DSP芯片如何永久改变您的音乐聆听方式？DSP与CPU有何区别？

2026-07-04 05:19:06

　　数字信号处理器（DSP）比模拟电路更好地完成某些模拟工作，从而谋生。在某些情况下，由于成本或复杂性原因甚至无法考虑使用模拟电路，DSP仍然是一个可行的选择，并且在许多情况下可以毫不费力地执行这些任务。这是因为DSP在算术运算（例如加法和乘法）方面非常出色且非常快。聪明的数学家和工程师利用主要是这两个数学运算符的算法来创建复杂的信号处理任务，从而利用了这一事实。如今的DSP芯片不仅仅是一个漂亮的处理引擎。这些芯片上还集成了内存子系统，高速接口，I / O等。这些要素包括提高整体性能，降低功耗以及针对特定处理任务的想法。

　　数字信号处理器（DSP）接收已被数字化的真实信号，如语音，音频，视频，温度，压力或位置，然后对其进行数学处理。DSP设计用于非常快速地执行数学功能，例如“加”，“减”，“乘”和“除”。

　　需要处理信号，以便可以显示，分析或将其包含的信息转换为可能有用的另一种信号。在现实世界中，模拟产品会检测声音，光，温度或压力等信号并对其进行处理。然后，诸如模数转换器之类的转换器获取线的数字格式。从这里开始，DSP通过捕获数字化信息并对其进行处理来接管。然后，它将数字化信息反馈回去以供在现实世界中使用。它通过数模转换器以两种方式之一（数字或模拟格式）完成此任务。所有这些都以很高的速度发生。

　　为了说明这个概念，下图显示了如何在MP3音频播放器中使用DSP。在记录阶段，模拟音频通过接收器或其他源输入。然后，该模拟信号通过模数转换器转换为数字信号，并传递至DSP。DSP执行MP3编码并将文件保存到内存中。在播放阶段，文件从存储器中取出，由DSP解码，然后通过数模转换器转换回模拟信号，以便可以通过扬声器系统输出。在更复杂的示例中，DSP将执行其他功能，例如音量控制，均衡和用户界面。

　　计算机可以使用DSP的信息来控制安全性，电话，家庭影院系统和视频压缩等功能。可以压缩信号，以便可以将信号从一个地方快速有效地传输到另一个地方（例如，电话会议可以通过电话线传输语音和视频）。信号也可以得到增强或操纵，以改善其质量或提供人类无法感知的信息（例如，手机的回声消除或计算机增强的医学图像）。尽管现实世界中的信号可以模拟形式进行处理，但是数字化处理信号具有高速和高精度的优势。

　　由于DSP是可编程的，因此可用于多种应用。您可以创建自己的软件，也可以使用ADI及其第三方提供的软件来设计应用的DSP解决方案。

　　DSP代表数字信号处理器，听起来很不言而喻。该技术可用于耳机，智能手机，智能扬声器，录音室音频设备，车辆娱乐系统等。它实际上是现代音频产品的基石。

　　您可能熟悉计算机CPU中的处理器的概念，该处理器被设计为多功能处理器。DSP是专用于处理音频等数字信号的处理器。它们被设计为以最小的能耗高速执行数学功能，例如加法和减法。

　　DSP芯片以各种尺寸，价格和性能点出现。可扩展至汽车和专业录音棚设备中的多通道处理器，再缩小至用于智能扬声器语音识别的微型低功耗芯片。它们用于加速音频相关算法的执行，同时消耗的功率比典型CPU少。

　　例如，智能手机内部有一个DSP可以解码MP3文件，增强音乐的低音，运行数学运算以消除噪声，并在您说“ 嘿，Google！”。无线耳机中还包含DSP单元，可将蓝牙编解码器转换回模拟信号，而家庭影院扬声器则可将数据流解码为环绕声体验。如果要处理音频，几乎可以肯定里面有一个DSP。

　　为了更好地了解可用的各种DSP芯片选件以及器件的不同部分如何整体组合在一起，研究当今市场上的几个代表性DSP很有帮助。我们将看一下单核，单核加微控制器和多核DSP芯片的示例。

　　是很自然的认为，DSP芯片有一个DSP内核。以德州仪器（TI）的TMS320C6452（图1）为例。该芯片是TMS320C64x +系列高性能定点DSP的成员，主要面向过程密集型多通道电信基础设施和医学成像系统。不过，DSP内核只是芯片设计的一部分。芯片的其余部分包括内存，I / O和其他功能块。

　　C6452 DSP集成了组织为两级存储系统的片上存储器。级别1（L1）程序和数据存储器均为32 KB。可以将该内存配置为映射的RAM，高速缓存或两者的某种组合。

　　当配置为高速缓存时，L1程序（L1P）是直接映射的高速缓存，而L1数据（L1D）是双向设置的关联高速缓存。程序空间和数据空间之间共享2级（L2）存储器。L2内存也可以配置为映射的RAM，高速缓存或两者的某种组合。设计人员可以使用片上存储器为他们的项目添加差异化功能。

　　C6452还包括两个串行千兆媒体独立接口（SGMII）以太网媒体访问控制（MAC）端口和一个千兆交换机。该交换机通过自动监视数据流以确保只有适当的TI在交换机上添加了决策门（例如，可用于区分语音和数据流量），从而提高了多芯片设计的效率。如果DSP完全专用于语音处理，则它可以阻止数据流量进入，从而更有效地利用其处理带宽。此外，该设备还带有两个电信串行接口端口（TSIP），可无缝连接到常见的电信串行数据流。

　　C6452上的其他I / O包括一个66 MHz的PCI接口或通用主机端口接口（UHPI）。与外部存储器的双倍数据速率（DDR2）接口；VLYNQ，由TI开发的专有串行通信接口；16位外部存储器接口（EMIFA）；多通道通用音频串行端口（McASP）；和其他熟悉的界面。从该DSP的I / O来看，毫无疑问，它的家将在电信应用中。对于其他应用程序，将按顺序排列一组不同的I / O。

　　C6452和德州仪器（TI）的其他几个DSP的核心是C64x大型模块，该模块由几个组件组成-C64x +处理器，L1程序和数据存储控制器，L2存储控制器，内部DMA（IDMA），中断控制器，电源-down控制器和外部存储器控制器（图2）。mega模块还支持L1P，L1D和L2存储器的存储器保护。它还为大型模块本地资源提供带宽管理。

　　模块上的C64x +处理器是非常快的DSP，可以以高达1.2 GHz的速度运行。它使用八个功能单元，两个寄存器文件和两个数据路径。这八个功能单元中的两个是乘法器或M单元。每个时钟周期，每个M单元执行四个16 x 16位乘法累加（MAC）。

　　因此，每个周期可以在C64x +内核上执行八个16 x 16位MAC。以1.2 GHz时钟速率，每秒可以发生9600个16位MMAC。此外，C64x +内核上的每个乘法器可以在每个时钟周期计算一个32 x 32位MAC或四个8 x 8位MAC。顺便说一下，C6452不能以最快的速度运行，最高可达900 MHz。

　　C64x +处理器的一项新功能使用了可爱的名称SPLOOP。这个小的指令缓冲区有助于创建软件流水线循环，其中并行执行循环的多次迭代。SPLOOP缓冲区减小了与软件流水线关联的代码大小。

　　控制器芯片另一类DSP采用了额外的片上微控制器内核。有时这是一个独立的核心，例如ARM处理器。在其他情况下，处理器内核同时包含DSP和MCU功能。ADI公司著名的Blackfin DSP架构就是这种情况。

　　Blackfin基于具有混合16/32位指令集架构的10级RISC MCU / DSP流水线位MAC DSP指令和一个32位类似RISC的指令集。这种组合提供了信号处理功能以及与通用微控制器相关的易用性。Blackfin处理器体系结构完全兼容SIMD（单指令，多数据），并包括用于加速视频和图像处理的指令。

　　处理属性的这种组合使Blackfin处理器与同级产品有所区别。它们被设计为在信号处理和控制处理应用程序中均表现出色，在许多情况下，消除了设计中对单独的异构处理器的需求。Blackfin处理器在单核产品中提供高达756 MHz的频率。

　　除了对8位数据（许多像素处理算法通用的字长）的本机支持之外，Blackfin架构还包括专门定义的指令，以增强视频处理应用程序的性能。例如，“ SUM ABSOLUTE DIFFERENCE”指令支持在视频压缩算法（例如MPEG2，MPEG4和JPEG）中使用的运动估计算法。

　　该体系结构处理多长度指令编码。经常使用的控制类型指令被编码为紧凑的16位字，而数学运算量更大的信号处理指令则被编码为32位值。处理器将16位控制指令与32位信号处理指令混合并链接到64位组中，以最大程度地提高存储容量。在缓存和获取指令时，内核会自动打包总线的长度，因为它没有对齐约束。

　　所有Blackfin处理器（例如ADSP-BF523）都包含独立的DMA控制器，它们以最少的处理器核心开销（图3）支持自动数据传输。DMA传输可以在内部存储器与许多具有DMA功能的外设之间进行。外设与连接到外部存储器接口的外部设备（包括SDRAM控制器和异步存储器控制器）之间也可能发生传输。

　　存储器架构同时包含L1和L2存储块。L1存储器直接连接到处理器内核，以全系统时钟速度运行，并为时间紧迫的算法段提供最佳的系统性能。同样，L1存储器可以配置为SRAM，高速缓存或两者的组合。

　　通过同时支持SRAM和缓存编程模型，系统设计人员可以将要求高带宽和低延迟的关键实时信号处理数据集分配到SRAM中，同时在其中存储“软”实时控制和操作系统（OS）任务。缓存。L2存储器是较大的大容量存储器存储块，其性能略有降低，但仍比片外存储器快。

　　每个Blackfin处理器均采用基于门控时钟内核设计的多种节能技术，该技术在逐条指令的基础上选择性地关闭功能单元的电源。这些处理器还支持很少或不需要CPU活动的多种省电模式。

　　在这种独立的动态电源管理方案中，可以独立地控制工作频率和电压，以满足当前正在执行的算法的性能要求。大多数Blackfin处理器都提供片上核心电压调节电路以及低至0.8 V的工作电压，特别适合需要延长电池寿命的便携式应用。

　　Blackfin处理器配有各种微控制器样式的外设，包括10/100以太网MAC，UART，SPI，CAN控制器，支持脉宽调制（PWM）的计时器，看门狗计时器，实时时钟以及无缝同步和异步计时器内存控制器。

　　多核DSP飞思卡尔的MSC8144 DSP是多核DSP的一个很好的例子，它基于该公司的StarCore技术，特别是第三代SC3400 DSP内核。

　　该芯片包含四个DSP子系统。每个子系统中都有一个SC3400 DSP内核，16 KB L1指令高速缓存，32 KB L1数据高速缓存，存储器管理单元（MMU），扩展可编程中断控制器（EPIC）和两个通用32位计时器。子系统具有调试和性能分析支持以及低功耗的“等待”和“停止”处理模式。每个DSP内核的运行频率均高达1 GHz，因此该芯片可提供与4 GHz单核DSP相当的性能。

　　MSC8144还包含该公司的QUICC Engine技术子系统，该子系统包括双RISC处理器，48 KB多主RAM和48 KB指令RAM。该子系统支持三个具有一个异步传输模式（ATM）和两个千兆以太网接口的通信控制器。它还可以减轻DSP内核的调度任务的负担。

　　像前面提到的DSP芯片一样，该芯片围绕着带有存储器，接口和I / O的DSP和QUICC子系统。至于内存，该芯片包含128 KB的L2共享指令高速缓存，用于关键数据和临时数据缓冲的512 KB的M2内存，96 KB的启动ROM以及高达10 MB的128位宽的M3内存。

　　DDR和DMA控制器也位于芯片上。DDR控制器具有高达200MHz的时钟（400MHz的数据速率）和16/32位的数据总线。它在一两个存储区中最多支持1 GB的DDR1和DDR2。DMA控制器具有16个双向通道，具有多达1024个缓冲区描述符以及可编程的优先级，缓冲区和多路复用配置。

　　芯片级仲裁和交换系统（CLASS）在处理元件（和其他启动器）与目标（例如M2存储器，DDR SRAM控制器以及设备配置控制和状态寄存器）之间提供完整的结构非阻塞仲裁。

　　MSC8144支持下一代和传统接口，例如双千兆以太网，串行RapidIO互连，UTOPIA，PCI和时分多路复用（TDM）。

　　串行RapidIO 1x / 4x端点对应于RapidIO行业协会的规范1.2。它在入站模式下支持读取，写入，消息，门铃和维护访问，在出站模式下支持消息和门铃。PCI接口符合33或66 MHz的PCI规范修订版2.2，可以访问所有PCI地址空间。

　　多达八个片上独立TDM模块提供了一些功能，例如可编程字长（2位，4位，8位或16位），基于硬件的A律/μ律转换，高达128Mbit /所有通道的数据速率，具有与E1或T1成帧器的无缝接口，以及与H-MVIP / H.110设备，TSI和编解码器（如AC97）的连接能力。

　　凭借其多核体系结构以及下一代和传统接口，MSC8144DSP非常适合大容量基础架构应用。这些服务包括三重播放（语音，视频和数据）服务，运营商级/企业网际协议语音（VoIP）媒体网关设备，视频会议设备以及WCDMA和WiMAX基站。

　　尽管已经存在了数十年，但音频行业开始将DSP用作音频产品的下一个重要功能。Apple AirPods Pro，Sony的360 Reality Audio甚至Amazon Echo扬声器都已开始在其硬件中添加DSP，那么到底是什么呢？最重要的是，消费者音频体验将发生什么变化？

　　DSP之所以重要，是因为它们是现代音频设备（从耳机到DAC，汽车扬声器和专业设备）的重要组成部分。高质量的DSP将为您提供处理能力，以实现从设备上EQ到语音识别，主动降噪和环绕声功能的高质量效果。高级DSP还需要很少的功率，从而延长了设备的电池寿命，从而延长了聆听时间。

　　但是，在很多规格表中都找不到DSP功能。通过耳机，DSP与蓝牙芯片的功能捆绑在一起，而其他设备通常与DSP一起在单个芯片上提供ADC，DAC和扬声器驱动功能。DSP功能不是寻找处理规格，而是体现在其他产品功能中，例如上面提到的那些功能。

　　例如，Apple AirPods Pro使用一种DSP形式来测量您的耳道，然后调整耳塞的性能以优化音频质量。此外，索尼的360 Reality Audio需要映射您的耳朵并调整其信号以实现魔力。

　　甚至像我们工作人员这样的铁杆发烧友书呆子，都使用售后DSP盒来完成诸如书架扬声器，耳机的正确性能，甚至校准Sennheiser Ambeo Soundbar等产品中包含的虚拟环绕声系统。通过将DSP单元与适当的麦克风配合使用，您可以在任何环境下测量音频设备的输出，并校正输出以使声音自动达到想要的状态。

　　本质上，通过使用现代DSP，您不再需要希望音频设备听起来不错，而是可以通过让电子设备弥补运行中的缺点而在任何时候强制其运行。这与过去有很大的不同，因为DSP盒的使用曾经只是爱好者或痴迷者的领域。

　　这是技术位，所以扣好。为了快速介绍基础知识，任何处理器都基于一些核心原理。即：将代码转换为告诉处理器的操作的解码器，用于存储操作和数据的寄存器和内存，以及用于处理数学和移动数据的执行单元。这就是所谓的处理器体系结构。

　　通过使用现代的DSP，您不再希望您的音频设备听起来不错，您可以通过让电子设备弥补缺陷来随时将其强制

　　要了解的关键一点是，您可以构建一个执行单元来运行一个或多个广泛的数学运算。与要构建这些单元要做什么有关的所需用例和功耗预算是一个问题。就尺寸和功耗而言，简单地包装所有可能的选择将是非常浪费的。通用CPU包括用于基本操作（例如加，减，乘和除）的执行单元，但不会加速硬件中罕见的，更复杂的操作。

　　简而言之，DSP已针对数字信号处理工作负载中最常见的任务进行了优化。该列表包括浮点数学，模运算，饱和算术，乘累加（MAC）和融合乘加（FMA）运算。滤波器，傅立叶变换，编解码器编码和其他DSP算法通常需要这些功能。数字信号处理器通常被构建为可以并行运行许多这些操作（超标量体系结构），从而以比典型CPU更低的时钟速度更快地进行处理。

　　在智能手机内部，您会发现并排放置的CPU，DSP和GPU组件分别用于特定任务。DSP处理音频，例如解压缩音乐或激活语音助手。

　　DSP还使用高度优化的存储系统。由于音频采样与时间有关，因此它们使用循环或先进先出（FIFO）缓冲区输入和输出DSP。DSP存储器体系结构针对此高度排序的数据流进行了优化，而CPU使用的是可重映射的存储器块，而寄存器的特定位置通常并不那么重要，而CPU使用可重映射的存储器块。从这个意义上讲，DSP体系结构是有序的流水线，而CPU经常会无序运行。因此，DSP还严重依赖直接内存访问（DMA），它以规则的时间间隔将数据移入或移出缓冲区，而不消耗处理时间。您也不会经常在通用CPU中使用此功能。

　　总体而言，与通用CPU相比，DSP在两个关键领域进行了优化。它们加快了硬件中常见的DSP数学运算的速度，并拥有专为实时数据流设计的特定存储器架构。最终结果是更快，更有效地处理音频和其他一些数据类型。

　　到2020年，更多的知名公司开始接受正确使用DSP的变革力量。从准确地制作3D音频到自动优化音乐，再到实现下一代蓝牙音频编解码器，DSP领域不断发展的发展将改变我们以非常鲜明的方式聆听的方式。

　　虽然这可能是一个缓慢的过程，但对于大多数人来说，要花几年时间才能看到这些改进，但是再没有比现在更激动人心的时间来查看个人音频的发展了。

　　当今的专业音频市场使用一些数字信号处理（DSP）制造商制造的芯片。最常用的芯片是按字母顺序排列的，分别是ADI，英特尔，摩托罗拉，德州仪器和雅马哈。在过去的三十年中，DSP芯片已经从低容量芯片发展成为当今的处理器和混频器中使用的高级32位和更高比特率的系统，制造商不断提高性能。此性能通常由三个属性表示：DSP功率，音频质量和声音质量。

　　DSP功率以“每秒浮点操作数”或FLOPS度量。在第一批芯片进入市场后不久，FLOPS的测量单位为百万-因此添加了前缀“ mega”来测量MFLOPS中的DSP功率。DSP芯片技术随着所谓的摩尔定律（密尔集成电路中的晶体管数量大约每两年翻一番）而发展，因此，就像英特尔和AMD计算机芯片一样，兆丰很快就被吉加（Giga）取代了。 GFLOPS表示每秒十亿个浮点运算。在音频DSP领域，有两种类型的DSP芯片可用：专用DSP和现场可编程门阵列（FPGA）。两者都做同样的事情。区别在于编程方法。在大多数情况下，同时使用专用的DSP芯片和FPGA芯片-各自执行最有效的任务。如今，商业上可用的DSP和FPGA芯片的处理能力非常强大-足以为带有多个DSP“插入”算法的小型混频器提供服务。对于较大的系统，可以组合多个芯片。网络技术的最新发展（例如Dante，AES67）支持将来自不同制造商的DSP系统组合在一起，以扩展到几乎无限的DSP功率。

　　音频质量定义为“流过DSP芯片的音频信号表示的准确性”。在数字系统中，音频质量由比特率（以位为单位）和采样率（以千赫兹或KHz为单位）确定。它始于1980年代初的8位和44.1kHz，不久又发展到16位（“ CD质量”），然后为当今的主流专业系统采用32位数据架构。这不是因为不可能更高-实际上大多数DSP芯片使用更高的内部比特率来以32位质量执行更复杂的算法，而是因为32位覆盖了人类听觉的动态范围，并为直播提供了足够的额外空间混合。数据架构中的更多位将超出人类听觉的范围。然后是采样率 由于光盘（CD）格式的局限性，索尼和飞利浦在1980年代为唱片市场设定了44.1kHz的频率，而在广播市场中与视频系统的兼容性则将其设定为48kHz。专业音频市场采用48kHz广播标准，只是因为它比录音标准稍好一点，并且为现场声音增强提供了足够的带宽和定时精度。对于高端录音，通常使用96kHz来支持通过高质量（工作室监听）扬声器的收听，但会再次下采样至48kHz或44.1kHz，以实现CD，DVD和MPEG等大众市场声音的再现。专业音频市场采用48kHz广播标准，只是因为它比录音标准稍好一点，并且为现场声音增强提供了足够的带宽和定时精度。对于高端录音，通常使用96kHz来支持通过高质量（工作室监听）扬声器的收听，但会再次下采样至48kHz或44.1kHz，以实现CD，DVD和MPEG等大众市场声音的再现。专业音频市场采用48kHz广播标准，只是因为它比录音标准稍好一点，并且为现场声音增强提供了足够的带宽和定时精度。对于高端录音，通常使用96kHz来支持通过高质量（工作室监听）扬声器的收听，但会再次下采样至48kHz或44.1kHz，以实现CD，DVD和MPEG等大众市场声音的再现。

　　使用DSP可以将声音质量定义为“增加聆听体验的愉悦性或适当性”。考虑一个非常强大的DSP系统，它关闭了所有DSP功能，因此音频信号流经DSP系统而不会受到影响。在这种情况下，由于输出端的信号与输入端的信号相同，因此没有“音质”。仅当打开DSP算法（例如均衡器）时，声音质量才会改变。结论是声音质量完全取决于算法，而不取决于DSP硬件。请注意，在由音响工程师操作DSP系统的专业音频应用中，用户界面对音响工程师的决策有很大影响-因此，不仅算法本身，而且其用户界面都决定声音质量。总结一下：今天，我们可以使用功能非常强大的DSP芯片或通过组合DSP系统提供的“随便吃” DSP功能。DSP芯片之间的音频质量没有差异。DSP系统之间声音质量的差异不是由DSP芯片引起的，而是由DSP算法及其用户界面引起的。因此，本微型教程标题中的问题是一个技巧：在给定算法和用户界面的情况下，所有DSP芯片“听起来”均相等。