DSP軟件向桌面和嵌入式系統(tǒng)挑戰(zhàn)
[導讀]如何合理地安排數(shù)據(jù)流程，使之在DSP的各執(zhí)行單元間無沖突地順利執(zhí)行，仍是DSP開發(fā)人員面臨的一個非常重要的問題。由于設計的復雜性，將算法映射到DSP具體目標硬件上，尚不能采用高層次編程語言，必須使用匯編語言，并對器件的并行執(zhí)行機制有十分清楚的了解。而這種局限于匯編語言的編程設計,正是提高軟件開發(fā)效率的瓶頸。
如何合理地安排數(shù)據(jù)流程，使之在DSP的各執(zhí)行單元間無沖突地順利執(zhí)行，仍是DSP開發(fā)人員面臨的一個非常重要的問題。由于設計的復雜性，將算法映射到DSP具體目標硬件上，尚不能采用高層次編程語言，必須使用匯編語言，并對器件的并行執(zhí)行機制有十分清楚的了解。而這種局限于匯編語言的編程設計,正是提高軟件開發(fā)效率的瓶頸。
90年代早期，嵌入式系統(tǒng)">嵌入式系統(tǒng)和桌面應用的開發(fā)人員曾面臨相似的問題。當時為提高設計效率而采用的方法現(xiàn)在仍可借鑒使用。一個短期的解決方案是由編程人員自己解決這一問題。但是，編程人員相對短缺，而且DSP領域編程人員更為緊缺。在DSP開發(fā)時，可以考慮采用非DSP專業(yè)的編程人員，但這些人員一般傾向于使用桌面和嵌入式應用的開發(fā)工具。而DSP開發(fā)領域還沒有類似的工具，這就阻礙了DSP應用的進一步推廣。
開發(fā)相似，實質不同
即使采用了上述的開發(fā)工具，DSP還具有不同于RISC和CISC的獨特特征。DSP處理能力不僅靠越來越快的時鐘速率來實現(xiàn)，而且還依賴于并行處理結構的進一步采用。早期的DSP僅含有單個多路器和累加器，由哈佛結構以及一些控制寄存器環(huán)路組成。而目前的DSP處理器通常采用多個執(zhí)行單元，每個執(zhí)行單元都由算數(shù)邏輯運算單元（ALU），一個多路器和累加器組成，而且這些執(zhí)行單元可以并行執(zhí)行。
美國I.C.Com 公司在與西門子半導體公司的合作中，開發(fā)出了Carmel DSP，它通過一個非常類似C的匯編語言來解決DSP開發(fā)面臨的上述瓶頸問題。
I.C.Com公司VLSI設計副總裁Amnon Rom說：“我們的目的是使我們的匯編語言Carmel盡可能地接近C語言。對DSP開發(fā)來說，減少開發(fā)過程中從浮點算法轉換到固定點算法，然后再到匯編語言程序所需的時間非常重要。通過將匯編語言與之一一對應，從而減去了從C語言到匯編語言的開發(fā)步驟?！?nbsp;
友好易用的硬件系統(tǒng)
美國ZSP公司采用易于編譯的硬件系統(tǒng)來解決DSP開發(fā)中面臨的這一問題。其硬件系統(tǒng)包含一個正交指令集，一個透
明狀態(tài)機和一個流水線控制單元。其中流水線控制單元是該結構的關鍵，它代替編程人員對DSP中的并行執(zhí)行單元進行作業(yè)安排控制。通過分配指令到硬件、解決數(shù)據(jù)和資源間的依存問題，從而將指令分組分配到DSP的各個并行執(zhí)行單元。這樣減去了編程人員和編譯器安排分配并行任務的負擔。
ZSP公司提供一套完整的軟件開發(fā)工具，讓編程人員管理復雜的DSP編程任務?？梢酝ㄟ^命令行直接調用這一工具，或者通過使用Premia的Codewright編輯器。Codewright是一個開發(fā)工作平臺，通過它可啟動其他應用程序。ZSP就是采用該平臺來管理其Gnu編譯器、匯編器、鏈接器、仿真器以及調試工具。
Codewright開發(fā)環(huán)境進一步擴展，包括了設計項目目錄管理功能，對項目可執(zhí)行程序的生成進行參數(shù)調整。針對基本的DSP軟件開發(fā)，ZSP公司提供了一個完整的解決方案。
美國TI公司認為DSP未來的發(fā)展在于軟件，并已經(jīng)開始著手兩項開發(fā)。首先，它將Code Composer IDE的功能與DSP/BIOS和RTDX驅動程序進行集成，組成綜合開發(fā)環(huán)境Code Composer Studio。這是TI將其收購的GoDSP公司Code Composer DSP調試工具與Spectron的低檔DSP操作系統(tǒng)進行統(tǒng)一集成的結果。其次，它建立了DSP軟件模塊的標準接口，以便更好地重新利用現(xiàn)有的實現(xiàn)了的DSP算法。
TI公司認為，通過將一個匯編語言優(yōu)化器集成到其Code Composer開發(fā)環(huán)境，從而減少了對匯編語言的需要。據(jù)稱該工具產(chǎn)生的編碼的效率可達到手工調試的匯編語言的80。
對DSP開發(fā)，每個MIP和存儲器字非常珍貴，對這一資源的任何浪費都會影響項目的進展，使之難以完成。但為了提高軟件開發(fā)效率，也必須犧牲一些MIP和存儲器為了更好地開發(fā)
對DSP開發(fā)，每個MIP和存儲器字（Word）非常珍貴，對這一資源的任何浪費都會影響項目的進展，使之難以完成。但為了提高軟件開發(fā)效率，也必須犧牲一些MIP和存儲器。這些MIP和存儲器資源是用在DSP內訪問程序和數(shù)據(jù)轉換方面，訪問程序將DSP算法的內部表達方式轉換成共用的方式，以便進行通信。
TI公司提出的軟件標準包含兩個方面，一是處理目標硬件與主機的接口，另一方面處理內部的API（應用程序接口）集，以提供DSP軟件模塊間的通信。在主機一側，是Active X程序集，用來處理與目標硬件間的通信，并模擬目標器件的行為。這里主機接口包括以下四個主組：項目服務器，編輯服務器，圖象服務器和調試服務器。其中調試服務器用來建立和維持與目標硬件間的通信。在目標硬件一側，鏈接依賴于RTDX和DSP BIOS。
Blue Wave Systems的產(chǎn)品經(jīng)理Nick Keeling對Code Composer Studio表示很大的興趣，他說，通過這一產(chǎn)品，可以看到DSP軟件開發(fā)步入成熟。這一進程是TI與其第三方DSP板級開發(fā)商共同合作的結果，從Code Composer Studio開發(fā)的初期，第三方板級開發(fā)商就積極地參與了進來。而這一參與使第三方廠商有能力對Code Composer Studio的功能開展進一步開發(fā)。
Blue Wave Systems公司正對Code Composer Studio進行改進，使它能自動識別與之相連的任何電路板，包括讀取電路板上的配置信息，以及識別安裝在電路板上的驅動程序類型。該公司可提供這種電路板和改進后的具備自動識別功能的Code Composer Studio開發(fā)環(huán)境。
Analog Devices公司的Visual DSP工具集與TI公司的Code Composer類似，但不包括主機與目標硬件的鏈接。該工具支持其全部SHARC DSP系列產(chǎn)品。
Visual DSP是集成了IDE和調試器的一個項目管理工具。原碼調試工作可在一個C語言和匯編語言的混合環(huán)境中完成。同時調試工作可通過一個硬件仿真器在主機上進行，也可直接在目標硬件上實現(xiàn)。
目標器件接口數(shù)據(jù)流可通過中斷的隨機組合來仿真。并可在指定的地址范圍內和地址范圍外設置觀測點進行檢查。這種功能使開發(fā)人員能更好地處理堆棧資源的下溢和上溢。
DSP：數(shù)字化時代的驕子
在即將告別20世紀 、步入21世紀的世紀之交的時刻，讓我們首先回顧一下國際上電子工業(yè)最近30年來發(fā)展的歷程：
70年代的電子工業(yè)以消費電子為主，代表性的產(chǎn)品是錄像機、攝像機、彩電，主要的生產(chǎn)廠商是日本的Sony、JVC、荷蘭的Philips等家電廠商，依靠的是大規(guī)模生產(chǎn)和優(yōu)秀的質量。80年代是計算機時代，代表性的產(chǎn)品是PC機、硬盤驅動器、打印機，主要生產(chǎn)廠商是美國的Intel、IBM、Microsoft、Compaq等公司。90年代起是信息時代，代表性的產(chǎn)品是個人通信網(wǎng)、網(wǎng)絡接入設備、數(shù)字化消費類電子產(chǎn)品，主要生產(chǎn)廠商目前尚難確定，處于戰(zhàn)國七雄爭霸時代，主要獲勝的戰(zhàn)略之一是以DSP為核心的技術及其創(chuàng)新產(chǎn)品。
DSP可以代表數(shù)字信號處理技術，也可以代表數(shù)字信號處理器，其實兩者是不可分割的，前者是理論上的技術，要通過后者變成實際產(chǎn)品。兩者結合起來就成為解決某一實際問題和實現(xiàn)某一方案的手段——數(shù)字信號處理解決方案（DSPS）。
DSPS正在改變我們生活方式的各個方面，例如人們之間的聯(lián)系方式正由電話轉向個人通信方式。人類從電話發(fā)明到5千萬電話用戶數(shù)花了70年時間，模擬蜂窩電話達到5千萬用戶花了14年，而數(shù)字蜂窩電話（GSM是其中之一）只花了5年就達到相同的用戶數(shù)。
再如我們的娛樂方式，VCD、DVD正替代VHS錄像機，數(shù)字電視機開始替代模擬的NTSC或PAL制電視機。家庭影院主要由數(shù)字化A/V設備組成，DSP不僅給你環(huán)繞聲，還為你虛擬各種現(xiàn)場效果。
DSP日益進入人們的生活，所以DSP芯片的年增長率超過50，在最近幾年整個半導體產(chǎn)量下降的情況下，唯有DSP芯片保持高速增長的勢頭。
DSP的發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)是CPU速度的急速增快和價格的持續(xù)下降，使DSP制造商面臨兩種選擇，一種是加快DSP的發(fā)展，另一種是退出競爭?？磥碇饕腄SP制造商都選擇了第一種路線，尤其是占全球DSP銷售份額45的美國TI公司在對公司的產(chǎn)品進行結構性調整的基礎上，以多元化投資轉到單一化投資，確立以DSPS為主要發(fā)展的產(chǎn)品，即集所有技術、所有產(chǎn)品于DSP。
TI公司在原來已被人們熟知的TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C5X、TMS320C8X的基礎上發(fā)展了三種新的DSP系列，它們是：TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000系列，成為當前和未來相當長時期內TI DSP的主流產(chǎn)品，前面提到的那些老型號產(chǎn)品均將被這三種新系列產(chǎn)品替代。從今年開始，’C1X、’C25、C5X、C8X的價格每年都會上調，今年提升了10。而’C2000、’C5000和’C6000三種新系列芯片的價格會逐年作較大幅度的下調，因此無論從價格還是技術支持或是從產(chǎn)品開發(fā)的連續(xù)性出發(fā)，建議大家盡量采用新的DSP系列，在進行教學、培訓時也應介紹這三種新的系列。
90年代早期，嵌入式系統(tǒng)">嵌入式系統(tǒng)和桌面應用的開發(fā)人員曾面臨相似的問題。當時為提高設計效率而采用的方法現(xiàn)在仍可借鑒使用。一個短期的解決方案是由編程人員自己解決這一問題。但是，編程人員相對短缺，而且DSP領域編程人員更為緊缺。在DSP開發(fā)時，可以考慮采用非DSP專業(yè)的編程人員，但這些人員一般傾向于使用桌面和嵌入式應用的開發(fā)工具。而DSP開發(fā)領域還沒有類似的工具，這就阻礙了DSP應用的進一步推廣。
開發(fā)相似，實質不同
即使采用了上述的開發(fā)工具，DSP還具有不同于RISC和CISC的獨特特征。DSP處理能力不僅靠越來越快的時鐘速率來實現(xiàn)，而且還依賴于并行處理結構的進一步采用。早期的DSP僅含有單個多路器和累加器，由哈佛結構以及一些控制寄存器環(huán)路組成。而目前的DSP處理器通常采用多個執(zhí)行單元，每個執(zhí)行單元都由算數(shù)邏輯運算單元（ALU），一個多路器和累加器組成，而且這些執(zhí)行單元可以并行執(zhí)行。
美國I.C.Com 公司在與西門子半導體公司的合作中，開發(fā)出了Carmel DSP，它通過一個非常類似C的匯編語言來解決DSP開發(fā)面臨的上述瓶頸問題。
I.C.Com公司VLSI設計副總裁Amnon Rom說：“我們的目的是使我們的匯編語言Carmel盡可能地接近C語言。對DSP開發(fā)來說，減少開發(fā)過程中從浮點算法轉換到固定點算法，然后再到匯編語言程序所需的時間非常重要。通過將匯編語言與之一一對應，從而減去了從C語言到匯編語言的開發(fā)步驟?！?nbsp;
友好易用的硬件系統(tǒng)
美國ZSP公司采用易于編譯的硬件系統(tǒng)來解決DSP開發(fā)中面臨的這一問題。其硬件系統(tǒng)包含一個正交指令集，一個透
明狀態(tài)機和一個流水線控制單元。其中流水線控制單元是該結構的關鍵，它代替編程人員對DSP中的并行執(zhí)行單元進行作業(yè)安排控制。通過分配指令到硬件、解決數(shù)據(jù)和資源間的依存問題，從而將指令分組分配到DSP的各個并行執(zhí)行單元。這樣減去了編程人員和編譯器安排分配并行任務的負擔。
ZSP公司提供一套完整的軟件開發(fā)工具，讓編程人員管理復雜的DSP編程任務?？梢酝ㄟ^命令行直接調用這一工具，或者通過使用Premia的Codewright編輯器。Codewright是一個開發(fā)工作平臺，通過它可啟動其他應用程序。ZSP就是采用該平臺來管理其Gnu編譯器、匯編器、鏈接器、仿真器以及調試工具。
Codewright開發(fā)環(huán)境進一步擴展，包括了設計項目目錄管理功能，對項目可執(zhí)行程序的生成進行參數(shù)調整。針對基本的DSP軟件開發(fā)，ZSP公司提供了一個完整的解決方案。
美國TI公司認為DSP未來的發(fā)展在于軟件，并已經(jīng)開始著手兩項開發(fā)。首先，它將Code Composer IDE的功能與DSP/BIOS和RTDX驅動程序進行集成，組成綜合開發(fā)環(huán)境Code Composer Studio。這是TI將其收購的GoDSP公司Code Composer DSP調試工具與Spectron的低檔DSP操作系統(tǒng)進行統(tǒng)一集成的結果。其次，它建立了DSP軟件模塊的標準接口，以便更好地重新利用現(xiàn)有的實現(xiàn)了的DSP算法。
TI公司認為，通過將一個匯編語言優(yōu)化器集成到其Code Composer開發(fā)環(huán)境，從而減少了對匯編語言的需要。據(jù)稱該工具產(chǎn)生的編碼的效率可達到手工調試的匯編語言的80。
對DSP開發(fā)，每個MIP和存儲器字非常珍貴，對這一資源的任何浪費都會影響項目的進展，使之難以完成。但為了提高軟件開發(fā)效率，也必須犧牲一些MIP和存儲器為了更好地開發(fā)
對DSP開發(fā)，每個MIP和存儲器字（Word）非常珍貴，對這一資源的任何浪費都會影響項目的進展，使之難以完成。但為了提高軟件開發(fā)效率，也必須犧牲一些MIP和存儲器。這些MIP和存儲器資源是用在DSP內訪問程序和數(shù)據(jù)轉換方面，訪問程序將DSP算法的內部表達方式轉換成共用的方式，以便進行通信。
TI公司提出的軟件標準包含兩個方面，一是處理目標硬件與主機的接口，另一方面處理內部的API（應用程序接口）集，以提供DSP軟件模塊間的通信。在主機一側，是Active X程序集，用來處理與目標硬件間的通信，并模擬目標器件的行為。這里主機接口包括以下四個主組：項目服務器，編輯服務器，圖象服務器和調試服務器。其中調試服務器用來建立和維持與目標硬件間的通信。在目標硬件一側，鏈接依賴于RTDX和DSP BIOS。
Blue Wave Systems的產(chǎn)品經(jīng)理Nick Keeling對Code Composer Studio表示很大的興趣，他說，通過這一產(chǎn)品，可以看到DSP軟件開發(fā)步入成熟。這一進程是TI與其第三方DSP板級開發(fā)商共同合作的結果，從Code Composer Studio開發(fā)的初期，第三方板級開發(fā)商就積極地參與了進來。而這一參與使第三方廠商有能力對Code Composer Studio的功能開展進一步開發(fā)。
Blue Wave Systems公司正對Code Composer Studio進行改進，使它能自動識別與之相連的任何電路板，包括讀取電路板上的配置信息，以及識別安裝在電路板上的驅動程序類型。該公司可提供這種電路板和改進后的具備自動識別功能的Code Composer Studio開發(fā)環(huán)境。
Analog Devices公司的Visual DSP工具集與TI公司的Code Composer類似，但不包括主機與目標硬件的鏈接。該工具支持其全部SHARC DSP系列產(chǎn)品。
Visual DSP是集成了IDE和調試器的一個項目管理工具。原碼調試工作可在一個C語言和匯編語言的混合環(huán)境中完成。同時調試工作可通過一個硬件仿真器在主機上進行，也可直接在目標硬件上實現(xiàn)。
目標器件接口數(shù)據(jù)流可通過中斷的隨機組合來仿真。并可在指定的地址范圍內和地址范圍外設置觀測點進行檢查。這種功能使開發(fā)人員能更好地處理堆棧資源的下溢和上溢。
DSP：數(shù)字化時代的驕子
在即將告別20世紀 、步入21世紀的世紀之交的時刻，讓我們首先回顧一下國際上電子工業(yè)最近30年來發(fā)展的歷程：
70年代的電子工業(yè)以消費電子為主，代表性的產(chǎn)品是錄像機、攝像機、彩電，主要的生產(chǎn)廠商是日本的Sony、JVC、荷蘭的Philips等家電廠商，依靠的是大規(guī)模生產(chǎn)和優(yōu)秀的質量。80年代是計算機時代，代表性的產(chǎn)品是PC機、硬盤驅動器、打印機，主要生產(chǎn)廠商是美國的Intel、IBM、Microsoft、Compaq等公司。90年代起是信息時代，代表性的產(chǎn)品是個人通信網(wǎng)、網(wǎng)絡接入設備、數(shù)字化消費類電子產(chǎn)品，主要生產(chǎn)廠商目前尚難確定，處于戰(zhàn)國七雄爭霸時代，主要獲勝的戰(zhàn)略之一是以DSP為核心的技術及其創(chuàng)新產(chǎn)品。
DSP可以代表數(shù)字信號處理技術，也可以代表數(shù)字信號處理器，其實兩者是不可分割的，前者是理論上的技術，要通過后者變成實際產(chǎn)品。兩者結合起來就成為解決某一實際問題和實現(xiàn)某一方案的手段——數(shù)字信號處理解決方案（DSPS）。
DSPS正在改變我們生活方式的各個方面，例如人們之間的聯(lián)系方式正由電話轉向個人通信方式。人類從電話發(fā)明到5千萬電話用戶數(shù)花了70年時間，模擬蜂窩電話達到5千萬用戶花了14年，而數(shù)字蜂窩電話（GSM是其中之一）只花了5年就達到相同的用戶數(shù)。
再如我們的娛樂方式，VCD、DVD正替代VHS錄像機，數(shù)字電視機開始替代模擬的NTSC或PAL制電視機。家庭影院主要由數(shù)字化A/V設備組成，DSP不僅給你環(huán)繞聲，還為你虛擬各種現(xiàn)場效果。
DSP日益進入人們的生活，所以DSP芯片的年增長率超過50，在最近幾年整個半導體產(chǎn)量下降的情況下，唯有DSP芯片保持高速增長的勢頭。
DSP的發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)是CPU速度的急速增快和價格的持續(xù)下降，使DSP制造商面臨兩種選擇，一種是加快DSP的發(fā)展，另一種是退出競爭?？磥碇饕腄SP制造商都選擇了第一種路線，尤其是占全球DSP銷售份額45的美國TI公司在對公司的產(chǎn)品進行結構性調整的基礎上，以多元化投資轉到單一化投資，確立以DSPS為主要發(fā)展的產(chǎn)品，即集所有技術、所有產(chǎn)品于DSP。
TI公司在原來已被人們熟知的TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C5X、TMS320C8X的基礎上發(fā)展了三種新的DSP系列，它們是：TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000系列，成為當前和未來相當長時期內TI DSP的主流產(chǎn)品，前面提到的那些老型號產(chǎn)品均將被這三種新系列產(chǎn)品替代。從今年開始，’C1X、’C25、C5X、C8X的價格每年都會上調，今年提升了10。而’C2000、’C5000和’C6000三種新系列芯片的價格會逐年作較大幅度的下調，因此無論從價格還是技術支持或是從產(chǎn)品開發(fā)的連續(xù)性出發(fā)，建議大家盡量采用新的DSP系列，在進行教學、培訓時也應介紹這三種新的系列。
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