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  什么是DSP芯片?

  DSP芯片 即數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，DSP 芯片即指能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的芯片，是一種快速?gòu)?qiáng)大的微處理器，獨(dú)特之處在于它能即時(shí)處理。DSP 芯片的內(nèi)部是程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，可以用來(lái)快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理。在當(dāng)今的數(shù)字化時(shí)代背景下，DSP 己成為通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件。

  DSP芯片的發(fā)展歷程

  20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。在DSP 芯片出現(xiàn)之前數(shù)字信號(hào)處理只能依靠微處理器來(lái)完成。但由于微處理器較低的處理速度不快，根本就無(wú)法滿足越來(lái)越大的信息量的高速實(shí)時(shí)要求。因此應(yīng)用更快更高效的信號(hào)處理方式成了日漸迫切的社會(huì)需求，可以說(shuō)DSP 芯片的誕生是時(shí)代所需。

  上世紀(jì)70 年代，DSP 芯片的理論和算法基礎(chǔ)趨于成熟。但那時(shí) DSP 僅僅停留在教科書上，即使是研制出來(lái)的 DSP 系統(tǒng)也是由分立元件組成的，應(yīng)用領(lǐng)域僅局限于軍事、航空航天部門。

  ?1978 年，AMI 公司發(fā)布世界上第一個(gè)單片DSP 芯片S2811，但沒(méi)有現(xiàn)代DSP芯片所必須有的硬件乘法器;

  ?1979年,美國(guó)Intel 公司發(fā)布的商用可編程器件2920 是DSP 芯片的一個(gè)主要里程碑，但其依然沒(méi)有硬件乘法器;

  ?1980 年，日本NEC 公司推出的MPD7720 是第一個(gè)具有硬件乘法器的商用DSP芯片，從而被認(rèn)為是第一塊單片DSP 器件。

  1982 年世界上誕生了第一代DSP 芯片TMS32010 及其系列產(chǎn)品。這種DSP 器件采用微米工藝NMOS 技術(shù)制作，雖功耗和尺寸稍大，但運(yùn)算速度卻比微處理器快了幾十倍。DSP 芯片的問(wèn)世是個(gè)里程碑，它標(biāo)志著 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)由大型系統(tǒng)向小型化邁進(jìn)了一大步。至80 年代中期，隨著CMOS 工藝的DSP 芯片應(yīng)運(yùn)而生，其存儲(chǔ)容量和運(yùn)算速度都得到成倍提高，成為語(yǔ)音處理、圖像硬件處理技術(shù)的基礎(chǔ)。

  ?80 年代后期，第三代DSP 芯片問(wèn)世。運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，其應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大到通信、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域;

  ?90 年代DSP 發(fā)展最快，相繼出現(xiàn)了第四代和第五代DSP 芯片。 第五代與第四代相比系統(tǒng)集成度更高，將DSP 芯核及外圍元件綜合集成在單一芯片上。

  ?進(jìn)入 21 世紀(jì)后，第六代DSP 芯片橫空出世。第六代芯片在性能上全面碾壓第五代芯片，同時(shí)基于商業(yè)目的的不同發(fā)展出了諸多個(gè)性化的分支，并開始逐漸拓展新的領(lǐng)域。

  DSP芯片的市場(chǎng)應(yīng)用

  DSP 芯片強(qiáng)調(diào)數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性，作為數(shù)字信號(hào)處理器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，用于專用處理器的高速實(shí)時(shí)處理。 具有高速，靈活，可編程，低功耗的界面功能，在圖形圖像處理，語(yǔ)音處理，信號(hào)處理等通信領(lǐng)域起到越來(lái)越重要的作用。

  DSP 的應(yīng)用領(lǐng)域較多，未來(lái)新應(yīng)用領(lǐng)域有望層出不窮。根據(jù)美國(guó)的權(quán)威資訊公司統(tǒng)計(jì)，目前 DSP 芯片在市場(chǎng)上應(yīng)用最多的是通信領(lǐng)域，占 56.1%;其次是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，占 21.16%;消費(fèi)電子和自動(dòng)控制占10.69%;軍事/航空占4.59%;儀器儀表占3.5%;工業(yè)控制占3.31%;辦公自動(dòng)化占0.65%。

  DSP 芯片在多媒體通信領(lǐng)域的應(yīng)用。 媒體數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的信息量是巨大的，多媒體網(wǎng)絡(luò)終端在整個(gè)過(guò)程中需要對(duì)獲取的信息量進(jìn)行快速分析和處理，因此 DSP 被運(yùn)用在語(yǔ)音編碼，圖像壓縮和減少語(yǔ)音通信上。如今DSP 對(duì)于語(yǔ)音解碼計(jì)算產(chǎn)生實(shí)時(shí)效果，設(shè)計(jì)協(xié)議要求已經(jīng)成為最基本的一條國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

  DSP 芯片在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用。 在工業(yè)控制領(lǐng)域， 工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用，對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)的性能要求也越來(lái)越高。機(jī)器人控制系統(tǒng)重中之重就是實(shí)時(shí)性，在完成一個(gè)動(dòng)作的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的數(shù)據(jù)和計(jì)算處理，這里可以采用高性能的 DSP。DSP通過(guò)應(yīng)用到機(jī)器人的控制系統(tǒng)后，充分利用自身的實(shí)時(shí)計(jì)算速度特性，使得機(jī)器人系統(tǒng)可以快速處理問(wèn)題，隨著不斷提高DSP 數(shù)字信號(hào)芯片速度，在系統(tǒng)中容易構(gòu)成并行處理網(wǎng)絡(luò)，大大提高控制系統(tǒng)的性能，使得機(jī)器人系統(tǒng)得到更為廣泛的發(fā)展。

  DSP 芯片在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用。 DSP 豐富的片內(nèi)資源可以大大簡(jiǎn)化儀器儀表的硬件電儀路，實(shí)現(xiàn)儀器儀表的SOC 設(shè)計(jì)。器儀表的測(cè)量精度和速度是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，使用DSP 芯片開發(fā)產(chǎn)品可使這兩項(xiàng)指標(biāo)大大提高。例如TI 公司的TMS320F2810 具有高效的32 位CPU 內(nèi)核，12 位A/D 轉(zhuǎn)換器，豐富的片上存儲(chǔ)器和靈活的指揮系統(tǒng)，為高精密儀器搭建了廣闊的平臺(tái)。高精密儀器現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為DSP 的一個(gè)重要應(yīng)用，正處于快速傳播時(shí)期，將推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。

  DSP 芯片在汽車安全與無(wú)人駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用。 汽車電子系統(tǒng)日益興旺發(fā)達(dá)起來(lái)，諸如裝設(shè)紅外線和毫米波雷達(dá)，將需用 DSP 進(jìn)行分析。如今，汽車愈來(lái)愈多，防沖撞系統(tǒng)已成為研究熱點(diǎn)。而且，利用攝像機(jī)拍攝的圖像數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)DSP 處理，才能在駕駛系統(tǒng)里顯示出來(lái)，供駕駛?cè)藛T參考。

  DSP 芯片在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。 DSP 的功耗低、體積小、實(shí)時(shí)性反應(yīng)速度都是武器裝備中特別需要的。如機(jī)載空空導(dǎo)彈，在有限的體積內(nèi)裝有紅外探測(cè)儀和相應(yīng)的DSP信號(hào)處理器等部分，完成目標(biāo)的自動(dòng)鎖定與跟蹤。先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)上裝備的目視瞄準(zhǔn)器和步兵個(gè)人攜帶的頭盔式微光儀，需用DSP 技術(shù)完成圖像的濾波與增強(qiáng)，智能化目標(biāo)搜索捕獲。DSP 技術(shù)還用于自動(dòng)火炮控制、巡航導(dǎo)彈、預(yù)警飛機(jī)、相控陣天線等雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理中。

  DSP芯片主要生產(chǎn)廠家

  當(dāng)前世界上 DSP 芯片制造商主要有3 家：德州儀器(TI)、模擬器件公司(ADI)和摩托羅拉(Motorola)公司，其中 TI 公司獨(dú)占鰲頭，占據(jù)絕大部分的國(guó)際市場(chǎng)份額，ADI 和摩托羅拉公司也有一定市場(chǎng)。

  德州儀器公司(TI)是 DSP 業(yè)界公認(rèn)的龍頭老大，公司在1982 年成功推出了其第一代DSP 芯片TMS32010，由于TMS320 系列DSP 芯片具有價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單易用、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，所以逐漸成為目前最有影響、最為成功的DSP 系列處理器。公司的DSP 產(chǎn)品主要應(yīng)用范圍在機(jī)器視覺(jué)、航空電子和國(guó)防、尺寸、重量和功耗(SWAP)、音頻、視頻編碼/解碼與生物識(shí)別領(lǐng)域。

  模擬器件ADI 公司主有六款主打產(chǎn)品，分別應(yīng)用在語(yǔ)音處理、圖像處理、過(guò)程控制、測(cè)控與測(cè)量等領(lǐng)域。

  摩托羅拉公司也是全球較大的 DSP 芯片生產(chǎn)商，其產(chǎn)品包括定點(diǎn)的和浮點(diǎn)的，專用的和通用的，16 位和24 位以及32 位。DSP 芯片主要應(yīng)用于語(yǔ)音處理、通信、數(shù)字相機(jī)、多媒體、控制等領(lǐng)域。

  FPGA 芯片與 DSP 芯片區(qū)別

  FPGA 即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是作為專用集成電路(ASIC) 領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。有了FPGA 芯片，可以用程序編一個(gè)新發(fā)明的CPU 內(nèi)核出來(lái)，嵌到FPGA 芯片中去，并且可以嵌入多個(gè)。

  國(guó)際 FPGA 市場(chǎng)被四大巨頭壟斷，分別是賽靈思、阿爾特拉、美高森美以及萊迪思。阿爾特拉和賽靈思是FPGA 的發(fā)明者，其中阿爾特拉于1983 年發(fā)明世界上第一款可編程邏輯器件，賽靈思于1985 年公司推出的全球第一款FPGA 產(chǎn)品XC2064。根據(jù)2017 年公司財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，賽靈思營(yíng)收23.49 億美元，阿爾特拉(被英特爾收購(gòu))為19.02 億美元，美高森美FPGA 業(yè)務(wù)為4.21 億美元，萊迪思為3.86 億美元。賽靈思和阿爾特拉兩家公司幾乎占據(jù)了整個(gè)國(guó)際市場(chǎng)的90%。

  相比FPGA芯片，DSP 是專門的微處理器，適用于條件進(jìn)程，特別是較復(fù)雜的多算法任務(wù)。FPGA 包含有大量實(shí)現(xiàn)組合邏輯的資源，可以完成較大規(guī)模的組合邏輯電路設(shè)計(jì)，同時(shí)還包含有相當(dāng)數(shù)量的觸發(fā)器，借助這些觸發(fā)器，F(xiàn)PGA又能完成復(fù)雜的時(shí)序邏輯功能。在既強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)靈活、通用性,以及處理復(fù)雜算法的需求下，往往將DSP 和FPGA 聯(lián)合起來(lái)采用DSP+FPGA 結(jié)構(gòu),或者將DSP 模塊嵌入的FPGA 芯片中，這也是未來(lái)設(shè)計(jì)的一種趨勢(shì)。

  ?DSP 芯片的通用性相對(duì)弱，F(xiàn)PGA 則通用性更強(qiáng);

  ?DSP 具有軟件的靈活性，而FPGA 具有硬件的高速性;

  ?DSP 對(duì)較低速的事件串聯(lián)執(zhí)行，但是處理前可能會(huì)有些時(shí)延， 而 FPGA 不能處理多事件，因?yàn)槊總€(gè)事件都有專用的硬件， 但是采用這種專用硬件實(shí)現(xiàn)的每個(gè)事件的方式可以使各個(gè)事件同時(shí)執(zhí)行;

  ?DSP 是按照指令的順序流來(lái)編程的，而FPGA 是以框圖方式編程的，這樣很容易看數(shù)據(jù)流。

  DSP 芯片上下游供應(yīng)鏈

  DSP 芯片有20 年的歷史，已發(fā)展到較高水平。每天都有新的 DSP 應(yīng)用產(chǎn)品走向市場(chǎng)，但絕大部分DSP 開發(fā)工具和應(yīng)用產(chǎn)品不是DSP 芯片廠自己研發(fā)的。芯片企業(yè)將主要精力放在改進(jìn)芯片設(shè)計(jì)、改革制造工藝、提高運(yùn)算速度、增加功能等方面。許多第三方公司去承擔(dān)DSP 周邊產(chǎn)品的研發(fā)，提高了市場(chǎng)活力。

  圍繞 DSP 芯片產(chǎn)業(yè)化的公司業(yè)務(wù)有很多，包括：

  1) DSP 開發(fā)工具：包括仿真軟件、調(diào)制軟件、硬件仿真器、評(píng)估板等;

  2) DSP 應(yīng)用軟件：各種符合國(guó)際和區(qū)域性標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)音、圖像、視頻、數(shù)據(jù)通信等DSP 軟件。例如不少公司從事ITU-TG,系列語(yǔ)音壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)的dsp 編程。音頻編碼如MPEG1,2,4 的MP3。圖像編碼有JPRG、JPEG2000、H.263 等。

  3) DSP 電路板卡：實(shí)際應(yīng)用中需要專門的 DSP 硬件電路板卡，可以進(jìn)行二次應(yīng)用研發(fā)。如語(yǔ)音信箱就是購(gòu)買 DSP 語(yǔ)音壓縮卡制作的;

  上游原材料市場(chǎng)

  影響 DSP 價(jià)格的主要原材料是晶圓。DSP 芯片的原材料是晶圓。晶圓制造過(guò)程為，首先將硅元素加以純化(99.999%)，然后將純硅制成硅晶棒，最后將其切片就是芯片制作所需要的晶圓。2008 年以來(lái)、英飛凌、飛思卡爾、東芝等紛紛關(guān)閉晶圓廠,不斷擴(kuò)大外包比例。當(dāng)前經(jīng)驗(yàn)環(huán)的尺寸為8 英寸和12 英寸，正向14 英寸經(jīng)晶圓邁進(jìn)。

  下游需求及應(yīng)用領(lǐng)域分析

  DSP 融入高集成度SOC 芯片是主流，DSP 它已經(jīng)發(fā)展成為專業(yè)化和多樣化，每個(gè)制造商的市場(chǎng)劃分越來(lái)越詳細(xì)，差異也越來(lái)越大。簡(jiǎn)單的DSP 芯片越來(lái)越少，DSP越來(lái)越多 與其他處理核集成相比，集成度高、針對(duì)性強(qiáng)的SOC不僅大大降低了板機(jī)空間，而且?guī)?lái)了功耗、成本和項(xiàng)目進(jìn)度的綜合優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了行業(yè)和產(chǎn)品特性的提高。

  DSP 雷達(dá)廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。在航空航天領(lǐng)域，主要用于雷達(dá)和聲納處理。通信主要用于手機(jī)、手機(jī)和通信。IP 電話、ADSL 和HFC 信號(hào)傳輸;電子娛樂(lè)，主要用于高清電視、機(jī)頂盒、家庭影院。