實(shí)時(shí)信號處理” 優(yōu)化，形成了與通用 CPU 截然不同的技術(shù)體系。

（一）存儲架構(gòu)：哈佛架構(gòu)與多 bank 設(shè)計(jì)

哈佛架構(gòu)是 DSP 的 “基石”，其核心是 “程序存儲與數(shù)據(jù)存儲分離”。在傳統(tǒng)馮?諾依曼架構(gòu)中，CPU 每次只能從存儲器中讀取一條指令或一個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)處理連續(xù)信號時(shí)，頻繁的指令與數(shù)據(jù)讀取會(huì)導(dǎo)致總線擁堵；而哈佛架構(gòu)擁有兩條獨(dú)立的總線（程序總線與數(shù)據(jù)總線），可同時(shí)讀取指令與數(shù)據(jù)，例如在音頻處理中，DSP 可一邊讀取 “降噪算法指令”，一邊讀取 “當(dāng)前音頻數(shù)據(jù)”，運(yùn)算效率提升近一倍。

為進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)訪問速度，DSP 的存儲器通常采用 “多 bank（存儲塊）” 設(shè)計(jì) —— 將數(shù)據(jù)存儲器分為多個(gè)獨(dú)立的 bank，每個(gè) bank 可獨(dú)立被訪問，支持 “并行讀取多個(gè)數(shù)據(jù)”。例如在傅里葉變換中，需要同時(shí)讀取兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行乘法運(yùn)算，多 bank 設(shè)計(jì)可讓 DSP 從不同 bank 中同時(shí)取出這兩個(gè)數(shù)據(jù)，避免了單 bank 存儲器的訪問沖突。部分高端 DSP（如 TI TMS320C66x）還支持 “DMA（直接存儲器訪問）”，無需 CPU 干預(yù)即可實(shí)現(xiàn)存儲器與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸，例如將 ADC 采集的音頻數(shù)據(jù)直接傳輸至數(shù)據(jù)存儲器，進(jìn)一步降低 CPU 負(fù)擔(dān)，確保實(shí)時(shí)性。

（二）運(yùn)算單元：MAC 與向量處理的 “組合拳”

信號處理的核心是 “乘法與累加運(yùn)算”（如濾波算法中的卷積運(yùn)算、音頻編碼中的量化運(yùn)算），因此 DSP 的運(yùn)算單元以 MAC 為核心，并通過向量處理單元提升并行能力。

MAC 單元是 DSP 的 “運(yùn)算核心”，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是 “在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成一次乘法 + 一次累加”。例如計(jì)算 “y = a1b1 + a2b2 + a3*b3”，普通 CPU 需要 3 次乘法指令與 2 次加法指令，而 DSP 的 MAC 單元可通過一條指令連續(xù)完成 3 次 “乘法 + 累加”，運(yùn)算延遲大幅降低。高端 DSP 通常集成多個(gè) MAC 單元，例如 ADI Blackfin BF707 集成 2 個(gè) MAC 單元，可同時(shí)處理兩路信號；TI TMS320C6678 則集成 64 個(gè) MAC 單元，支持 64 路并行運(yùn)算，可滿足多路射頻信號的實(shí)時(shí)處理需求。

除了 MAC 單元，現(xiàn)代 DSP 還集成 “向量處理單元”，支持對 “向量數(shù)據(jù)”（即一組連續(xù)的數(shù)據(jù)）進(jìn)行并行運(yùn)算。例如在視頻處理中，需要對一幀圖像的所有像素進(jìn)行亮度調(diào)整，向量處理單元可一次性讀取 8 個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)完成亮度計(jì)算，運(yùn)算效率是傳統(tǒng) scalar（標(biāo)量）處理的 8 倍。部分 DSP（如高通 Hexagon）還支持 “單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）” 技術(shù)，一條指令可同時(shí)處理 16 位、32 位等不同精度的數(shù)據(jù)，兼顧運(yùn)算速度與數(shù)據(jù)精度。

（三）指令集與流水線：適配信號處理的 “定制化設(shè)計(jì)”

DSP 的指令集針對信號處理場景定制，避免了通用 CPU 指令集中冗余的復(fù)雜指令，同時(shí)通過流水線優(yōu)化提升指令執(zhí)行效率。

在指令設(shè)計(jì)上，DSP 的指令集強(qiáng)調(diào) “簡潔、高效”，并支持多種特殊尋址方式。例如 “循環(huán)尋址” 指令 —— 信號處理中常需對連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)處理（如音頻的幀處理），循環(huán)尋址指令可自動(dòng)將地址重置為起始位置，無需額外的分支指令；“位反轉(zhuǎn)尋址” 指令 —— 傅里葉變換中需要按位反轉(zhuǎn)順序讀取數(shù)據(jù)，位反轉(zhuǎn)尋址指令可直接生成反轉(zhuǎn)后的地址，避免了軟件計(jì)算地址的延遲。此外，DSP 的指令集還支持 “條件執(zhí)行”，可在一條指令中包含條件判斷（如 “若數(shù)據(jù)大于閾值則執(zhí)行加法”），減少分支跳轉(zhuǎn)帶來的流水線中斷，確保指令執(zhí)行的連續(xù)性。

流水線是 DSP 提升指令吞吐量的關(guān)鍵，通常分為 5-8 個(gè)階段（取指、譯碼、取數(shù)、運(yùn)算、寫回等），每個(gè)階段并行處理不同指令。例如當(dāng)?shù)?span> 1 條指令處于 “運(yùn)算” 階段時(shí)，第 2 條指令處于 “取數(shù)” 階段，第 3 條指令處于 “譯碼” 階段，第 4 條指令處于 “取指” 階段，形成 “流水線滿負(fù)荷” 狀態(tài)，指令吞吐量提升近 5 倍。為解決流水線中的 “數(shù)據(jù)相關(guān)” 問題（如后一條指令需要前一條指令的運(yùn)算結(jié)果），DSP 通常采用 “數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)” 技術(shù)，將前一條指令的運(yùn)算結(jié)果直接傳遞給后一條指令的運(yùn)算單元，無需等待數(shù)據(jù)寫入存儲器，進(jìn)一步減少流水線停頓。