数字信号处理器DSP（Digital Signal Processor）早期指的是一种信号处理技术，直到1982年TI开发出第一颗商用数字处理器之后，DSP才成为一种全新高速处理器的名称。最初DSP的应用仅及于专业数据通信和语音处理，然而随着数字技术在消费性电子市场的势力逐渐扩张，正好给了DSP一个可大显身手的新舞台，并让其站稳数字信息产品核心引擎的地位。由于DSP技术的进步，新的应用产品势将不停涌现，并渗透至我们生活中的每一角落。

以单一应用设计进军消费市场

DSP本质就是运算处理器，有点类似computer的架构，因此设计时需要考虑效率、运用的广泛程度以及弹性。处理器若越有弹性，其运算效率就会愈高。以消费性电子产品而言，需要在其应用领域具有最高效率，简单说就是要能针对不同的应用来设计，而不能只是设计一个多功能（general purpose）的处理器，否则使用范围广泛，但是某些应用却会变成一种浪费、非常不经济或使处理速度变慢。

拥有DSP音频技术并深耕大中华区MP3音频市场的演算科技（AT-Chip）总经理陈鸿麟指出，消费性电子产品强调经济效益，所以必然不能以多功能处理器来囊括所有产品，必须要针对某一种功能做单一应用的设计，而且架构需是可变的，不是百分之百的多功能或特殊应用。因为针对单一应用的设计固然最有效率且成本最低，但往后只要产品稍有变动，就需重新设计。因此功能取舍，在技术上必须先了解系统架构，做最佳的（optimize）判断，才能拥有最佳的工作表现。现在很多消费性产品开始使用dual-code，一个是一般管理应用的微处理器，一个是专用于运算的处理器。其实运算处理器之架构是可做变化的，因此设计时必须多下功夫。

取舍能力是决胜的关键竞争力

要让产品既便宜功能又好，在功能的取舍上就需要下点功夫。演算科技副总经理暨总工程师章贤亮表示，通常在产品的设计上，功能指针方面相互会有冲突，比如功能弹性大，可应用范围广，或者用途很专一，其设计不同，产品质量也各异，因此设计者在做技术架构规划时，必须在弹性度与专业度间取舍并做最佳的判断。产品要有最适当的设计才符合经济效益。在实际应用上，要能做出正确的决定，本身知识面必须广泛，对各领域都了解到某一深度才能作全盘的规划。演算科技的优点就是技术的涉猎范围广，对应用系统方面了解深入，所以只要系统应用出现问题，便可多角度分析，并发挥IC设计的特长去克服难题。整合、取舍与规划能力才是决胜关键。演算的优势是产品兼容性高，成本很低，因此才能提高性价比。

《图一 演算科技总经理陈鸿麟（右）与副总经理暨总工程师章贤亮》

高整合性才能提升产品价值

SoC的概念是把所有零组件整合至同一芯片上，但不同组件彼此制程不同，要全部整合不太可能，因为必须考虑制程、功率与设计技术的兼容性（capability）。章贤亮表示，从整合的角度来看，把整个系统做到一颗芯片上虽好，但很多应用其实只要把90％的功能整合就可达最经济的状况。换句话说虽然大方向如此，实际上整合度并不是越高越好。所以重要的是如何去做最适当的取舍。消费性电子产品的电路并不复杂，大部分都可整合至同一芯片上。因此系统通常为key component加上重要周边，这些都必须在设计前就先了解系统与其应用，执行时也必须把正确的技术使用到芯片设计上，包括设计、制造、封装与测试等细节。这种经验无法一蹴可基，必须长时间的累积。且整合度越高其成本无法有效压低，这在消费性电子产品将构成致命伤。

陈鸿麟指出，与美国相比，台湾的竞争力来自低成本。美国IC设计的技术虽好，但并不朝低价位的方向努力。台湾必须在消费性产品市场发展成本低，稳定可靠的产品。但降低产品成本同时又得兼顾质量，与将产品的性能发挥到极致，在研发上的困难处并不相同，重点是得具备足够的工程经验。演算科技把兼容高的功能整合在一起，除了IC设计，还包括系统设计，这必须拥有丰富的系统应用能力。2000年4月成立的演算科技研发团队累积超过百年的研发经验，其系统设计能力可提供客户全方位DSP音频解决方案，并对消费性电子关键零组件IC做出优化的设计，如此才能产品才能适合市场使用并达到最经济效益。

RISC架构的平行处理能力

DSP在运算上要求的是平行处理。平行处理指的是指令集的再提高，也就是提高运算效能，透过DSP高速运算的平行处理能力之后，更多指令可在更短的时间之内完成。瑞萨科技（Renesas Technology）技术营销部主任施俊荣指出，过去的的CISC（Complex Instruction Set Computing；复杂指令集计算）架构是好几道指令顺序地完成，而平行处理则是采用RISC（Reduced Instruction Set Computing；精简指令集运算）架构，可一次把所读取到的指令同时执行，因此又称平行处理。而这种平行处理的架构正是能够提升DSP效能的主要原因。

DSP除了在矩阵的运算上很方便之外，另外如浮点运算（floating point）、处理大量数据或是要做快速的运算都需透过DSP。瑞萨在DSP中有X、Y Memory架构，不论是针对矩阵的计算、大量数据的处理与特别高速运算的时候，都会用到memory来辅助运算，主要目的是加速数据的运算，这也是瑞萨DSP产品的优异处。

针对OS开发合适的DSP平台

施俊荣说，效能的提高对于降低消费性电子产品的能量损耗特别重要，所以DSP在设计上的一个难题就是，除了要让效能提高之外，另一方面也要降低耗能，尤其是可携式产品。其实DSP架构的另一关键是其平台（Playform）。作业平台的OS系统不论是Linux或Win CE的架构，我们针对该架构去开发DSP平台给客户使用，客户仅需对其应用撰写或修改核心，不用花费太多时间。在台湾，越来越多客户希望厂商能提供「全段加工」（turn key total solution），因为选定了平台之后，还需要各层面的考虑，才会决定是否把人力等资源投入开发产品。

以DSP平行处理的架构来说，要能够处理高速运算以及大量数据的传输，尤其是对矩阵的运算以及浮点运算，DSP是特别有效的一个演算架构。因此现在很多产品除了本身的CUP，都需要另有DSP这样架构，瑞萨的SH-DSP系列就属于这种产品，可应用领域包括光驱、PRINTER等。

一般DSP产品都包含了前述特点，而除了软、硬件两者需必备之外，平台里核心软件的完整性也是客户考虑的一个重点。以前客户花在DSP上的learning curve比较长，但现在产品的生命周期越来越快，瑞萨的Design Center正可帮助客户缩短开发时程，以及各种技术上的支持。

《图二 瑞萨科技技术营销部主任施俊荣》

IP与3th party

此外，为了缩短产品开发时程，很多IP产品也因应而生。虽然自行开发较节省成本，但产品的开发周期有限，因此台湾的供货商多数已开始采用国外厂商的IP license让自身产品跟得上市场主流。

值得一提的是，IC（Indian & China）以后将是IC设计的趋势。印度的软件开发技术颇为先进，中国大陆则是以系统整合及制造为其强项，面对此两对手，台湾必须加强系统整合度的快速性，及策略伙伴（3th party）与自身产品的支持性，以加快产品上市时程。

以CUP code执行DSP运算

MIPS在CUP code里面有一个乘法加法器，用途是作DSP的加速。MIPS Technologies大中华地区总经理卢功勋指出，很多MIPS的code都已经内含DSP功能，而MIPS的DSP Library与软件开发工具的支持，也可帮SoC业者简化设计流程并降低成本。此外，在更高端应用方面也有Audio的产品，因为MIPS较专注于DTV的STB市场，因此其Audio都是朝向非常高端的应用设计。这些Audio以前需要用一个专门的DSP来执行运算，但MIPS这些Audio的项目都经优化（optimize），所以只要CUP本身便可进行运算，不需要外加DSP。

《图三 MIPS Technologies大中华地区总经理卢功勋（右）与大中华区技术总监王聪贤》

DSP ASE提升CUP运算功能

MIPS所发表的DSP ASE（Application-Specific Extension）特定应用延伸架构，除了基本的乘加器外，又加上特别的运算加速指令，除可让CUP本身的DSP运算功能往上提升外，在Audio和多媒体方面的处理效能也会更快。

MIPS Technologies大中华地区技术总监王聪贤表示，ASE架构加了42个DSP指令，其硬件体积只增加6％，但是效能却能增加3倍。这是因为MIPS分析以往DSP后，发现有些动作如subroutine占了整个应用的25％。将subroutine以指令取代后，便可达到3倍的加速量。这个作法让CUP拥有很强的DSP功能，既可处理OS、一般应用又可执行DSP运算，这是一个重要趋势。

在DSP的发展趋势上，由于产品需要低成本、低耗电与高效能，因此发展出general purpose的DSP，如TI的64X、54X等产品。另外也有针对诸如MPEG或Audio的编/译码（Endoce/Decode）做出DSP硬件，并可适应不同地区的标准或规格，像美国的ADSC或欧洲的DVB等不同规格都可以掌握，但其缺点是体积大。在台湾，很多厂商自行研发16bit DSP，但这种中低阶应用在未来却很容易被RISK给取代。因此为了取得平衡点，以CUP加上DSP ASE架构会是不错的解决方法。在CUP速度与效能越来越强大之际，这些针对DSP常用功能而加入的指令并不会拖累CPU原有的处理效率，在未来这种以RISC软件处理DSP运算的方式势必将成为趋势。

卢功勋指出，台湾的制造能力很强，很适合大量生产的消费性产品。而外国厂商如TI就较适合高阶应用如telephone station等，但只适合小量应用。因此在消费性电子产品方面，国外厂商由于成本无法压低，并不会往消费性电子的产品路线发展。这是因为国外厂商的营运成本高，所以往高阶、先进的产品发展才能拥有足够的利润，否则无法生存。台湾营运的效率相较于外国更高一些，也较为灵活，如产品的上市时程快。因此Broadcom就在台湾成立设计中心，除可压低成本，价格方面更可与台湾厂商竞争。

《图四 MIPS DSP ASE架构图》

以可编程的DSP解决方案供应电器制造商

TI提供以DSP为基础和可编程的解决方案，让一般的数字消费电器制造商能够应用。其中较为重要的特色包括：

TI台湾区消费性电子市场及营销经理张文宾表示，TI通常不会直接提供消费性电器到市场上销售，但是会提供有用的内部零件给制造厂商。光是2003年，TI在消费性电子市场上就拥有34%的成长率，其包含的领域有数字相机、DVD、数字电视以及行动式播放器。

TI较为注重的市场有数字相机、DVD、数字电视、行动播放器、数字收音机以及机顶盒等，当然其部份心力也放在新的产品研发上面。TI在DSP的模拟式产品上投入了大量的专家与人才去研发新的技术，其DSP的解决方案包含高效能、低电源、可编程和低价等多项优点。

DSP与MCU的灵活组合－dsPIC

Microchip自1999年跨入DSP领域发展，在解决了IP等相关问题后，目前已开发出自己的DSP产品，称为dsPIC，主要是由一套DSP引擎加上一个16位MCU所构成。Microchip总经理陈永丰表示，dsPIC具备一套完整的DSP引擎，32 MIPS非管线式（non-pipelined）的运算效能、搭配C语言编译程序的设计环境以及业界熟悉的微处理控制器架构与设计环境。dsPIC的DSP引擎内建高性能的核心演算与传输流量机制，具一套高速16×16位乘法器、两组40位（选用）饱和累积器以及一组16位双向整批移位器（barrel shifter），最多支持40位值。独立型地址产生单元（AGU）能同时撷取两个操作数，并支持大多数DSP指令。

dsPIC核心是一套16位非管线化改良型Harvard架构，结合16位MCU数据处理与外围控制的能力，而配合具高速计算能力的DSP引擎，可支持各种嵌入式系统设计，应用领域包含马达控制与功率转换、传感器以及通用型应用组件。例如Microchip最小18Pins的dsPIC可针对不同动作所引起的声音进行频谱分析，适合做智能型的传感器，避免误动作所产生的错误警报。

dsPIC可为许多高阶16位微处理控制器与中阶的DSP应用系统提供理想的解决方案。其中包括马达控制（无感测直流无刷马达、交换式备援马达、可变磁阻马达）、网络联机装置、汽车产品（安全气囊、车用计算机、线控油门、噪音抑制系统、主动式减震控制系统）、多功能电话（来电显示、回声/杂音消除、双音多频DTMF）、数字录音机（语音压缩）、低速软件调制解调器、线路适配卡（回音消除）、POS终端机（加密、拨号用软件调制解调器）、自动贩卖机（软件调制解调器、钱币辨识系统）、生物安全系统（例如像指纹辨识）、不断电系统、电源供应管理、以及自然人机接口（语音识别/合成系统）。

功能互补 相得益彰

Microchip的dsPIC目前主要是应用于中阶消费市场，其DSP指令周期为每秒32MG MIPS。Microchip技术总监杨云樟指出，这个单体总共含有19个DSP的运算指令，只要遇到这些指令，便会导向DSP引擎进行运算，其他的工作则由16位MCU负责执行。传统DSP设计上的缺点，就是无法专注于运算，例如320系列。而新的1025系列，虽专用于运算部分，但对传统数据的编译便显得碍手碍脚。因此Microchip将两者的缺点去除，优点整合，由MCU对周边数据进行处里，运算部分就交给DSP的运算引擎来执行，对于效能的提升有很大帮助。

除了从市场大方向回头来研发适合的产品，Microchip也集中心力在某一领域发展，对于市场的预估也不至有太大差异。在未来的消费性电子市场，不论是百色家电（冰箱或冷气等）或黑色家电（TV等影音产品），都需要越来越强大的功能，Microchip在DSP市场的产品涵盖领域会越来越广，这将是未来积极发展的方向。

《图五 Microchip总经理陈永丰（左）与技术总监杨云樟》

结语

数字化脚步的加速，让更多的数字消费性电子产品中可见到DSP的身影。DSP产品应用越是多元，其技术竞争也将越见激烈，可以确定的是，未来的市场上将会出现更多功能强大且价格低廉的数字电子产品。在方兴未艾的消费性电子市场，DSP将继续带领为数众多的消费大众，进入更为细致的数字世界。

延 伸 阅 读	演算科技 (AT CHIP) 最近针对新一代 MP3 播放器开发出高整合译码芯片「 Digi-Tank 」 A3200 系列。相关介绍请见「演算科技用Digi-Tank MP3译码芯片实现CD级音质」一文。 DSP ASE 可提高嵌入式讯号处理效能 300% 以上。你可在「MIPS推出DSP讯号与媒体处理延伸方案」一文中得到进一步的介绍。 Microchip Technology 发表新的工具与应用程序支持方案，协助工程师针对 Microchip dsPIC 16 位数字讯号控制器 (Digital Signal Controller ； DSC) 架构开发更完善的产品。在「Microchip为16位dsPIC DSC推出开发系统基础架构」一文为你做了相关的评析。

相关组织网站	AT-Chip演算科技网站 TI德州仪器网站 Renesas Technology（瑞萨科技）网站