针对DSP功耗的变动趋势,存在一个Gene定律。1982年每MIPS的功耗为250mW,到1992下降为12.5mW,而到2000年仅为0.1mW,2004年到0.01mW,而预计2010年将挑战0.001mW。Gene定律认为,DSP功耗性能比每隔5年将降低10倍。
2、DSP算法及芯片分类
DSP运算的基本类型是乘法和累加(MAC)运算,对于卷积、相关、滤波和FFT基本上都是这一类运算。这样的运算可以用通用机来完成,但受到其成本和结构的限制不可能有很高的实时处理能力。
DSP运算的特点是寻址操作。数据寻址范围大,结构复杂但很有规律。例如FFT运算,它的蝶形运算相关节点从相邻两点直至跨越N/2间隔的地址范围,每次变更都很有规律,级间按一定规律排列,虽然要运算log2N遍,但每级的地址都可以预测,也就是寻址操作很有规律而且可以预测。这就不同于一般的通用机,在通用机中对数据库的操作,具有很大的随机性,这种随机寻址方式不是信号处理器的强项。
可以看出,无论是专用的DSP芯片或通用DSP芯片在结构考虑上都能适应DSP运算的这些特点。而专用芯片在结构上考虑的更加专业化,更为合理,因而有更高的运算速度。DSP芯片按用途或构成分类可以分为下列几种类型:
(1)为不同算法而专门设计的专用芯片。例如,用于做卷积/相关并具有横向滤波器结构:INMOS公司的A100、A110;HARRIS公司的HPS43168;PLESSY GEC公司的PDSP16256等。
(2)用于做FFT:Austek公司的A41102,PLESSY GEC公司的PDSP16150等。这些都是为做FIR、IIR、FFT运算而设计的,因而运算速度高,但是具有有限的可编程能力,灵活性差。
(3)为某种目的应用的专门设计系统,即ASIC系统。它只涉及一种或一种以上自然类型数据的处理,例如音频、视频、语音的压缩和解压,调制/解调器等。其内部都是由基本DSP运算单元构建,包括FIR、IIR、FFT、DCT,以及卷积码的编/解码器及RS编/解码器等。其特点是计算复杂而且密集,数据量、运算量都很大。
(4)积木式结构:它是由乘法器、存储器、控制电路等单元逻辑电路搭接而成,这种结构方式也称为硬连线逻辑电路。它是一种早期实现方法,具有成本低、速度高等特点,由于是硬连接因而没有可编程能力。目前主要用于接收机的前端某些高频操作中。
(5)用FPGA(现场可编程陈列)实现DSP的各种功能。实质上这也是一种硬连接逻辑电路,但由于有现场可编程能力,允许根据需要迅速重新组合基础逻辑来满足使用要求,因而更加灵活,而且比通用DSP芯片具有更高的速度。一些公司,如Xinlinx、Altera也正把FPGA产品扩展到DSP应用中去。
3、DSP在汽车领域的应用
随着汽车导航系统、便携式音乐播放器及数数字频广播(DAB)等日渐普及,在车用娱乐领域中,能支援多种媒体的数字系统也就越来越不可或缺。随着数字音响不断发展,可以预见今后数年内,模拟信号处理将被以数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、数字IF调谐器(Digital IF turner)与数字媒体为特征的系统所取代。
(1)车用DSP市场现状
在目前以数字音响为主的市场上,与十年前相比,以高阶机型为中心并搭载DSP的汽车音响已经产品化,而且非常普及。主要透过对各种音效、音场控制等进行数字化,实现多样且音质较佳的音响处理。近年来包含导航系统的汽车音响中之高阶机型确实渗入市场,尤其在日本和欧美各国被作为标准配置的数量急速成长。
与以前模拟信号处理的IC相比,虽然在成本、价格方面并非占尽优势,但最近数年来由于DSP信号处理性能的改善,加上模拟电路与周边元件整合而降低系统成本等因素,相较于模拟系统,DSP音响越来越有利,而成为持续扩大普及的重要原因。
就最近的车用DSP而言,不仅是音频的处理,还有能够处理AM/FM的IF以下数字信号之数字IF系统也颇受瞩目。其重要特点在于可透过数字化,根据情况进行动态控制,以改善邻近路径干扰(adjacent interference)及多重路径干扰(Multipath interference)等不良条件下的特性,并改善抗噪音性能等。
另外,透过共通的硬体,其可根据微电脑设定的不同而修改软体以衍生各种模型(model),这不但是与模拟技术的不同之处,更逐渐成为目前汽车音响中使用的DSP主流。此外,能支援改善接收性能的双天线、双调谐器等多样化系统,也是一大特点。
在音响功能中,因DVD播放等后座娱乐的需要,对于多频道来源的要求日渐提高,相关的音响环绕处理(surround processing)、高采样率处理(high sample rate processing)等要求也随之而生,对于处理能力的要求今后势必将会更高。此外,随着便携式音频播放器的普及,音响也将具备多种功能,如压缩音频的解码与其音质处理,以及与以数字广播为首并预期今后将会大为普及的各种数字媒体的连接性等等。
另外,也必须对车用环境所要求的低功耗、抗噪音性与EMC的减少等严格标准加以考虑,以低功耗著称的DSP对降低功耗的追求是无止境的,
(2)车内媒体对DSP的需求
最新的汽车娱乐需求趋势在于要求车用娱乐系统提供与家中相同的用户体验。从音响、导航系统、便携式音频播放器、车用通讯系统(telematic)到视讯,数字媒体不但朝多样化发展,还要求相互连接性,今后汽车中电子系统的重要性也将会与日遽增。随着汽车导航系统的普及,预计今后汽车将能搭载数个视讯显示器,处理多媒体资料,并引入宽频的车内网路。同时由于对大容量储存空间的需求,搭载硬碟驱动器和使用大容量的记忆体也将成为当务之急。
透过具有可充电优势的USB或各种储存设备与便携式播放器进行连接,尽管最初以便携式播放器直接播放内容为主,但在HDD等储存设备广泛普及,及与内容有关的数字著作权管理方法成熟之后,内容也可以透过下载来扩大使用范围。
在多媒体种类大增的同时,还必须能够支援多种标准和介面。例如,虽然个人可以将自己的播放内容保存在便携式播放器中并播放,但设备间未必具有规格和介面的相容性。各种便携式播放器及介面,虽然在各自的市场中广泛普及,但彼此之间的介面未必进行过标准化,因此随着使用范围从家庭扩展至汽车,这将成为技术上的重要问题。
由于车载应用在一定程度上受限于以往的标准和介面,因此要能支援所有的类型并非易事。除了用户带入车内的多媒体内容,下一代的系统选择必须能够支援以往由地面波传送的收音机与电视广播(terrestrial radio/TV broadcasting)、导航系统所使用的卫星讯息、卫星数字广播传送的数字媒体。同样地,它还必须能够进行无线连接。为了将行动电话以免手持(handsfree)的方式连接至汽车娱乐系统中,目前此系统已整合蓝芽技术,将来,只要把汽车停在自家附近,就应该能透过Wi-Fi进行连接。
最近,连接行动电话的功能开始被加装于汽车中,在发生事故时可提供自动进行紧急呼叫等先进的资料通讯服务。这样的连接将来可能必须发展为透过网际网路提供服务的形式,让汽车和驾驶员可藉由上网获得服务。关于地面广播,为了要能提供防止接收性能受到邻近路径干扰与多重路径干扰的系统技术以及必要水准的性能,软硬体双方的数字信号处理功能逐渐受到广泛利用。
在谈到数字收音机广播时,由于标准视地面波、卫星广播及地域而异,目前为了接收各种标准的信号,分别需要专用晶片组和软体。在下一阶段中,希望可透过通用处理器对各标准的信号进行软体处理,实现在接收不同广播信号时可立即重建的系统通用平台。
(3)下一代设备对DSP的要求
能满足上述各项需求的下一代车用多媒体系统所要求的基本要素大致如下︰高性能的数字信号处理,以及可重建、能处理数个多媒体资料的能力。这正如同日常所使用的设备,需要具有灵活性的平台,并可透过改变软体更轻松地实现系统重建与功能追加。因此将会采用能支援高度多媒体功能、具备足够的介面并结合DSP与处理器的高度整合媒体处理器。
除目前普及的数字音响与导航系统外,高品质的资料通讯服务、视讯功能及其他媒体将如何被导入,尚难做出正确的预测。由于汽车OEM的设计周期长,具备完美车用功能的汽车多媒体系统产品几乎不可能于一个周期内进军市场。首先会从汽车收音机的现有系统开始发展,透过系统升级来实现。虽然预计未来会出现在数字音响、导航系统、行动电话、数字视讯广播的接收功能,加入与多种数字媒体互连性的整合形式,但车用设备需要怎样的功能与系统划分,还需结合市场预测进行充分调查检讨。
4、DSP走向多核与SoC
DSP的发展是非常幸运的,几乎以2倍于半导体工业的增长速度在成长。根据行业分析机构Farward Concepts的预计,在未来5年时间里,DSP市场将以12%的年复合增长率增长,DSP技术在未来几年的发展将远远大于其在问世后25年之内的发展,并将使人类世界变得前所未有的安全、智能化和联网化。
在多核故事不断上演的今天,DSP同样也在向多核转变,特别是面向高速、高密度数据处理应用。在TI最近公布的无线基础设施的多核DSP中,已经有一款6核方案,在未来25年可能一个DSP芯片将集成百个处理器。
TI公司认为,DSP的发展方向是SoC,而不是多核,达芬奇平台就是一个SoC的典型例子,它采用了DSP(C64x)和ARM(ARM9)双核架构,以及视频前端、视频加速器和很强继承性的软件,专门针对数字视频应用而设计。
在DSP目前优势的基础上,降低成本也是未来DSP或SoC平台的努力目标。最早是ADI将Blackfin平台做到10美元以下,后来10美元也成为TI的一个目标,目前,达芬奇平台已经有低于10美元的解决方案。
另外一个重要方面是功耗,以低功耗著称的DSP对降低功耗的追求是无止境的。