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善用DSP工具縮減開發時間

( 01 Aug 2007 )
Jon Titus, 資深技術編輯

幾年前，如果要執行數位訊號處理任務，可以在微處理器中使用激烈的暴力方法、或使用DSP晶片。現在，設計人員可以採用具有DSP功能的微控制器，也可使用FPGA結構的DSP元件。為了協助工程師對此有基本的認識，我們與各大廠商討論了DSP領域內幾點問題，可惜無法涵蓋所有的公司、晶片和工具，只能在可能的範圍與代表性的廠商晤談。

選擇DSP

Microchip Technology將多種DSP元件，如累加器、乘法器、和桶形移位器(Barrel Shifter)結合在其頗受歡迎的PIC微控制器架構中，使熟悉MCU的設計人員能夠充分發揮DSP的優勢。Microchip數位訊號控制器產品部的策略行銷經理Steve Marsh表示，我們的工具有三種擁護者。“首先是傳統的模擬設計人員，第二種是熟悉微控制器的設計人員，最後是內核(hard-core)DSP工程師。”

類比設計人員經常要設計功率轉換應用或數位濾波器中的控制器。首先，他們可使用dsPIC Filter Design和dsPICworks。“dsPICworks工具可產生和分析資料，使設計人員能夠產生不同頻率的訊號，並可產生該資訊的資料檔案。”首席工程師Priyabrata Sinha介紹說。他也是來自Microchip的數位訊號控制器產品部。“設計人員可以利用轉換工具導入資料，然後查看資料、執行FT或對其進行其他處理等。”

“dsPIC Filter Design 軟體可幫助工程師們創建FIR和IIR濾波器，”Sinha說，“這種工具可計算濾波器係數並產生一個C語言程式可用的結構，其中包含濾波器係數、資料指標及其他資訊。”開發人員可以取出以dsPICworks創建的資料，並在濾波器中進行運行來測試其性能。

設計切換式電源管理控制器的工程師們可(SMPS)從Microchip的dsPICDEM SMPS降壓型開發板開始。這種開發板套件中含有說明如何實施數位控制環路的代碼。Microchip還計畫推出SMPS參考設計。

“如果產品需要依賴DSP功能的功能，工程師們可以調用一個庫函數，而無須考慮訊號處理的硬體，”Sinha說。“然後以vocoders[語音編碼器/解碼器]或馬達控制器來設計應用，而不必考慮如何使用乘法器和累加器。Microchip的編譯器包括了免費的庫，以自適應濾波、windowing運算、向量代數及其他功能(包括馬達控制)。

Microchip還以許可授權的方式提供由Microchip工程師或受雇專家創建的庫。工程師們可以自由下載和試用這些庫，包括雜訊遮罩、語音處理和回波抵消功能。如果是企業在其產品中使用這些庫，則需要支援一次性的費用。

這三種人的最後一種—內核DSP專家，則以另一種方式進行設計。他們在開發守演算法後，就去尋找能妥善處理這些代碼的硬體。“某些專家使用MATLAB 和Simulink，”Marsh說。“因此我們推出了一種MATLAB插件，它可與我們的MPLAB IDE實現無縫的交互。”

實施DSP代碼的BLACKFIN 處理器晶片

從一開始，Analog Devices就將其Blackfin處理器設計成一種DSP晶片兼MCU。“我們繼續尋找同時需要DSP和MCU的應用。”Analog DevicesDSP工具產品線的總監Derek Leadbetter介紹。“工程師們可以在MCU 中添加音訊功能，但要使用音訊和視訊，必須還要加增加一塊晶片：DSP模組。我們已經在Blackfin 系列中提供了DSP功能。”

Analog Devices 開發了EZ-KIT Lite，可用於Blackfin晶片系列的每種產品，它在PCB上提供了處理器、SDRAM、快閃記憶體和I/O 設備。在試用處理器時，95％的用戶都要首先熟悉這種工具。“我們提供了電路板及擴展卡上每種設備的驅動程式。”Leadbetter說。“所以用戶可以快速地與週邊“交流”。本公司還提供了先進的套件Multi-Media Starter Kit，它是以ADSP-BF561 EZ-KIT Lite為基礎，為了滿足視訊和影像應用而設計的。

Analog Devices與大量的第三方提供電路板、軟體及諮詢服務的公司建立密切的聯繫。例如，Phytec and Bluetechnix專門生產工程師們可在其最終產品中使用的電路板。這些電路板借鑒了 Blackfin EZ-KIT Lite電路板的啟發，所以，只需稍作改動，Analog Devices 和第三方電路板都可以運行相同的代碼。

“與外部世界的連接是工程師們所面臨的最大挑戰，”Leadbetter說。“所以我們提供了稱為Systems Services Library和Device Driver Model的標準API，使設計透過USB 埠連接到PC或乙太網路的產品更為輕鬆。”通常開發人員利用VisualDSP++ (4.5) 來編程，它可對代碼進行編譯、監測和轉換。編程人員可以在90天內對 VisualDSP++ 進行試用。

我們強調易於接取硬體的功能，以使工程師們可使用嚮導來處理任務(如緩存管理)。他解釋道。“我們解開了配置處理器的神秘，使用戶可以輕鬆地實現系統運行。”

開發人員利用工具(如National Instruments的LabVIEW)還可以輕鬆地學會代碼開發。“你可能使用LabVIEW就設計出一個系統原型。Leadbetter說。“過去，在你證明演算法可行後，還要使用DSP晶片編程工具將其記錄下來。如今，LabVIEW緊密地與我們自己的工具結合在一起，開發人員在原型和開發之間的障礙消除了。”

設計您DSP應用

Texas Instruments 將其DSP產品置於eXpressDSP軟體與開發工具系列中。包括 Code Composer Studio 開發軟體、演算法、模擬器和應用與開發套件。Code Composer Studio(CCStudio)將 TI 的DSP 軟體發展產品整合到支援本公司所有DSP晶片的單一 IDE 環境中，包括最新的 TMS320C64x+DSP核心和具有DSP及 ARM9 CPUDaVinci 的晶片上系統設備。”“除了代碼開發與分析工具外，Code Composer Studio 還包括DSP/BIOS，它是一種無需支付版權費的即時多工核心，”TI 的開發工具產品行銷經理 Lori Vidra 說。編程人員可以下載可運行120 天的 CCStudio 完全版本，這足夠學會DSP的一學期課程。
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工程師們可使用 CCStudio 的教程和示例來學習軟體功能和操作。該工具中還包括新的並行轉換功能，使開發人員能更好地檢查處理器之間的運行和通訊。在三月中旬，TI 發佈了一種新的追蹤硬體模組，可幫助工程師們追蹤難於查找的即時故障。

“為了加快產品的開發過程，我們建立了eXpressDSP演算法標準，使工程師們可以利用商用演算法，”TI 軟體行銷經理 Brian Jeff 說。 “如果開發人員遵守該標準， TI 或第三方的演算法能恰好適合他們應用，他就可以作出明確的決策，是自主構建還是購買。為 DaVinci 處理器系列編寫代碼的工程師們非常歡迎 eXpressDSPDigital Media (XDM) 標準，該標準可保證數位媒體編碼器和解碼器能夠互換並且能協同工作。如果遵守這項標準，就可避免資源衝突或引發問題的爭端。”第三方必須在標準的資料表中指定演算法需求，以使客戶理解功能、記憶體需求等。“”他說。

一年多來， TI 提供了自己的影像、語音及音訊應用編碼器和編碼器套件視訊。這表明開發人員可以輕鬆地獲得增強其產品的現成的優秀代碼，而不必轉換自已設計的演算法。
開發人員不完全依靠代碼，所以 TI 也提供了試用模組(EVM)，這些模組隨處理器、I/O設備的複雜性及所提供軟體的差別，價值從200美元到數千美元不等。“工程師們在購買了電路板後，就可以隨意地試用我們的數字媒體庫中任何編碼器和解碼器，”Jeff 介紹說。用戶可以根據標準實際地測試有高效能代碼的DSP晶片，如 H.264 數位視訊壓縮標準— 及 Windows Media 9 標準。

FPGA 將HDL 編程降到最少
如果開發人員需要DSP或 MCU 晶片的無法實現的功能，通常採用FPGA。但是，許多人都不想成為FPGA 設計方面的硬體描述語言編程師或專家。這也不難理解：傳統的FPGA 建置需要許多步驟，從採用C 指令的演算法到FPGA特定的位元流。

為了簡化DSP-in-FPGA 的設計， Xilinx 推出了AccelDSPAlgorithmic Synthesis Tool，一種高級的基於MATLAB的綜合套件。利用這種工具，設計人員可創建 Xilinx FPGA 的DSP模組。AccelDSP可自動進行浮點到定點的轉換，產生可綜合 VHDL 或 Verilog，為檢驗創造了一種基準。

DSP功能模組也可用於 Xilinx 構建於的 Mathworks Simulink 軟體之上的DSP系統生成器( System Generator)。該系統生成器還為工程師們提供了Xilinx 包含訊號處理和通訊功能的的專用模型庫(blocksets )，如濾波器、快速傅立葉變換人、編碼器等。

“工程師們可使用 AccelDSP研究不同的微架構和宏架構，” Xilinx 嵌入式與訊號處理解決方案的行銷總監 Tom Feist 說。“宏架構中可包含某些簡單設計(如除運算)，在這種架構中用戶可使用 CORDIC、Newton-Raphson 演算法、Goldschmidt 或其他除技術。確定採用的技術之後，就可以考慮使用流水線或資源分享的宏架構。這樣就你可以在實施要求和功能之間進行權衡。我們將設計流程實現了自動化，開發人員可在 MATLAB 中開發演算法，將 Simulink 作為軟體測試基準，並在真正的 FPGA 中檢驗其設計。”Feist說。

“系統生成器中有工程師可作為示例的 50 種不同設計，”DSP工程總監 Jim Hwang 說。“他們可以打開這些設計，瞭解其運行原理並在自己的應用中採用該設計。”我們開發了自己的工具，幫助工程師們組裝這些元件。”Xilinx 還提供全面的參考設計。“我們有一個視訊入門套件，可為工程師們提供了全面可行的視訊處理流水線設計。”他介紹說。

“這樣，工程師們就可以專心地實現其演算法的最佳性能，而不必顧及如何在 FPGA 晶片中實施。” Feist 說。“我們努力幫助工程師們擺脫設計 FPGA 的細節。他們可能需要在 I/O 硬體級別進行設計，但不必非成為 VHDL 或 Verilog 編程師。

Xilinx 提供了可試用 30 到 60 天的工具軟體。該軟體具有聯機的入門指導和教學模組，可幫助用戶試用軟體工具的某些功能，然後再進入下一模組。公司還提供了為期兩天的詳細培訓課程。

邊欄：

執行規範
許多工程師使用MATLAB 和 Simulink 來開發訊號處理和通訊應用。他們首先要對演算法及處理步驟進行類比，在確定這種設計確實可行後，再將其實施。“所以，現在出現了一種採用可執行規範的趨勢。”Mathworks 的訊號處理與通訊行銷經理 Arun Mulpur 說。“向來只存在紙上的規範，開始具體地進入現實中。”通常，工程師們在其設計流程中及用來進行設計的工具中使用這些規範。”這樣，建模成為一種工程的有效規範。

開發可執行的規範工程師們從開發特定DSP的演算法中解脫出來。“我們今天的設計將浮點軟體設計于某一廠商的DSP中，”Mulpur解釋說。“但是，假如出於某些原因，我們的下一代產品要使用其他廠商的 16位元的定點處理器。如果已經用組合語言或C 語言編寫了代碼，必須還要再重寫一次”與此相反，若工程師們最初採用 C 語言或 HDL 開發代碼，就可以輕鬆地重新針對一個應用自動地產生C 語言或 HDL 代碼。“可執行的規範將工程師們從目標平臺的細節中解決出來，不論他們使用的是特定的DSP還是FPGA。而且設計人員還可以輕鬆地將浮點設計轉換成位元真週期精確級定點設計。”他說。

然而，讓工程師們編寫可執行的規範並沒有強迫他們進入一個全新的領域。許多工程師們已經使用 MATLAB 來創建及測試演算法，他們可能已經使用 Simulink 來設計及測試系統。“系統變得如此複雜，如果在MATLAB 或 Simulink 中進行模擬設計，就不必再將工程交給實施團隊用組合語言、C 語言或 HDL 編寫代碼。 Mulpir 說。“透過自動產生代碼和確保代碼準確地捕捉建模中的設計，避免了不必要的改動，並能防止設計中出現錯誤。因此建模與所產生的代碼都可以作為實施團隊的“黃金參考”。”

但如果工程師們自動地創建代碼，他們怎麼才能檢驗這些代碼確實能準確地反映原始 MATLAB 或 Simulink 參考模型(規範)？“每個設計步驟都要進行檢驗。這說明了工程師們為什麼要採用建模和模擬設計。
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