DSP的应用

根据In-Stat的估计，数字信号处理器(DSP)市场将以34.2%的年复合成长率，从1999年44亿美金的规模，成长至2004年的190亿。而目前DSP产品已广泛应用于通讯、计算机及数字数据运算、消费性产品、影音传输、工业性产品等方面，且以通讯类产品为最大宗，但DSP在消费性产品中的应用，如MP3、Smart Cards、DVD Player、数字相机等，将是未来成长最快的领域。

到2004年，All World wide Volume Shipments超过或接近一亿个单位的应用包括：通讯领域的数字无线设备、Wireless Pagers、PC调制解调器；Computer & EDP领域的硬式磁盘驱动器、Combined DVD & CD-RW、办公室设备；传输领域的Audio、Control & Instrumentation、安全气囊、煞车器、防震系统；消费产品领域的Smart Cards、Video Game周边产品、Digital Camcoders、Phones(Cordless)、Appliances & Personal Care；以及工业用途的Motor Controls。

DSP的特性

一般而言，DSP与微处理器的功能都是用于「运算」与「控制」，其中DSP的特色在于强大的运算能力，特别是数字讯号处理的运算，因此DSP在指令集与架构上，有下列几点与一般微处理器不同的特点：

(1)高速乘法－累加器(Multiply-accumulator，简称MAC)；

(2)多重内部计忆体存取总线(Multiple Internal Memory Access Bus)；

(3)特殊寻址(Specialized Addressing)；

(4)内建外围接口(Build-in Peripheral Interface)；

随着算法(Algorithm)日益复杂，客户对于质量与抗错性(Robust)的要求越来越高，DSP要有足够的运算能力才能完整且实时(Real-time)的完成运算法。举例而言，MP3 Decoder的运算量约需24 MIPS的运算能力，但若是要求较高的音乐质量、使用较高阶的滤波器，或者是用软件的方式增加有效的精准度(Accuracy)，此时要以较高速的DSP才能完成。

将来若要支持更复杂的标准，如Dolby的ACC及Microsoft的WMA时，DSP运算能力的要求会更高。又如某些DSP软件开发者，为了节省处理运算精准度的麻烦，采用成本较高的浮点运算(Floating Point)DSP。若是以单价较低的高速定点运算(Fixed Point)DSP来处理，以其运算能力以事先处理进位问题，即可大幅降低整体成本。

然而想增加DSP Core在速度上的表现，不能一厢情愿的认为增加Gate Count就能解决问题；尤其是DSP Core中占最多的内存(Memory)，若是以双埠(Dual Port)的SRAM取代单埠(Single Port)的SRAM，效能将大幅提升，但成本的增加也十分惊人。为提高成本效益比，架构工程师(Architect Engineer)扮演十分重要的角色。

目前已有许多加快DSP指令周期且兼顾成本效益的方法，在考虑程序代码兼容(Code Backward Compatible)的前提之下，一般则会采用「管线式设计」(Pipelined Design)及「重新安排内存总线」(Reorganized Memory Bus)的方法。

Embedded DSP的挑战

目前市面上已可购得国际大厂所推出的全系列DSP标准品，为何Embedded DSP的整合芯片仍是日趋热门的潮流呢？除了系统厂商希望以ASIC达到产品差异化的目的之外，可携式产品及许多通讯设备对于省电、成本与体积的特殊需求，亦使Embedded DSP的系统单芯片大受欢迎。然而，要完成Embedded DSP的IC设计，仍需培养及具备以下能力：

◆完整的IP开发能力及获得授权的能力

在一个内含微处理器的系统单芯片(SOC)中，DSP Core固然是理所当然的主角，扮演配角的其他功能组块(Functional Block)，例如Memory或PLL(Phase-Locked Loop)等亦十分重要，任何一个环节较弱，整体的效能便大打折扣。但是DSP、Memory、PLL的设计需要的Know-how并不相同，许多小型的IC设计公司或系统公司，无法在一定的时限内开发出具有竞争力的其他IP，此时便需要专业ASIC设计服务公司的协助，以取得Third Party的IP授权，并将这些IP顺利整合到Embedded DSP的芯片中。

◆强大的Embedded系统软件开发平台

将DSP及其他IP整合成系统单芯片之后，研发人员在验证产品时必然会碰到的一个问题是：「如果我的Firmware出了问题，如何找出问题在哪里？」早期许多研发经理很单纯的认为：「既然已经用单颗的DSP及FPGA验证过它的Function，整合起来怎么会有问题呢？」

其实问题远比想象中复杂。因为DSP被嵌入之后，DSP macro已经没有足够的Pin脚，可以拉Debug Pin出来监测DSP硬件内部Memory、Register及设定软件执行等断点；此时Firmware出了问题时，很难确认问题所在。一个完整的DSP IP需要包括Debugging Port可供系统验证，以及对应的Debugger软件供监控DSP的状态。

一个Embedded DSP的系统单芯片在内部工程测试，或是交由客户调整时，都需要监视DSP目前执行程序的状况。此时只要透过该DSP内建的ICE Port，透过ICE转接器，经由Debugger软件监控嵌入之DSP。如果DSP IP Provider没有提供这些Debugger的软件与工具，软件的开发会变得极为旷日费时。

◆IC整合经验及Know-how

所谓SoC(系统单芯片)，即是在单一的die中放入数百万晶体管。在这样大规模的IC设计中，要有足够的IC后段整合能力及设计经验，才能有足够的信心可以估算正确的时序(Timing)，如Layout Partition、Clock Tree Place、Wire Loading Estimation、Post Simulation等，都比以往十几万晶体管的设计复杂许多。如果事先没有估算好，有时便要牺牲一些设计上的特性，例如把同步(Synchronized)设计改成异步(Asynchronized)设计等。

要解决这种问题，多半是要靠IC设计工程师的经验了。如果是技术层次较高的ASIC整合公司，如国内的智原科技等厂商，除了自行开发Cell Library之外，还有许多根据帮客户整合IC的经验所自行开发的工具(Tool)，都能准确估计到百万级逻辑闸IC的寄生效应(Parasitic Effect)，在整合超大型IC时，信心度便可大为提高。

未来DSP产品的市场趋势

藉由增加DSP的处理功能，可携式产品系统设计者已能完成过去需要微处理器才能处理的功能，这使得系统产品消耗的功率、成本，及电路板所占的空间得以进一步降低。尽管某些不可程序化的方式可以提供较省电的方案，但许多厂商仍倾向于使用可程序化的DSP，其主要原因是，手机及其他通讯装置的标准仍在制定及发展中，可程序化的DSP可让设计者能够建立符合目前标准的系统产品、加速上市时间，而后仅需上载改变标准所需要的新软件即可升级或扩充功能；DSP也容许设计者在建立核心设计后，再根据原有设计来扩充或缩减，以提供不同款式的产品，达到产品差异化的目的。

在通讯产品方面，DSP在手机中的应用已是大家耳熟能详的；然而如果无线通信产品在中频调变与解调变也能用DSP来做的话，可以有更多的功能变化。例如以DSP做GPS Receiver的中频，如果此时DSP的运算能力够强，也可以拿来做Bluetooth的中频使用，以软件即可达成Bluetooth的功能，完全不需要硬件成本！

除此之外，一般常见的MP3 Player通常只能解MP3而已，如果能再以Embedded DSP提供更多样化的软件，如AC3、WMA，产品就能有更多的功能差异化，不会沦入惨烈的价格战。甚至已有厂商尝试在MP3 Player中加入语音识别软件，做成声控MP3，或利用DSP强大的运算功能，加入声纹辨识功能的软件，做成小型测谎机、算命机、分析心情的有趣玩具等。由此可见，Embedded DSP的应用非常广泛，充满想象空间。

结语

DSP已由二、三十年前的军事应用，快速走入消费性产品及通讯产品中。随着客户对产品Feature及产品差异化的要求越来越高，高速DSP的需求也迅速成长。在SoC时代，IC设计业的分工日趋细密，要完成一个高效能的Embedded DSP SoC产品，除了市场规画人员对产品的定义之外，还需有专业的DSP架构工程师、硬件工程师及软件开发人员等。在此同时，开发一个高速、低成本且易于嵌入、整合的DSP Core，尚需能配合完备与踏实的ASIC Design Flow才能完成。

以国内而言，智原科技在今年四月份首度举办的Draco DSP IP产品发表会，吸引了来自四十多家国内IC设计公司及系统厂商、上百位研发主管与工程师参与，其热烈的程度，足可显见DSP IP在国内受欢迎的程度。相信在国内业者陆续推出自行研发的高速、低耗电DSP IP，并搭配优秀的ASIC整合工程师及Design Flow，国内DSP IC产业必能快速发展。