原创 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：

表1 设计人员实时应用决策表格

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。