为实时信号处理设计选择合适架构

1 简介

实时信号处理和使用它的应用程序正在改变电子市场。消费者可获得大量较以往更智能、更快速、更小巧且相互连接性更好的新产品和技术，但最终这会促使他们还需要更多。他们需要更快的速度、更高的效率与便携性，而且他们现在就需要。

显然，这给要求满足上述各种需求的设计工程师带来了巨大压力。他们必须降低成本和功耗，同时还要提高性能和灵活性。他们必须在日趋复杂的开发环境和逐渐缩短的设计周期中完成上述所有工作。

此外，设计人员还面临各种各样的核心技术，均声称能够就给定的应用执行最佳实时操作。以前这还只是数字信号处理器 (DSP) 的领域，而现在各种选择充斥了市场，进一步搅混了曾经是一潭清水的实时信号处理领域。

MCU、ASSP、GPP/RISC、FPGA、ASIC 以及可配置处理器均加入了 DSP 的行列，都要占据实时处理的一块份额。那么您怎样才能知道哪个将能够满足您的实时信号处理需求呢？本文的目的就在于调查不同架构的优势，并比较它们之间设计上的折衷平衡。

首先，我们将讲解所采用的标准，随后我们将标准应用于 7 种选项的每一种。每种选项都在上述标准的基础上根据其相对优势和弱势配有图表，接着将对其逐个进行讨论。

2 标准和衡量

近期 TI 进行的一次调查显示，目前开发人员考虑的信号处理架构中，以下选择是最流行的：ASIC、ASSP、可配置处理器、DSP、FPGA、MCU，以及 RISC/GPP。

进一步的研究，包括 Cahner 的"工程师想法"以及 Beacon Technology Partners的"冲破通向嵌入式开发的障碍"，均表明今天的开发人员在选择其信号处理架构时需满足许多标准。

用来评估各种选项及其相对重要性的标准如下：

• 上市时间 -- 重要性极高
  
• 性能 -- 重要性极高
  
• 价格 -- 重要性极高
  
• 开发的简易性重 -- 要性极高
  
• 功率 -- 中等重要性
  
• 特性灵活性 -- 低等重要性

我们随后根据上述标准通过以下决策表格对架构选项进行评估：

架构考虑列于表格左边。用于评估各种选项的标准，根据标准的重要性以及满足标准的各种选择的有效性在表格顶端一字排开。

以下我们将深入讨论上述信号处理选择，以及它们如何解决今天开发人员面临的问题。

2.1 讨论实时信号处理选项

2.1.1 ASIC（专用集成电路）

ASIC 在上市时间方面评定为差。可配置处理器和 ASIC 相似，因为完成并测试ASIC 或可配置处理器、制造设计独有的晶片并验证解决方案需要较长的周期时间，可能需要许多个月甚至许多年。从门或是从更高级的处理器元素进行配置，它们在困难程度上有轻微的区别。因此，可配置处理器在上市时间评估中尽管表现不佳，但还是略强于 ASIC。

ASIC 在性能方面评定为优秀。就 ASIC 而言，与 FPGA 一样，您也可根据应用功能的情况调节硬件门，从而实现相当高的应用对性性能。

ASIC 在价格方面评定为优秀，这也是上述 7 种选择中唯一价格表现优秀的一种。事实上，专门的标准单元逻辑门既不多也不少，正是最小、最高效的半导体芯片尺寸，因此可实现最低的重复价格。此外，ASIC 的商品化可促使 ASIC 芯片每门价格的降低。

ASIC 在功率方面评定为良好。如果设计专门对功率效率优化的话，那么 ASIC

可实现相当棒的功率效率，这与可配置处理器相似。但是，大多数面向 ASIC 的设计均致力于性能或重复成本（价格）因素，而不是功率因素。

ASIC 在开发简易性方面评定为一般。尽管 ASIC 可视作比较廉价，但如果考虑到总体开发成本，它实际上是最昂贵的。这是由于客户为了在芯片上创建应用必须进行大量逻辑设计，而且硅处理的成本不断增加，每次硅芯片的完全刻线修正 (reticle revision) 都要花费成千上万美元。就开发辅助而言，ASIC 具备一般性支持，但不提供任何对应用的帮助，因为 ASIC 供应商普遍缺乏专用内容知识。

ASIC 在特性灵活性方面评定为差。一旦您确定了就 ASIC 的逻辑，您要添加特性就必须重新开始并进行再设计。这就意味着创建新的硅迭代。

2.1.1.1 ASSP（专用标准产品）

ASSP 在上市时间方面评定为一般。但是，我们常常遇到以下折衷问题：如果市场已经存在而产品也已经存在，那么产品上市的时间应当为良好至优秀。不过，在许多新市场中，由于专用产品的特性往往要很晚才能确定，因此产品上市的时间就很差。这样，综合起来产品上市时间的评定为一般。

ASSP 在性能方面评定为优秀。就 ASSP 而言，如果假定它专门就特定应用进行调解的话，那么它应当能够提供相当高的专用性能。

ASSP 在价格方面评定为良好。我们假定 ASSP 是专用的，因此其成本效率的扩展量较小；这样，其价格为良好，但略逊于 DSP。

ASSP 在功率方面评定为优秀。ASSP 应当在功率方面表现不错，因为它是对特定应用的功能进行优化的。但是，由于它可能更多地对成本而不是功率进行优化，因此它在这方面的评定要低于 DSP。

ASSP 在开发简易性方面评定为一般。这里我们假定，它在实现分化特性(differentiated features) 方面会遇到挑战，可能多少会减缓开发。就开发辅助而言，预计 ASSP 会具备专用知识，但只是面向交钥匙的解决方案。因此，其不太可能具备较好的开发辅助。

ASSP 在特性灵活性方面评定为差。ASSP 从本质上讲在灵活性上是比较差的，因为就其内在而言是对应用的，而且特别是对其目标应用独有的解决方案方法。这种具体的对和优化是对灵活性的折衷。

2.1.1.2 可配置处理器

可配置处理器在上市时间方面评定为差，这与其自身的不成熟和开发的简易性相对较差有关（见下文）。可配置处理器在性能方面评定为优秀。我们假定可配置处理器专门就不同应用进行了调整，则应当就不同应用提供相当高的性能。

可配置处理器在价格方面评定为良好。我们认为可配置处理器还是可提供良好价格选项的，不过规模较小及其尚处于早期阶段，这使其难以实现低价。

可配置处理器在功率方面评定为良好。根据设计，可配置处理器经过配置可在一定程度上假定功率效率对应用重要。

可配置处理器在开发的简易性方面评定为差。就可配置处理器而言，完全开放的功能需要产品开发商进行大量配置工作。此外，产品是不成熟的，可能会出现开发问题。这两方面因素均会导致较差的开发成本。考虑到架构较新，开发商规模较小，可配置处理器肯定会遇到许多产品和工具错误问题，消耗设计人员的精力并导致支持问题。它也不能声称具备足够的专用支持。

可配置处理器在特性灵活性方面评定为一般。显然，它可以重新配置以改变特性，但一般说来这一步工作要在实际安装之前进行。因此，上市后的特性灵活性会比较低。

2.1.1.3 DSP（数字信号处理器）

DSP 在产品上市时间方面评定为优秀。DSP、RISC 处理器和 MCU 都是可编程处理器，因此能够利用软件可编程性实现不同的功能和特性，这与类似硬代码逻辑实施比较节省了产品上市的时间。在上述三种选择中，就实时信号处理而言，DSP 表现最佳或者优秀，这是由于它与实时应用具备最好、最相关的产品、工具集和价值网相匹配。

DSP 在性能方面评定为优秀。尤其对 DSP 而言，类似 TI 的 TMS320C6000TM 的多 MAC VLIW 架构提供了非常高的 MIPS 和 MMACS 信号处理性能，这就在每个芯片上实现了更高的通道密度，使其相对于 FPGA、ASIC 或 ASSP 拥有竞争优势。

DSP 在价格方面评定为良好。DSP 不像 ASIC 或 MCU 那样成本效率较高，但与MCU 的差距不大。

DSP 在功率方面评定为优秀。DSP 的功率效率很高，特别是考虑到有些 DSP 平台专门为低功率、手持应用而设计，如 TI 的 TMS320C5000TM。

DSP 在开发的简易性方面评定为优秀。就开发辅助而言，DSP 供应商具备第三方网络，从咨询到软硬件平台直到系统等各方面都提供了增值。此外，强大且方便易用的工具配合技术支持网络和了解实时环境工作的应用工程师将随时能够帮助客户完成他们的实时设计。

就开发成本而言，与专用芯片或 ASIC 相比，DSP 的可编程性有助于就期望功能实现更快的开发周期。通过适当采用高级编程和／或使用标准代码模块，我们可大幅度缩短开发时间，并从而节约开发成本。

DSP 在特性灵活性方面评定为优秀。DSP 是可编程的处理器，因此可采用软件的可编程性来实现不同的功能和特性，与类似的硬代码逻辑实施相比节约了时间。对实时信号处理来说，DSP 在可编程处理器 (DSP、RISC、MCU) 中评定为最佳，因为它具备实现实时信号处理相关功能的最好的、最相关的工具集和价值网。

2.1.1.4 FPGA（现场可编程门阵列）

FPGA 在产品上市时间方面评定为良好。FPGA 为实现功能可随时进行现场调整。其灵活性不像软件可编程方案那样高，因此在产品上市时间方面被评定排在 DSP、MCU 和 RISC 之后。但是，与 ASSP、可配置处理器或 ASIC 相比，它拥有更好的支持和更快的周期，因此较上述方案而言具备更快的上市时间。

FPGA 在性能方面评定为优秀。采用 FPGA，开发商可针对应用调节硬件门，从而提供专用高性能。

FPGA 在价格方面评定为差。FPGA 是目前讨论的、价格最昂贵的方案，评定较差。

FPGA 在功率方面评定为差。FPGA 的功率效率名落孙山，这是 FPGA 电路技术内在特点以及阵列中未使用门的功率消耗所致。技术进步将降低 FPGA 的功率消耗，但可能尚不足以改变它在功率效率方面的相对排名。

FPGA 在开发简易性方面评定为优秀。我们假定两种情况：FPGA 编程工具集不太昂贵；且开发商主要处理硬件而工程师负责开发，如果这样的话，那么 FPGA 的开发成本为最低。如果开发倾向于软件工程师，那么 FPGA 的开发将需要更多工作，相对成本也会增加。就开发辅助而言，对基于 FPGA 设计的 FPGA 工具和支持结构似乎已具有相当基础，也为 OEM 厂商所接受。

FPGA 在特性的灵活性方面评定为良好。它可以就额外的特性或更改进行现场再配置。但是，相对于软件可编程解决方案如 DSP 而言，FPGA 的这种硬件再编程要更为困难，可实现的特性集的局限性更大。

2.1.1.5 MCU（微控制器）

MCU 在产品上市时间方面评定为优秀。DSP、RISC 处理器和 MCU 都是可编程处理器，因此可以利用软件的可编程性实现不同的功能和特性，从而较类似的硬编码逻辑实施而言极大加速了产品的上市场进程。在上述三者之中，就实时信号处理而言，MCU 评定为第二，因为其拥有广泛的产品、工具集和价值网络，不过它还不是实时应用的最佳匹配。

MCU 在性能方面评定为一般。与 RISC/GPP 相比，MCU 具备的数学处理资源较低，且通常其操作频率也较低。

MCU 在价格方面评定为优秀。MCU 的芯片尺寸一般较小，因而其价格相对较低；在这方面其仅次于ASIC。

MCU 在功率方面评定为一般。通常来说，MCU 性质一般，这使其较 DSP、ASSP或可配置处理器应当实现的功率效率而言要低。但是，与 RISC 或 FPGA 相比，MCU 一般使用更少的芯片资源，因而使其较这两种解决方案而言具备更高的功效。

MCU 在开发简便性方面评定为良好。相对于必须开发专用芯片或 ASIC 而言，MCU 现有芯片的可编程性有助于实现更快的开发周期，以达到理想的功能。通过适当利用高级编程和/或使用标准代码模块，可以大幅度缩短开发时间，从而节约开发成本。就开发辅助而言，大多数 MCU 供应商也都具备支持网络，不过并不算是优秀，因为该网络大部分没有实时应用经验，只是纯粹针对嵌入式应用。

MCU 在特性灵活性方面评定为优秀。MCU 是一种可编程处理器，因此可以利用软件可编程性实现不同的功能和特性，比类似的硬代码逻辑实施更节约时间。

2.1.1.6 RISC/GPP（精简指令集计算机/通用处理器）

RISC/GPP 在产品上市时间方面评定为良好。DSP、RISC 处理器 和 MCU 都是可编程处理器，因此可以利用软件可编程性实现不同的功能和特性，比类似的硬代码逻辑实施更节约时间。就实时信号处理功能而言，RISC/GPP 评定为良好，在上述三者中排名第三，MCU 则排名第二，而 RISC/GPP 也拥有广泛的产品、工具集和价值网。但是，它不是实时应用的最佳匹配，也不是专门针对嵌入式应用，而是主要专注于台式计算机。

RISC 在性能方面评定为良好。RISC 的典型高频率级别将提供相当不错的信号处理能力，但其通常欠缺数学特定单周期指令和乘法器单元，这就限制了其实时性能。

RISC 在价格方面评定为一般。RISC 处理器的主板上集成了强大的通用功能，这使其适于用作桌面应用，但就实时信号处理的性价比而言只算一般。

RISC 在功率方面评定为一般。通常说来，RISC 性质一般，这使其较之于 DSP、ASSP 或可配置处理器应当实现的功率效率而言要低。

RISC 在开发简便性方面评定为良好。相对于典型开发专用芯片或 ASIC 而言，RISC 现有芯片的可编程性有助于实现更快的开发周期，以期达到理想的功能。通过适当利用高级编程和/或使用标准代码模块，我们可以大幅度缩短开发时间，从而节约开发成本。就开发辅助而言，RISC 设计人员可以获得一般性支持，但却不能获得任何针对应用或实时方面的帮助，这是由于 RISC 供应商通常都缺乏对具体应用和实时内容的知识。

RISC 在功能灵活性方面评定为优秀。RISC 是可编程的处理器，因此可以利用软件可编程性实现不同的功能和特性，较之于类似的硬代码逻辑实施更节约时间。

3 结论

实时信号处理进一步推动了数字革命，使大多数人想都不敢想的更具个性化、功能更强大、互联性更强的设备成为可能。随着时间的推移，不同的技术不断推动着最具创新性的产品，从主机和微机时代到 PC 和今天的因特网时代。此外，消费者也正在推动着实时功能的不断发展，它们要求最终设备具有极快的速度，以及高度的便携性和灵活性。为了满足这些需求，设计人员正面临着前所未有的压力，但在处理上述需求时，也比以往拥有了更多的选择。

经过对每种选项的认真评估，我们显然可以得到适用于嵌入式应用的几个可行选择。但是，就实施今天的实时信号处理应用而言，DSP 是最佳选择。其他数字技术都不具备 DSP 的功能实力，也不能更好地满足今天开发商所提出的严格要求。当然，其他数字技术选择也可以较好地解决上述任何有关问题，但却要做出某些折衷和牺牲。

DSP 为设计人员提供了集功率、性能、价格与灵活性为一体的最佳组合，并能够帮助他们向市场快速交付其实时应用。

A.1 上市时间（总体重要性：高）

产品上市时间正迅速成为产品开发周期中最为重要的标准。随着产品生命周期在因特网和消费者设备时代中由几年缩短到几个月，它就变得更为重要了。事实上，Cahners 在 2002 年的"工程师之见"调查中就指出："产品投放市场的时间仍在推动业界不断向前发展。"因此，产品的面市时间在大多数情况下位于各项标准的首要位置。

A.2 性能（总体重要性：高）

性能非常重要，因为它常常是产品功能的决定因素。提高性能能够实现新的功能，每单位成本或面积上实现更多通道，带来更高的数据速率，并实现密度更大的高质量压缩，这常能使产品独树一帜。

可通过多种方法对性能进行衡量，但一般我们关心的是每秒百万次指令（MIPS）、每秒百万级乘法累加功能（MMACS），或有时我们也关注更简单的每秒百万次周期时钟速率（MHz）。在尝试评估不同方案的有关性能时，相关基准就成为有用的度量衡。只有在其他诸如低功耗或低成本的优先级等关键要求提高时，性能的优先级才会降低。

A.3 价格（总体重要性：高）

价格常常是最明显的优先标准，但其在大多数情况下稍稍排在产品上市时间和性能之后。价格会影响产品的材料清单（BOM）和重复生产成本。因此，产量越高，产品对于消费者和零售商的导向性就越强，更低价格的优先级可能就会越高。与此相比之下，最终产品对基础设施和公司/商业的成分越多，价格的敏感性越低，因为拥有成本和效率往往会占据更多的关注。

A.4 开发的简易性（总体重要性：高）

开发简便性是开发支持、开发工具和开发成本的结合，显然也是重要性不断加强的一种标准。开发简便性具有多种因素，如对其进行更细致的分析，我们可将其分解为不同的组成部分，如技术支持、技术培训、第三方价值网、软件工具、文档、工程设计时间以及开销和 NRE 开发花销。

显然，设计人员从厂商或厂商合作伙伴处得到的技术支持越多，也就越有利于设计人员致力于其本身的创新工作，从而获得更快的产品上市时间。咨询、PC 主板、EVM、软件工具、组件软件和算法都是应当提供的。设计人员可以选择购买还是制造，选择采购咨询专业知识还是自身拥有或完全自己进行工作，这就可以节约大量开发工作和金钱。可见，由于宝贵的时间和金钱能够用于加强产品而非用于基础性工作，因此开发简便性有助于实现更高的最终产品质量。

开发成本是所有开发、测试并将产品投入生产的非重复设计研发成本的综合成本。这些成本影响着与新产品规划相关的投资收益财政决策。如果开发成本升得太高，那么获得投资回报就相当困难，或风险会相当大。

开发工具也是设计的关键所在。诸如 DSP 入门套件、集成开发环境和编译器等强大可靠的开发工具使设计人员能够更好地了解其设计，并帮助他们缩短产品投放市场的时间。此外，随着开发人员正在寻求降低成本的方法，用于目标硬件的工具的重要性也在与日俱增。芯片厂商能够提供免版税操作系统，第三方合作伙伴能够提供现成的代码，某些框架可以帮助设计人员迅速开展设计，这都有助于实现总体开发成本的显著降低。

A.5 功率（总体重要性：中等）

低功耗正在两个主要领域中变得日益重要。在诸如数字移动电话和因特网音频播放器等便携性产品中，低功耗就意味着更长的电池寿命--这是最终用户特别关心的一个问题。在基础设施应用中，低功耗意味着散热的降低。散热"封装"常常成为通道密度或在非空气流通环境"盒子"中添加特性的限制因素。因此，更少热量意味着在相同的物理盒子中能够实现更多的通道或更多特性。

A.6 特性灵活性（总体重要性：低）

特性灵活性是指修改或添加特性以满足不断改变的要求的能力。在当今市场中，更改要求出现得越来越频繁。例如，如果制造商希望成为市场主导力量的话，那么在标准成型固定前较早涉足基于标准的产品（如通讯或压缩标准）领域是至关重要的。但是，设计人员必须构建"具有未来适应性的"产品，能够根据所有调整完成后的最终标准进行升级。这样，您必须具备产品投入市场后还能够方便迅速升级产品所需的特性灵活性。

特性灵活性的另一个例子与因特网音频播放器有关，它回答了以下这个问题：我在任何给定时间支持何种音频编解码器？答案永远都是：下载音乐编码所用的编解码器。考虑到特性灵活性要求，而且不需要多种功能并存，设计人员可以根据需要就选定的功能重新部署同样的资源，而不必就每项潜在功能分配专门的资源。灵活性还帮助设计人员根据市场要求就消费类电子产品、通信和计算机功能方面统一做好准备，这也为设计人员提供了重要的领先优势。

A.7 未来产品的其他比较因素

还有另外两种标准对我们这里的讨论具有突出意义，不过却不在本文讨论的范围之内，这就是外设和量产。外设在当今设计行业中是至关重要的因素，与任何应用都有关。随着更多产品和标准的发展，外设的类型和功能也将出现几何级增长。因此，外设可用性或外设可用性的欠缺会成为关键问题。

我们常常忽视了量产。我们可以假定它没有问题，不过它常常并不像我们想象的那样简单。因此，我们应较早对它给予更多注意，而不是供给欠缺造成问题后再解决问题，随着产品生命周期的缩短，量产的更快进程以及市场窗口快速出现和消失，这一正变得日益重要。