隨著無線通訊的不斷進步， 為了追上4G無線通道上100Mbps的速度，DSP承擔的工作也在大幅度演進。如此高位元速率的調制和解調需要一些先進的演算法，包括多天線（又稱MIMO）、多載波調制和QAM調制方案。而DSP引擎已作出相應發展，能夠以多種方式滿足這些要求，變成應用專用（或通訊專用） DSP。

在其它DSP領域也經已出現類似的進展，譬如視訊處理就是一例。近年來，螢幕解析度已從VGA漸漸提高到Full HD高畫質（1080p），而且為了處理這些更高的解析度，並保持最低的位元速率，市場也出現了多種視訊標準。由於傳統的DSP引擎已很難滿足這些要求，各種不同的架構和設計理念應運而生，包括多核設計和SIMD（單指令，多資料）處理技術。在這裡，DSP處理樣演變為應用專用處理器，專門用於多媒體工作，同時保持其普遍性。下面將對這些方面進行詳細的討論。

處理DSP應用的不同方法

在SoC中實現DSP功能性有好幾種方法，而我們將主要介紹DSP的可編程設計和半可編程設計實現方案，包括中央處理單元（CPU）、微控制器單元（MCU），和 DSP。至於完全採用硬體來執行演算法的硬體線路方法，這裡就不贅述了。

CPU的典型例子有Pentium 和 PowerPC 處理器。這些超高性能的處理器本質上是通用處理器，時鐘頻率高達2GHz或更高。CPU用於個人電腦、工作站和筆記型電腦等系統，而通常不適合於嵌入式應用。它們能夠處理信號處理工作，但由於時脈頻率極高，致使功耗也相當高，同時帶來電池壽命方面的問題。此外，這類CPU成本非常高，所以不適用於大多數消費電子設備。

另一方面，MCU可被視為Pentium這類 CPU的較慢較小版本。ARM和MIPS科技等公司都提供針對嵌入式應用的內核，它們主要適用於控制工作，能夠運行Windows Mobile 和 Linux等作業系統。一般而言，MCU主要針對控制工作而設計，缺乏典型的DSP支援能力。不過，也有一些MCU具有DSP功能性專用擴展，這一點稍後再作介紹。

獲得DSP功能性的第三種方法是純粹DSP，它們非常適用於數學密集型工作和以資料為主的處理工作，而且專門為嵌入式應用而設計，可確保功耗及電路尺寸適合SoC晶片使用。這種純粹DSP的典型例子有德州儀器的 C55 和 C64、ADI的 Blackfin 以及 CEVA的 TeakLite 和 CEVA-X DSP內核系列。

圖一以X-Y座標空間的形式描述了這些不同DSP解決方案的性能和靈活性。硬體線路加速器也在其中。此外，圖中用不同的顏色標註出了每一種解決方案的功耗程度。

《圖一　不同DSP解決方案的性能和靈活性》

MCU是完全可編程設計的通用處理器，故能夠執行多種不同功能，適用於SoC中的不同應用。不過，因為MCU不是為DSP功能而設計，所以在這一方面無法獲得高性能。

如果運行頻率在1GHz 到 2GHz範圍的話， CPU執行DSP功能的速度當然比MCU更快。但是，除非電池容量夠大，否則在掌上型產品中幾乎不可能採用CPU來執行DSP功能。而硬體線路引擎的DSP性能最高，功耗最低，而靈活性卻大為遜色。

迄今為止，本地DSP在靈活性、性能和功耗三者之間的權衡折衷是最好的。隨著不同DSP應用繼續發展，嵌入式處理器也衍生出新的類型。下面將一一進行討論。

DSP工作演變帶動DSP處理器不斷發展

近年來，各種應用中的DSP要求有了顯著的提高。例如，只要分析一下音訊要求的演進，便會發現在極短時間內同時出現了多個進展，超過了DSP要求的5倍多。下面列出了家用音訊應用設備中的一些新發展：

• ●每通資料流的聲道數目從2（身歷聲）增加到5.1（典型杜比數位設備），到7.1（典型藍光光碟播放機）；





• ●需要解碼並混合的資料流數目從1（典型A/V接收器）增加到2（典型DVD用例）再到3（藍光光碟用例）；





• ●每通解碼資料流的位元速率從48Kbps（MP3）增加到24Mbps（DTS-HD MA）；





• 音訊轉碼器及後處理功能的複雜性增加。

當前的DSP面對視訊應用及其提出的要求也存在類似情況，同樣需要更高的解析度、更高的位元速率和更複雜的視訊標準，而相關的設計工具已不斷推出。至於無線通訊應用，只要分析從3G 到 4G無線標準的位元速率演進，就可看出這一變化趨勢，而且這種成長還不是線性而是指數級的。圖二描繪出了三大DSP領域的技術進展。

《圖二　三大DSP領域的技術進展》

為了滿足對DSP能力的不斷攀升的要求，三種基於處理器的方案中，每一種都在向不同的方向演變。

MCU供應商已嘗試透過在其架構中增我進能喔加一些DSP功能，以及利用專用DSP指令來擴展這些處理器的ISA，來滿足不斷增長的要求，而ARM Cortex-A8就是一典型例子。該元件的CPU連接了一個SIMD加速器（ARM NEON），不過有些供應商選擇的方向稍有不同，他們允許程式設計人員利用自己的指令來擴展其MCU。在這兩種情況中，DSP擴展都能夠提供一個不錯的系統折衷來實現基本DSP功能。不過，對於中高階處理要求，這種MCU解決方案就完全不可行，並會使產品開發和再用方面出現嚴重的缺陷。下一節我們將較詳細地討論這些缺陷。

CPU供應商已經明白，單純靠提高處理器的運行速度是不足以滿足不斷增長的要求的。相對之下，多處理器架構提供了一種替代解決方案，可實現更高的指令級並行性（instruction-level-parallelism；ILP），但這種方法更難滿足可攜式設備的嚴格功率預算要求。面對其它要求更嚴苛的用例，CPU供應商乾脆決定把精力集中自己的核心專業技術上，而把重負載的DSP應用讓位給其它解決方案。譬如，CPU（或多核CPU） 都不能有效地以1080p解析度解碼視訊訊號，或運行LTE基頻，於是這類工作便由市場專用DSP來解決。

市場專用DSP已成為DSP供應商的另類方案，以期滿足高階DSP處理要求。過去，通用DSP曾一度流行，為多個終端市場提供高階的處理。這類DSP的可再用性和普遍性，使其在市場上非常普及，為不少開發商及合作夥伴所採納。雖然通用DSP現在仍擁有某些市場，但更高階領域則需要市場專用性更強的方案，也就是採用ISA來支援市場專用功能（如最新無線通訊標準所需的4×4矩陣計算能力）。市場專用DSP能夠更仔細地滿足整個市場的要求，提供更多所需的能力，同時又不限制這種架構在該市場上不同解決方案中的可再用性（譬如能夠有效用於LTE、WiMAX、HSPA+、EV-DO等的無線通訊DSP）。圖三在同一X-Y空間中描繪出了這些不斷演進的DSP解決方案。

《圖三　不斷演進的DSP解決方案》

在MCU中增加DSP功能―這是一個好辦法嗎？

MCU供應商提升性能的其中一個方法，是提供可擴展架構的DSP指令。有些供應商提供帶有預先定義DSP ISA擴展的MCU 產品（如ARM NEON）；也有一些供應商提供了一系列各種各樣的DSP ISA擴展，供用戶選擇；另外一些供應商則允許獲授權者自行開發DSP指令。在所有這些情況中，由於這些DSP ISA擴展由於並非處理器所固有，故不妨將之視作中央微控制器的附屬加速器。

設計人員在考慮選用一個擴展MCU來實現先進DSP工作時，必須瞭解其缺點所在，例如下列的問題：

• ●除非設計人員小心設計記憶體存取，否則加入的功能單元（譬如MAC單元和加法器）可能無法運作。一般而言，在大型平坦記憶體模型上，MCU同一時間只能支援單個記憶體存取，而且還存在不同的資料故障限制。這與大多數基本DSP架構截然不同，並會很快降低任何DSP擴展的附加價值。





• ●MCU往往非常依賴帶有特權模式（privilege mode）和虛擬儲存支援的緩衝記憶架構，這是由於它們必須支援的控制功能的特性之故。另一方面，DMA在MCU中不會被頻繁採用，因此可以把基本DMA作為一個外掛程式提供給MCU。在資料高度密集的DSP應用中，鑒於應用的即時特性，以及它對確定性處理的要求，先進的DMA是不可或缺的。所以與擴展MCU剛好相反，在處理器架構內，先進的DSP本身就支援DMA機制。





• ●利用DSP指令來擴展MCU通常不會引起定址機制的任何大的變化。因此，這種擴展MCU通常不支援DSP應用中非常典型的獨特定址模式（因其可預測的資料存取模式，如迴圈緩衝器和位元反置）。





• ●由於這種DSP擴展不是MCU的固有部分，它們便需要使用編譯器內在函數來充分發揮這些DSP功能的作用。也就是說，簡明的C代碼不能輕易地編譯為適合在這種DSP擴展上運行的最佳彙編代碼。對於DSP處理器，這種編譯器支援是需要嵌入到編譯器-架構交互設計中的。





• ●MCU一般不支援某些演算法所需要的特殊DSP資料類型，例如是先進無線應用中常見的10位和 12位部件。此外，MCU中的數字準確度通常限制在32位元，而在某些應用則需要更大的動態範圍，高至72位元資料，包括保護位元（guard bit）、飽和硬體和迴圈機制（rounding mechanisms）。這些一般都根據應用的特定要求，由市場專用DSP處理。





• ●在這類擴展MCU中，可用並行性通常限制程式設計人員同時使用MCU及其DSP擴展。於是，即使擁有處理能力，MCU也可能無法以最佳方式來予以利用。

除此之外，擴展MCU雖然為程式設計人員提供了一組不同的DSP擴展供選擇，甚至讓程式設計人員能夠利用自己的DSP指令集來擴展ISA，但還存在一個「非標準」的問題。這種「按需定制」的處理器設計乍看可能頗具吸引力，然而軟體維護極其困難，因為設計人員必須不停地從一個架構向另一個架構移植代碼，無法再用自己的代碼。這也意味著因為某些指令和機制可能有別，由協力廠商軟體供應商開發的代碼未必運行在既有配置上。由於這已成為一個專有的處理器架構，MCU供應商將不能繼續自己的發展藍圖。而另一方面，這種特定MCU配置的使用者（及開發者）則必須維持自己的處理器發展藍圖，以延續一個完整的產品發展藍圖。

結語

隨著無線通訊和多媒體技術的不斷進步，工程師面臨的設計挑戰變得越來越複雜。傳統的DSP引擎，對許多需要通用DSP能力來實現未來提升的應用而言（譬如可攜式多媒體設備），仍然是一種可行的解決方案。但一些更複雜的工作，如4G無線通訊處理和高畫質視訊/音訊處理，則需要一種新的市場專用方案。起源於CPU領域並且也流行於MCU領域的多核設計，是提升性能水準的方法之一，不過這同時也增加了功耗。一些MCU廠商提出的另一種方法是提供不同的DSP ISA擴展。另一方面，DSP廠商開始將新設計轉為市場專用DSP。然而，這些替代解決方案的功能性的性能、靈活性和效率到底如何，仍然是一大關鍵問題。

如上所述，擴展MCU把DSP功能作為附屬加速器來處理，對市場專用DSP而言，這卻是架構的固有部分。另外，擴展MCU（客戶可藉此定義自己的DSP指令集）可被看作單點解決方案，但是無法用於和再用於同一個產品系列中的不同產品。這樣，由於擴展MCU缺乏發展藍圖和代碼相容性，而市場專用DSP以單個DSP架構就能夠服務於特定市場的整個產品系列，最終使前者無法達到市場專用DSP的普遍性。這正是市場專用DSP的的主要優勢，而這也是市場專用DSP將成為下一代SoC基礎的原因。

---作者為CEVA公司企業市場副總裁---