# E.2 信号处理与嵌入式应用：数字信号处理器 *数字信号处理器*（digital signal processor，DSP）是针对数字信号处理算法优化的专用处理器。这些算法中的大多数，从时域滤波（例如无限长冲激响应和有限长冲激响应滤波）、卷积，到各种变换（例如快速傅里叶变换、离散余弦变换），乃至前向纠错（forward error correction，FEC）编码，都以同一种运算为核心：乘累加。例如，离散傅里叶变换的形式为： $$ X(k)=\sum_{n=0}^{N-1}x(n)W_N^{kn}, $$ 其中 $$ W_N^{kn}=e^{j2\pi kn/N} =\cos\left(2\pi\frac{kn}{N}\right) +j\sin\left(2\pi\frac{kn}{N}\right). $$ 离散余弦变换常被用来替代它，因为离散余弦变换不需要复数运算。这两种变换都以*乘积求和*为核心。为了加速这一运算，DSP 通常提供执行*乘累加*（multiply-accumulate，MAC）的专用硬件。指令 `MAC A,B,C` 的语义为 `A = A + B * C`。在某些情况下，这一运算的性能如此重要，以至于为应用选择 DSP 时，只依据它的 MAC 运算吞吐量作决定。 DSP 经常使用*定点运算*。如果把整数的小数点看作位于最低有效位的右侧，那么这里所说的定点数，其二进制小数点就在符号位的右侧。因此，这种定点数据表示的是介于 −1 和 +1 之间的小数。 ### 例题 有以下三个简单的 16 位二进制位串： ```text 0100 0000 0000 0000 0000 1000 0000 0000 0100 1000 0000 1000 ``` 如果将它们解释为二进制补码整数，分别代表什么值？如果解释为定点数呢？ ### 解答 数的表示方法告诉我们，二进制小数点左边第 \(i\) 位的位权为 \(2^{i-1}\)，右边第 \(i\) 位的位权为 \(2^{-i}\)。先假设这三个二进制位串是整数。此时小数点位于最右侧，所以它们分别表示 \(2^{14}\)、\(2^{11}\) 和 \(2^{14}+2^{11}+2^3\)，即 16384、2048 和 18440。 定点表示把二进制小数点放在符号位右侧，因此三个二进制位串分别表示 \(2^{-1}\)、\(2^{-4}\) 和 \(2^{-1}+2^{-4}+2^{-12}\)。相应分数为 \(1/2\)、\(1/16\) 和 \((2048+256+1)/4096=2305/4096\)，近似小数值分别为 0.50000、0.06250 和 0.56274。另一种求法是：对于 \(n\) 位二进制补码定点数，用其整数表示值除以 \(2^{n-1}\)，也会得到相同结果： $$ \frac{16384}{32768}=\frac12,\qquad \frac{2048}{32768}=\frac1{16},\qquad \frac{18440}{32768}=\frac{2305}{4096}. $$ --- 可以把定点运算看成一种低成本浮点运算。它不在每个字中保存指数，也没有自动对齐和规格化操作数的硬件，而是依靠 DSP 程序员把指数保存在单独的变量中，并将每次结果适当地左移或右移，使其与该指数变量保持一致。由于一个指数变量往往由一组定点变量共享，这种运算方式也称为*块浮点*（blocked floating point），即一块变量共用同一个指数。 为了支持这类手工安排的计算，DSP 通常提供一些较宽的寄存器，以防舍入误差；这与浮点单元内部使用额外保护位类似。图 E.2 概览了四代 DSP，列出了数据宽度和累加寄存器宽度。注意，DSP 体系结构设计者并不要求字长必须是 2 的幂。图 E.3 列出了 TI TMS320C55 DSP 的数据操作数大小。 | 代次 | 年份 | 代表性 DSP | 数据宽度 | 累加器宽度 | |---|---|---|---|---| | 1 | 1982 | TI TMS32010 | 16 位 | 32 位 | | 2 | 1987 | Motorola DSP56001 | 24 位 | 56 位 | | 3 | 1995 | Motorola DSP56301 | 24 位 | 56 位 | | 4 | 1998 | TI TMS320C6201 | 16 位 | 40 位 | {#fig-E.2 .wide .expand num="E.2"} **图 E.2 四代 DSP 的数据宽度，以及用于减少舍入误差的寄存器宽度。** | 数据大小 | 运算中的内存操作数占比 | 数据传送中的内存操作数占比 | |---|---|---| | 16 位 | 89.3% | 89.0% | | 32 位 | 10.7% | 11.0% | {#fig-E.3 .wide .expand num="E.3"} **图 E.3 TMS320C55 DSP 的数据操作数大小。** 大约 90% 的操作数是 16 位。该 DSP 有两个 40 位累加器。与许多 DSP 一样，它没有浮点运算，所以这些数据都是定点整数。 除了 MAC 运算，DSP 往往还提供加速通信算法中某些部分的运算。一类重要算法围绕前向纠错码的编码与译码展开。这类编码在数字比特流中加入额外信息，以抵御传输错误。原书将码率为 \(m/n\) 的编码描述为：每 \(m\) 个信息位对应 \(m+n\) 个校验位。例如，码率为 1/2 的编码，每 2 位中包含 1 个信息位。这类码常称为*网格码*（trellis code），因为一种常见的编码流程图看起来像花园中的格架。Viterbi 提出了网格码的一种常用译码算法。该算法通过一系列比较和选择操作，恢复传输比特的真实值。因此，DSP 往往提供比较—选择运算，以支持 FEC 码的 Viterbi 译码。 > **译注：** 原文确实将 \(m+n\) 写作“校验位”数，与紧接的 1/2 码率例子不一致。通常码率 \(m/n\) 表示每 \(n\) 个编码输出位包含 \(m\) 个信息位，即冗余位为 \(n-m\)。 为了更好地说明 DSP，下面详细考察 Texas Instruments（德州仪器）的两类 DSP。TMS320C55 系列面向由电池供电的嵌入式应用。TMS VelociTI 320C6x 系列则是一组强大的八发射 VLIW 处理器，面向更广泛、对功耗可能不那么敏感的应用。 ## TI 320C55 TI 320C55 体系结构位于 DSP 产品范围的一端。C55 针对低功耗嵌入式应用进行优化，总体体系结构如图 E.4 所示。其核心是一个七级流水线 CPU，各级概述如下： - *取指级*：从内存读取程序数据，送入指令缓冲队列。 - *译码级*：对指令译码，将任务派发给其他主要功能单元。 - *地址级*：计算数据访问地址，以及程序执行不连续时的分支地址。 ![TMS320C55 DSP 体系结构](/figures/app-e/fig-e-4.png) {#fig-E.4 .wide .expand num="E.4"} **图 E.4 TMS320C55 DSP 的体系结构。** C55 是七级流水线处理器，具有一些独特的指令执行设施。（Texas Instruments 提供。）图中的 IU、PU、AU、DU 分别为指令缓冲单元、程序流单元、地址数据流单元和数据计算单元。数据读总线 BB、CB、DB 各为 16 位，对应的读地址总线 BAB、CAB、DAB 各为 24 位；数据写总线 EB、FB 各为 16 位，写地址总线 EAB、FAB 各为 24 位。程序地址总线 PAB 为 24 位，程序读总线 PB 为 32 位。 - *访问 1/访问 2 级*：将数据读地址送往内存。 - *读级*：通过 B、C、D 总线传送操作数数据。 - *执行级*：在 A 单元和 D 单元执行运算，并通过 E、F 总线执行写操作。 C55 的流水线会检测流水线冒险，在出现读后写（WAR）和写后读（RAW）冒险时停顿。 C55 确实配有 24 KB 指令缓存，但可以配置以适应不同工作负载。它可以配置成两路组相联、直接映射，或称为“ramset”的模式。最后一种模式用于支持硬实时应用：在该模式下，缓存中的块不能被替换。 C55 还具备先进的电源管理功能。它通过软件可编程的“空闲域”（idle domain）实现动态电源管理。芯片上的电路块被划分到这些空闲域中，每个域都可以正常运行，也可以进入低功耗空闲状态。程序员可访问的空闲控制寄存器（Idle Control Register，ICR）决定下次执行 `IDLE` 指令时，哪些域将进入空闲状态。这六个域分别是 CPU、直接内存访问（DMA）、外设、时钟发生器、指令缓存，以及外部内存接口。某个域进入空闲状态后，该域的功能就不可用。不过，在外设域中，每个外设都有一个 Idle Enable 位，用来控制该外设是否响应空闲状态的变化。因此，可以分别配置每个外设，使其在外设域进入空闲状态时一同空闲，或继续保持活动。 作为 DSP，C55 的核心特征是其 MAC 单元。C55 有两个 MAC 单元，每个由一个 17 位乘 17 位的乘法器与一个 40 位专用加法器组成。每个 MAC 单元在一个周期内完成其工作；因此，在流水线充分运行时，C55 每周期可以执行两次 MAC。这种能力对于高效执行信号处理应用至关重要。C55 还有一个比较、选择和存储单元（compare, select, and store unit，CSSU），用于 Viterbi 译码器的加法/比较部分。 ## TI 320C6x 与 C55 DSP 系列形成鲜明对照的，是高端 Texas Instruments VelociTI 320C6x 处理器系列。C6x 更接近传统的超长指令字（VLIW）处理器，它力图利用许多信号处理算法中丰富的指令级并行性（ILP）。在嵌入式领域采用 VLIW 来开发 ILP 的厂商，并非只有 Texas Instruments；其他 VLIW DSP 厂商还包括 Ceva、StarCore、Philips/TriMedia 和 STMicroelectronics。为什么这些厂商倾向于 VLIW，而不是超标量？在嵌入式领域，代码兼容性没有那么突出，因此，可以针对最新一代处理器手工调优新应用，也可以重新编译。超标量在桌面领域表现出色的另一个原因，是编译器无法在编译时预测内存延迟。 而在嵌入式领域，内存延迟往往更容易预测。事实上，硬实时约束要求内存延迟能够静态预测。当然，在这种环境和约束下，超标量也能表现良好，但用于动态调度指令的额外硬件，既消耗宝贵的芯片面积，也增加功耗。因此，VLIW 自然成为高性能嵌入式处理器的一种选择。 C6x 系列不同成员采用不同的流水线深度。例如，C64x 的流水线有 11 级。最前面的 4 级执行取指，随后 2 级执行指令译码，最后 4 级执行指令。C64x 的总体体系结构如图 E.5 所示。 > **译注：** 原文列出的 4＋2＋4 合计为 10 级，与同段“11 级”不一致。 C6x 系列的执行级分为两个部分：左侧或称“1”侧，右侧或称“2”侧。L1 和 L2 单元执行逻辑及算术运算；D 单元执行其中一部分逻辑和算术运算，还负责内存访问，即 load 和 store。两个 M 单元执行乘法及相关运算，例如移位。最后，S 单元执行比较、分支以及某些 SIMD 运算；下一小节将详细解释 SIMD。每一侧都有自己的寄存器堆，包含 32 个 32 位寄存器：1 侧为 A 寄存器堆，2 侧为 B 寄存器堆。一侧可以访问另一侧的寄存器，但代价是多花 1 个周期。例如，在 1 侧执行的指令可以访问 B5，不过因此会增加 1 个周期的执行时间。 ![TMS320C64x DSP 系列体系结构](/figures/app-e/fig-e-5.png) {#fig-E.5 .wide .expand num="E.5"} **图 E.5 TMS320C64x DSP 系列的体系结构。** C6x 是八发射的传统 VLIW 处理器。（Texas Instruments 提供。）上方为程序缓存/程序内存，地址宽度 32 位、数据宽度 256 位；下方为数据缓存/数据内存，地址宽度 32 位，数据可为 8、16、32 或 64 位。CPU 包含程序取指、指令派发、指令译码、数据通路 A/B 及各自的寄存器堆，还包括低功耗控制（Power down）、控制寄存器、控制逻辑、测试、仿真和中断支持；其他外设包括定时器、串行端口等。EDMA 和 EMIF 保留原图接口标识。 传统 VLIW 的代码大小表现很差，这与嵌入式系统的需求相悖。但 C6x 系列通过一种“压缩”指令的方法，使 VLIW 代码达到与等价 RISC（精简指令集计算机）代码相同的密度。为此，取指以图 E.6 所示的“指令包”为单位进行。每条指令都有一个 p 位，用来指定指令属于当前 VLIW 字还是下一个 VLIW 字，具体含义见图注。这样，VLIW 编码就不再需要用 NOP 填充。 ![TMS320C6x DSP 系列的指令包](/figures/app-e/fig-e-6.png) {#fig-E.6 .wide .expand num="E.6"} **图 E.6 TMS320C6x DSP 系列的指令包。** p 位决定下一条指令是否开始一个新的 VLIW 字。如果指令 \(i\) 的 p 位为 1，那么指令 \(i+1\) 与指令 \(i\) 并行执行，即在同一周期执行。如果指令 \(i\) 的 p 位为 0，那么指令 \(i+1\) 在指令 \(i\) 之后的周期执行。（Texas Instruments 提供。）图中 A–H 为八条 32 位指令，位号为 31 至 0。 软件流水线是 VLIW 实现高性能的重要技术，但它要求循环每次迭代的调度都与其他迭代相同。条件分支指令会破坏这一模式，因此 C6x 系列提供了通过*谓词执行*（predication）来有条件执行指令的方法。在谓词执行中，指令先完成其工作，但执行结束时会检查另一个寄存器，例如 A1。如果 A1 为零，指令就不写入结果；如果 A1 非零，指令正常完成。这样，就可以把简单的 if-then 和 if-then-else 结构转换为直线代码，以便进行软件流水线调度。 ## 媒体扩展 在 DSP 与微控制器之间，还有一种折中方式：*媒体扩展*。这些扩展以相对较低的成本，向微控制器体系结构加入类似 DSP 的能力。由于媒体处理的效果由人的感官判断，多媒体运算的数据通常远窄于现代桌面和服务器处理器的 64 位数据字。例如，图形浮点运算通常使用单精度而非双精度，而且所需精度往往低于 IEEE 754 的要求。在处理 32 位、16 位甚至 8 位整数时，与其闲置 64 位算术逻辑单元（ALU）的能力，不如用多媒体指令同时操作多个较窄的数据项。因此，在 64 位 ALU 上对 16 位数据执行一次*分段加法*（partitioned add），就能在单个时钟周期内完成 4 次 16 位加法。额外的硬件成本只是阻断 ALU 四个 16 位分段之间的进位。这类指令例如可以用于像素的图形运算，通常称为*单指令多数据*（SIMD）指令或向量指令。 大多数图形多媒体应用使用 32 位浮点运算。一些计算机把单精度浮点运算的峰值性能提高一倍，方法是让一条指令同时启动两次 32 位运算，操作数并排放在一个双精度寄存器中。两个分段必须彼此隔离，避免一个半部的运算影响另一个半部。这种浮点运算称为*成对单精度运算*（paired single operation），例如可用于顶点的图形变换。这种性能翻倍通常通过将浮点单元数量加倍来实现，因此比仅仅阻断整数加法器中的进位更加昂贵。 图 E.7 概括了当时几种计算机中的 SIMD 多媒体指令。 | 指令类别 | Alpha MAX | HP PA-RISC MAX2 | Intel Pentium MMX | PowerPC AltiVec | SPARC VIS | |---|---|---|---|---|---| | 加/减 | — | 4H | 8B、4H、2W | 16B、8H、4W | 4H、2W | | 饱和加/减 | — | 4H | 8B、4H | 16B、8H、4W | — | | 乘法 | — | — | 4H | 16B、8H | — | | 比较 | 8B（≥） | — | 8B、4H、2W（＝、＞） | 16B、8H、4W（＝、＞、≥、＜、≤） | 4H、2W（＝、≠、＞、≤） | | 右移/左移 | — | 4H | 4H、2W | 16B、8H、4W | — | | 算术右移 | — | 4H | — | 16B、8H、4W | — | | 乘加 | — | — | — | 8H | — | | 移位并加法（饱和） | — | 4H | — | — | — | | AND/OR/XOR | 8B、4H、2W | 8B、4H、2W | 8B、4H、2W | 16B、8H、4W | 8B、4H、2W | | 绝对差 | 8B | — | — | 16B、8H、4W | 8B | | 最大值/最小值 | 8B、4W | — | — | 16B、8H、4W | — | | 打包（2n 位 → n 位） | 2W → 2B；4H → 4B | 2*4H → 8B | 4H → 4B；2W → 2H | 4W → 4B；8H → 8B | 2W → 2H；2W → 2B；4H → 4B | | 解包/合并 | 2B → 2W；4B → 4H | — | 2B → 2W；4B → 4H | 4B → 4W；8B → 8H | 4B → 4H；2*4B → 8B | | 置换/重排 | — | 4H | — | 16B、8H、4W | — | {#fig-E.7 .wide .expand num="E.7"} **图 E.7 桌面处理器的多媒体支持概览。** 五种体系结构的支持方式多种多样，共同点很少。所有运算的宽度都是固定的，在 64 位或 128 位 ALU 上执行多个较窄的运算。B 表示字节（8 位），H 表示半字（16 位），W 表示字（32 位）；因此，8B 表示一条指令操作 8 个字节。AltiVec 按 128 位 ALU 计，其余按 64 位计。打包和解包中的 `2*2W` 表示两个操作数，每个操作数含两个字。本表对完整多媒体体系结构作了简化，省略了很多细节。例如，HP MAX2 包含计算平均值的指令，SPARC VIS 包含将寄存器设置为常数的指令。本表也未列出 AltiVec、MAX 和 VIS 的内存对齐操作。表中“—”对应原表空白单元格。 DSP 也提供图 E.7 前三行中的运算，不过会稍微改变它们的语义。首先，由于 DSP 经常用于实时应用，算术溢出不能触发异常，否则可能错过一个事件；因此，无论输入是什么，运算结果都会被使用。为了适应这种不容延误的环境，DSP 体系结构使用*饱和运算*：如果结果太大而无法表示，就根据结果的符号，将其设置为相应方向上可表示的极限值。原文接着对比二进制补码运算：“可以把一个较小的正数加到一个较大的正数上。” > **译注：** 这一对比句没有给出相加之后的结果。从饱和运算的上下文看，这里应当讨论补码溢出时结果可能变成负数；此说明仅用于提示缺失的论意，不作为作者原文的补译。