自十多年前浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器 (dsp) 推出以來，就為實(shí)時(shí)信號(hào)處理提供了算術(shù)上更為先進(jìn)的備選方案。然而，定點(diǎn)器件至今仍是業(yè)界的支柱，當(dāng)然成本低是主要原因。定點(diǎn) dsp 每器件產(chǎn)品的價(jià)格更低，這對(duì)大規(guī)模大眾市場應(yīng)用而言是相當(dāng)重要的優(yōu)勢(shì)。

    相比較而言，浮點(diǎn) dsp 能夠?qū)崿F(xiàn)更快速而簡便的開發(fā)，因此對(duì)開發(fā)成本比單位制造成本重要的小規(guī)模應(yīng)用而言，更是最佳的選擇。

    最近幾年，高密度集成與支持改善使兩種 dsp 在使用方便性與成本上都較為接近。目前，器件類型的選擇越來越取決于應(yīng)用數(shù)據(jù)集是否要求浮點(diǎn)格式的更多計(jì)算功能。因此，設(shè)計(jì)大規(guī)模量產(chǎn)信號(hào)處理應(yīng)用的開發(fā)人員現(xiàn)在開始發(fā)現(xiàn)浮點(diǎn)格式更多的內(nèi)在價(jià)值。他們將視線投向傳統(tǒng)定點(diǎn) dsp 開發(fā)模式之外的領(lǐng)域，并探索浮點(diǎn) dsp 所帶來的設(shè)計(jì)機(jī)遇。

    不同的數(shù)字格式

    定點(diǎn)與浮點(diǎn) dsp 的基本差異在于它們各自對(duì)數(shù)據(jù)的數(shù)字表示法不同。定點(diǎn)硬件嚴(yán)格執(zhí)行整數(shù)運(yùn)算，而浮點(diǎn) dsp 既支持整數(shù)運(yùn)算又支持實(shí)數(shù)運(yùn)算，后者以科學(xué)計(jì)數(shù)法進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。字長為 16 位的定點(diǎn) dsp 實(shí)現(xiàn) (rovide) 64k 的精度，帶符號(hào)整數(shù)值范圍為 -215 至 215-1。

    與此相對(duì)比，浮點(diǎn) dsp 將數(shù)據(jù)路徑分為兩部分：一是可用作整數(shù)值或?qū)崝?shù)基數(shù)的尾數(shù)，二是指數(shù)。在支持業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)單一精確運(yùn)算的 32 位浮點(diǎn) dsp 中，尾數(shù)為 24 位，指數(shù)為 8 位。由于其較長的字長與取冪范圍，該器件支持 16m 的精度范圍，這樣的動(dòng)態(tài)范圍大大高于定點(diǎn)格式可提供的精確度。實(shí)施業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)雙精度（64 位，包括一個(gè) 53 位的尾數(shù)與 11 位的指數(shù)）的器件還可實(shí)現(xiàn)更高的精確度。

    成本與方便易用性

    浮點(diǎn) dsp 提供的計(jì)算能力更高，這也是其區(qū)別于定點(diǎn) dsp 功能的最大差異所在。但在浮點(diǎn) dsp 剛剛出現(xiàn)的 20 世紀(jì) 90 年代初期，其它因素往往掩蓋了基本的數(shù)學(xué)計(jì)算問題。浮點(diǎn)功能需要的內(nèi)部電路多，而 32 位數(shù)據(jù)路徑比當(dāng)時(shí)可用的定點(diǎn)器件要寬一倍。晶片面積越大，引腳數(shù)量就越多，封裝也越大，這就大大提高了新款浮點(diǎn)器件的成本，因此數(shù)字化語音與電信集成卡 (concentration card) 等高產(chǎn)量應(yīng)用仍更傾向于采用較低成本的定點(diǎn)器件。

    當(dāng)時(shí)，方便易用性抵消了成本問題帶來的不利影響。浮點(diǎn)器件是最早支持 c 語言的 dsp 之一，而定點(diǎn) dsp 則仍須在匯編代碼級(jí)上進(jìn)行編程。此外，對(duì)浮點(diǎn)格式而言，實(shí)數(shù)運(yùn)算可直接通過代碼加入硬件運(yùn)算中，而定點(diǎn)器件則必須通過軟件才能間接執(zhí)行實(shí)數(shù)運(yùn)算，這就增加了算法指令并延長了開發(fā)時(shí)間。由于浮點(diǎn) dsp 易于編程，因此其最初主要用于開發(fā)工作強(qiáng)度較大的情況，如研究、原型開發(fā)、影像識(shí)別、工作站的三維圖像加速器以及雷達(dá)等軍用系統(tǒng)。

    逐漸趨同

    目前，早先在成本與易用性間的差異已經(jīng)不那么明顯了�？傮w說來，定點(diǎn) dsp 仍然在成本上有優(yōu)勢(shì)，而浮點(diǎn) dsp 仍然在易用性上有優(yōu)勢(shì)，但差別已經(jīng)縮小很多，因此上述因素已經(jīng)不再起決定作用了。

    成本日益成為片上系統(tǒng) (soc) 集成與產(chǎn)量的問題，而不是 dsp 內(nèi)核本身大小的問題。在十年前還只能放置單個(gè)晶體管的空間，目前可放置數(shù)十個(gè)晶體管。目前，占據(jù)晶片面積最多的是存儲(chǔ)器，而不是邏輯，而且許多基于 dsp 的產(chǎn)品都充分利用再擴(kuò)展 (rescaling) 的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)具體市場的需求集成了不只一個(gè)內(nèi)核。定點(diǎn) dsp 的成本仍然較低，因?yàn)槠溽槍?duì)大眾市場應(yīng)用的產(chǎn)量很高；但是，如果大規(guī)模量產(chǎn)的需求出現(xiàn)，那么浮點(diǎn)器件也將受益于規(guī)模效益帶來的同樣的成本降低。

    早期在易用性方面的差異也已經(jīng)減小。高效的 c 編譯程序與工具早已能支持定點(diǎn) dsp，為代碼執(zhí)行帶來了可視性。直接采用浮點(diǎn)硬件實(shí)施實(shí)數(shù)運(yùn)算仍有優(yōu)勢(shì)；但目前先進(jìn)的建模工具、完整的數(shù)學(xué)函數(shù)庫以及現(xiàn)成的算法降低了為定點(diǎn)器件開發(fā)復(fù)雜應(yīng)用的難度。

    浮點(diǎn)的精確度

    目前，選用定點(diǎn)dsp還是浮點(diǎn) dsp 歸根結(jié)底在于應(yīng)用數(shù)據(jù)集是否需要浮點(diǎn)算術(shù)功能�？傮w說來，設(shè)計(jì)人員應(yīng)解決兩個(gè)問題：數(shù)據(jù)集要求多高的精確度？數(shù)據(jù)集的可預(yù)見度有多大？

    三個(gè)因素影響著浮點(diǎn)格式的內(nèi)在高精度。首先，浮點(diǎn) dsp 的 24 位 i/o 字長在整數(shù)與實(shí)數(shù)值方面可實(shí)現(xiàn)比定點(diǎn)器件中常用的 16 位字長更高的精確度。第二，取冪大幅提高了應(yīng)用可用的動(dòng)態(tài)范圍，較大的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)處理極大數(shù)據(jù)集以及難以方便預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)集范圍的情況相當(dāng)重要。第三，浮點(diǎn)硬件內(nèi)部的數(shù)據(jù)表示法比定點(diǎn)器件更為精確，這就保證了最終結(jié)果的精確度更高。

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