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DSP 主導控制權

( 01 Dec 2005 )
作者：Jon Titus,ECN資深技術編輯

從微控制器到 FGPA ，DSP 系統設計師有很多方式把數位訊號處理功能整合在產品中。透過 DSP 元件從事設計及編程，更大幅地簡化了設計流程。

為了簡化設計，Microchip Technology 公司在它的數位訊號控制器 (DSC) 晶片中結合了微控制器和 DSP 功能。根據該公司數位訊號控制器策略行銷經理 Steve Marsh 的說法，位元反轉、定址移位器、MAC運算等電路，構成了標準 DSP 體系結構的一部分。Marsh 並指出：“過去當工程師需要馬達控制時，他們會使用 DSP 晶片。我們的 dsPIC 家族中的晶片現在包含了馬達控制脈寬調製器 (PWM) 和正交編碼器，恰好是馬達控制設計師需要的周邊。”

客製化軟體庫

Microchip 公司沒有強迫工程師們編寫馬達控制演算法的代碼，而是在它的 MPLAB 工具中提供軟體庫和電機控制圖形用戶介面 (GUI)。Marsh 說：“程式師可以使用 GUI 來為特定電機改變控制參數，這個過程能打開我們的軟體庫，並為他們計畫使用的電機來精細調整這些軟體庫。”

在某些情況下，現有功能和演算法也許夠用，因此 Microchip 公司提供一些由熟悉 dsPIC 體系結構的專家開發的軟體庫。Marsh 強調：“包括電機控制庫在內的一些東西是免費的，而對於其他部分，我們提供一套價格僅為 5 美元的完整的‘測試驅動器’資料庫。若想以商業方式使用，需要付出一小筆先期許可費，不是專利費。”這筆收入是軟體庫的基金。

飛思卡爾半導體公司透過其 56F8000 家族 16 位元 DSC 晶片，加入了 Microchip 的 DSC 潮流，把這些元件的目標設定在馬達控制和功率轉換應用，未來將有可能在照明控制和儀器電路中看到 56F8000 系列元件。

圖形工具縮短設計入門時間

不是程式專家也能利用 DSP 功能，美國國家儀器公司 LabVIEW 即時和嵌入式產品部經理 Shelley Gretlein 表示：“我們的許多客戶從事工業機器控制、汽車測試和設計、機械、研究實驗室和其他工程及科學領域。除了工程和科學方面的核心工作知識以外，他們也許沒有時間成為 DSP 權威，也不想把自己全力投入體系結構細節。”在這些情況下，圖形編程工具使用戶能迅速開發和測試演算法，並檢測進入的訊號以及已被處理送出的訊號。

以美國國家儀器公司的新型 LabVIEW 嵌入式開發模組為例，其包含數百種開箱即用的分析和開發功能，簡化了 DSP 的系統原型研製和系統開發。該公司的圖形編程語言包含馬達控制、數位濾波器、頻譜分析儀等等，它們連接到 I/O 和其他設計工具的運算功能。Gretlein 說：“非 DSP 工程師可以輕鬆地把應用部署在 32 位元開發板上，並且無需用 C 語言編程就能運作。”對於這些開發人員來說，LabVIEW 嵌入式開發模組提供線內 C 代碼技術，該技術可把嵌入式 C 代碼輕鬆地直接集成到圖形塊圖中。

但是在模擬元件公司 DSP 部高級應用工程師 Rick Gentile 看來，很多開發人員在 C 語言程式中投入了大量精力，他們想把這些程式轉移到 DSP 應用。“他們不想丟棄或重新編寫原有代碼。因此，他們必須理解如何把音頻或圖像處理功能添加到現有的 C 語言應用程式。”
ADI公司 DSP 部門高級應用工程師 David Katz 指出：“強大的 C/C++ 編譯器——為特定 DSP 體系結構最佳化的編譯器——就大不相同。我們的 VisualDSP++ 工具使工程師能針對緊湊性或速度來最佳化 C 代碼。這種編譯器瞭解提升效率的捷徑。”

ADI的低成本評估板使工程師能測試各種周邊，獲取並處理視訊訊號，並產生視訊輸出。Gentile 說，這些隨即可用的訊號板能使開發人員順利度過專案的最初幾個月。

Katz 指出：“若需要精細調節某個應用，就必須瞭解系統內的資料流程程和記憶體管理工作。”設計工程師大致知道他們需要做什麼，但並未認識到恰當管理記憶體和如何改善分區內各種資料的性能。

Katz 說：“設計時不用擔心記憶體問題，只需打開快取記憶體，並指定一個提供擴充餘地的特大型處理器。但是，公司一般不會讓工程師購買一個更強大更昂貴的零件來避免設計最佳化工作。”（Katz 和 Gentile 即將出版的書——《嵌入式媒介處理》——將解釋許多類似的系統設計原理。）

勾勒系統的真實狀況

需要研究才能想出購買哪種晶片。德州儀器公司 (TI) 院士 Ray Simar 說：“當人們計畫某個 DSP 專案時，他們經常看基準。我們不是指定 MFLOPS 或 MIPS，而是配備各種基準，比如語音編碼器的數量，或 DSP 晶片能處理的 MPEG 通道數量。這些資訊為開發人員勾畫了真實狀況。”

為了使基準測試、原型研製、開發工作變得容易，德州儀器公司為 TMS320C2000、TMS320C5000 或 TMS320C6000 等每種 DSP 晶片家族提供了多種入門套件和開發套件。基本板的價格通常低於 500 美元，使開發人員能操作代碼，並熟悉 DSP 晶片的體系結構。

TI 還提供更高階的設計板，包含更多的記憶體以及額外的處理器資源和 I/O 元件。例如，該公司的數位媒介開發套件 (DMDK)，配備了 TMSDM642 評估模組，並提供音頻和視訊 I/O 埠。購買者還會收到入門代碼、元件驅動程式和參考框架軟體，該套裝軟體含了許多視訊應用共同的源代碼。另外，TI 的新型 Code Composer Studio 白金版軟體發展包支持該公司的 C6000、C5000 和 C2000 DSP 晶片，並集成了一些新特性，使調試過程更容易。

性能最佳化

隨著對性能的需要日益提高，傳統 DSP 在很多情況下可能無法提供他們需要的性能。對於這些工程師而言，FPGA 是理想的協處理引擎，它們幫助把 DSP 系統性能提升了幾個數量級，這是由於它們通過多個 MAC 交付並行處理。智霖公司公司 DSP 行銷高級經理 Narinder Lall 解釋：“舉例來說，我們的 Virtex-4 家族中，元件能供應多達 512 (18 × 18) 個乘法 48 位元加法 MAC，能於 500 兆赫狀態工作。這意味著工程師能設計採樣速率與時脈速率一樣高的並行系統，例如每秒 500 兆樣本。”

那些想把 DSP 功能設計到智霖公司的 FPGA 中的工程師們可以採用 MathWorks 公司的 MATLAB 和 Simulink 程式，以及適用 DSP 的 Xilinx System Generator。在高級別開發和模擬各種演算法後，Xilinx System Generator 工具自動生成 HDL 代碼或位元流來對 FPGA 設計做編程，並使工程師能在目前硬體平台上轉換和驗證自己的設計。

Lall 強調：“我們並不是強迫設計師在工作中使用 MATLAB 或 Simulink，目的在於滿足 VHDL 或 Verilog 等硬體描述語言做設計的 FPGA 或 ASIC 設計師。”

簡化 DSP 編碼

有些 DSP 系統的開發人員使用過 Simulink，並想創造獨立於廠商的 FPGA 體系結構的設計，他們應該考慮 Synplicity 公司的 Synplify-DSP 工具。該公司供應包含 DSP 功能的塊組或庫，這些功能被直接用在 MathWorks 的 Simulink 軟體中。有限脈衝回應 (FIR) 濾波器、數位頻率合成器、隨機定序器等等功能被整合在 Synplicity 公司的模組中。

Synplicity 公司 FPGA 產品行銷總監 Jeff Garrison 指出，工程師們能迅速地在 Simulink 中記錄、分析並模擬各自的 DSP 演算法，並利用 Synplify DSP 自動開展最佳化的 FPGA 實施。這種引擎把 Simulink 模型轉化成最佳化的 HDL 代碼，這些代碼可隨即以特定 FPGA 為目標，同時執行幾項最佳化，它們使設計師能充分利用 DSP 功能以及 FPGA 晶片上提供的元件。

C 語言魅力依舊

明導國際公司管道行銷總監 Juergen Jaeger 表示，喜歡 C 語言的工程師可利用明導國際公司的 CatapultC Synthesis 來把 C 代碼轉換成 HDL，借此繼續用 C 語言編程。Catapult C Synthesis 產生 VHDL、Verilog 或 System C 語言的網表，以及針對該公司 FPGA 合成工具 Precision Synthesis 的模擬和合成腳本。

Jaeger 指出，用 C 語言編程的人必須理解：他們的設計被轉換成真正的硬體。“並且他們將只擁有固定數量的可用閘極。”Jaeger 詳細說明了這個觀點：“使用 FPGA 的工程師也必須理解：平行算法的設計使用更多閘極，不過性能會提高。如果他們使用串列的方法和更少閘極，性能則較差。”

在 FPGA 中放入訊號處理演算法的人也許會發現那些實施基於 DSP 系統的同事更快地完成設計更新，當修改某種 FPGA 配置時，必須經過額外的硬體實施步驟，然後才能在目標 FPGA 上測試修改後的設計。但是由於在 FPGA 上開發的 DSP 系統以快得多的速度執行各種演算法，因此借助 FPGA 在真實條件下對更新進行測試，所花的時間將會更短。計師在進行建構訊號處理的設計時，無可避免，必須在嘗試多種在產品中實施 DSP 功能的方法後，找出最佳的方法。

參考文獻
Bateman, Andrew, and Iain Paterson-Stephens, "The DSP Handbook," Prentice Hall PTR. 2002. Includes CD-ROM.
Deller, John R., and Dale Grover, "Digital Signal Processing and the Microcontroller," Prentice Hall PTR. 1999. Includes CD-ROM.

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