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DSP—数字化音频领域的未来

随着数字信号处理技术的日益推进， IT 领域的科技成果越来越普遍

的应用于视音频领域并大大的推动了视音频科技的进步，其中 DSP

（Digital Signal Processor 即数字信号处理器）在音频领域内的应

用就是一个很好的例子。

传统的模拟视音频产品如今逐渐退出，采用数字化技术极其相应产品

已呈不可抵挡的趋势。数字化的视音频产品必将涉及将类比信号转换

成数字信号后加以传输的问题。而在这种转换的过程中需要做大量的

数学运算，因此必须选择运算快速的微处理器才能完成实时

(real-time)的数位信号处理。而市面上的微处理有成百上千种，各有

其特色及对应的应用场合，DSP 以其特有的优势更加适合于完成上述

任务。以下就从微处理器的硬件基本架构，来说明 DSP 与传统微处理

器间的差异及其本身的优势。

DSP 的优势

要了解 DSP 的优势，就必须明白 DSP 与传统微处理器在硬件基本架构

上的不同。

Von Neumann 与 Harvard 基本架构

所有的微处理器都是由几个基本的模块所组成：运算器以完成数学运

算、存储器和解码器以完成类比信号与数位信号间的转换。在程序中，

在每一周期必须告知微处理器要做些什么。因此微处理器必须从储存

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程序的存储体取得控制指令与一些数据而加以运算。但是对于所有的

微处理器并不是使用相同的方法，一般来说可分成 Von Neumann 与

Harvard 二种基本架构，同时又有取其二者优点而衍生出多种的混合

改良架构，在增加存储器与周边装置后，就成为能作为数字信号处理

应用的微处理控制器。

Von Neumann 结构成为电脑发展上的标准已超过 40 年，基本结构是非

常简洁，程序与数据二者能够存储在同一存储映射空间

（memory-mapped space） ，这种结构的形成是基于大多数一般用途的

程序要求，如 x86 系列。而其缺点是仅有一条总线来共享数据和程序

地址，因此同一时间仅有一数据存储单元或是程序存储单元能被进行

存取操作。

能在读取执行程序的同时访问数据存储空间是有效加快数据处理的重

要方法，Harvard 结构具有分离程序和数据的存储空间，两根总线分

别处理不同的地址单元，以确保数据和程序能同时并行的存取，以增

加处理速度。这种分离的总线架构可将程序执行分成寻址、解码、读

取、执行四个工作阶段，每一指令必须 4 个指令周期才能完成，并且

同一时间可以有 4 个指令进入微处理器内处理，当在第 4 个指令周期

后，每一指令周期就有一个指令执行，此时程式是以最高的效率的执

行。但需要指出的是，当执行选择指令如跳跃或比较指令时，由于必

须等到指令执行产生的结果后，才知道要跳跃的位置与下一个指令，

在此之前所输入的指令会变的无效，而必须重新输入新的指令，因此

会产生所谓的选择延时或选择等待等现象，使得程式执行效率大幅降

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低至与 Von Neumann 结构差不多，所以一般当程序需要大量的比较或

跳跃语句的场合，如人机交互的介面（这是绝大多数 PC 机用户的主要

操作方式）等，Harvard 架构并不会比 Von Neumann 结构有更好的性

能。

毫无疑问，程序执行速度的增加的同时硬件的成本也相应的增加，分

离的数据存储空间和程序存储空间就需要两个不同的数据寻址和与程

序寻址的硬件接口。因此能发现在价格与性能间取得折衷的方法，才

算是一个较佳的解决方案， 于是产生了 Modified Harvard 架构，这

种架构仅有一个外部总线（以减少接口数） 同时有程序与数据两个内 ，

部总线，可以减少成本并维持顾客对运算速度的要求。

由此可见，在个人电脑这样需要大量的选择跳跃语句进行人机交互的

处理器还是选择 Von Neumann 架构（即传统的 CPU 如 x86、Pentium

等）更加的合理，而在数字视音频领域进行数字信号的传输处理，并

不需要大量的选择语句时， Harvard 架构及 Modified Harvard 架构

就显得更加的适合。

DSP 的 Modified Harvard 架构

DSP 是属于 Modified Harvard 架构，即它具有两条内部总线，一个是

数据总线，一个是程序总线；而传统的微处理器内部只有一条总线供

数据传输与程序执行使用； 从上面我们已经看到 Modified Harvard

架构在大量数学运算方面有着强大的优势，在 DSP 内部具有硬件乘法

器，大量的寄存器，目前最快的可在一个指令周期内完成 32bit 乘

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