消费性产品与通讯产品都要能支援高运算量和资料转换的功能。这些产品对体积大小和耗电量的要求很严格，而数位讯号处理器（DSP），就是这些产品最核心的部份。为了支援这些产品的需求和应用，DSP应该是可程式化的、可设定的和可扩充的。因此高速可设定式DSP因此应运而生，它非常适合应用在需要高效能、低功率且可以弹性设计的消费性产品和通讯产品上。

消费性产品与通讯产品，基本上都要能支援高运算量和资料转换（transformation）的功能。例如：视讯影像的编码与解码、声音的压缩与解压缩，或者影像资料的处理及压缩、语音的播放以及通讯频道的编解码等应用。

这些产品对体积大小和耗电量的要求很严格，而且要求能针对特定的规格提供最佳的支援。而所谓特定的规格就是指产品的应用功能。例如：手提式视讯装置需要低功率和低成本，但影像品质并不高；不过，视讯广播市场所需要的视讯产品，则必须是高画质的，且其运算处理效能一定要高。

此外，目前许多产品都必须同时支援多种应用项目，或必须支援具有多种格式（format）的单一应用。譬如：只支援MPEG2的视讯产品，将必须同时支持MPEG4、H26L、MSWM和其它视讯标准；而WLAN通讯装置除了要支援802.11的不同版本标准以外，有时还得支援其它的无线电标准。

而数位讯号处理器（digital signal processing；DSP），就是这些产品最核心的部份，负责处理那些需要大量运算的资料。为了有效地支援这些产品的需求和应用，DSP应该是可程式化的（programmable）、可设定的（configurable/reconfigurable）和可扩充的（scalable）。高速的可设定式DSP因此应运而生，它非常适合应用在需要高效能、低功率且可以弹性设计的消费性产品和通讯产品上。

高速可设定式DSP的设计目的，简单说，就是要在单一的系统级单晶片（SoC）架构下，支援许多种应用和需求，而且使用者可以利用高阶语言来开发。为了能尽早完成产品的开发工作，使产品能提早上市，这种新技术将是无法抵挡的趋势。

必须了解的定义

有几个定义必须先了解。首先，所谓「可程式化」，是指它可以处理指令，而不是指执行固定的函式（function）。对DSP而言，指令可以来自于高阶语言（C、Java、C++）的编译器（compiler），也可以经由手写程式（组合语言）产生。这有别于传统的DSP功能，因为可设定式DSP具有类似中央处理器（CPU）的功能。其实，正如DSP的原名──「数位讯号处理器」，它本来就应该是一种处理器；只不过，传统的DSP并没有将CPU核心纳入架构中，因此，「DSP只能执行固定的函式」就变成了一种刻板印象。

所谓可设定式，是指可以使用一种或数种方法，将可设定式DSP修改成客户想要的应用功能。不过，这些修改必须在它变成硅晶之前，就得完成。

而可扩充性，是指它可以增加或缩减功能，来支援不同种类的应用需求。在大多数的情况下，是专指增加功能而言，这可以使它拥有数颗传统DSP的功能。

基本特性

可设定式DSP最明显的特性，就是能动态地执行最佳化作业。它以下列三种方式来强化运算效能。

扩充或缩小

藉由增加或减少DSP处理器里的可用资源，同一种应用就可以具有不同等级的运算效能。可扩充性可以藉由增加单一DSP的资源，或者使用数个DSP核心来达成。不过，为了能完善地利用这些新增的资源，以提高运算效能，还需要一个功能强大的编译器来配合才行。如果没有这种编译器的协助，则可设定式DSP只会使应用产品的开发时程增长而已。

位置与混合

藉由改变资源的组成结构（在不增加额外的资源之情况下），可设定式DSP可以依照不同的应用需求，提供不同等级的效能。例如，暂存器的位置（必须防止它的资料爆满溢出）会直接影响到程式运算迴圈的效能。同样地，功能强大的编译器在这里也扮演着举足轻重的角色。

自订指令（custom instruction）

每一种应用都具有一些特殊的运算作业（数学的、工程的或其它），但并不是全部都适合DSP去执行。因此，实际上，单一的DSP不可能包含所有的指令或运算函式。而且，DSP厂商也无法事先就完全知道，所有客户需要的全部运算函式和指令。所以，为了提供弹性设计的方便性，可设定式DSP允许使用者可以将自己设计的指令置入此DSP中，以满足客户的需求。

除了提高运算效能以外，可设定式DSP还必须支援功率和体积（成本）的最佳化。因为效能、功率、体积三者是技术产品成败的关键，所以可设定式DSP必须在指定的效能等级中，以程式求出最合适的耗电功率和体积大小。

可设定式DSP可以用比较少的时脉週期和逻辑电路，得到与传统DSP同等级的效能，这是靠自订指令来完成的。在可程式化方面，此种DSP具有下列两个重要的功能。

指令的执行

和一般的处理器一样，可设定式DSP读取和执行指令串流或目标码（object code），以实现特定的应用功能。这些功能包含支援多重标准或多重格式，甚至包括未知的新功能，或数目更多的格式。藉由撰写和执行新的指令，它就可以支援许多种不同的应用功能，这是传统DSP望尘莫及的。

高阶语言

使用高阶语言（C与Java）来设计处理器的程式，具有右列的几个优点：程式设计者的生产力会提高（因为容易撰写和验证）、设计弹性高（因为容易变更）及维护性高（因为容易除错和修改）。这些优点是低阶语言（组合语言）所没有的。如果不使用高阶语言来开发，则徒具可程式化功能的DSP就没有价值了。不过，高阶语言所带来的便利性，其实是源自于高效率的编译器与优化程式（optimizer）。

基本单元

平行执行单元（parallel execution unit）是可以视需要做增减调整的；也可以结合数个可设定式DSP核心，形成阵列的架构一起工作。高速的可设定式DSP是「极长指令字组（Very Long Instruction Word；VLIW）」的可程式化处理器。VLIW DSP的运算速度是很惊人的，例如：TI于2004年2月推出的TMS320C64x DSP核心的时脉速率最高可达1GHz。

需要经过数位讯号处理的应用，其频宽需求是非常高的。例如：简单的16与32位元的资料转换，就需要进行数百次的乘加运算，再结合大量的资料流处理，因此，需要一个非常有效率的运算平台才行。

另一种可以使运算速度加快的方法，就是尽可能同时执行许多个运算作业。VLIW处理器的功能正可以达到这个目的。因为每一个指令字组（instruction word）包含了许多个时槽（time slot），因此编译器可以在每一个週期内，指定许多个动作，而且在每一个时槽里，执行个别的动作。其结果是，VLIW处理器就可以在一个週期内，完成数个运算作业。VLIW处理器特别适合应用于数位讯号处理工作，因为DSP的工作都是规律而重复的，几乎不需要控制码。

高速可设定式DSP具有数个类似「算数逻辑单元（ALU）」的结构，称作「计算单元（Computational Unit；CU）」，它们前后串接，并藉由「指令时槽（instruction slot）」控制每一个CU。当两个CU共用一个指令时槽时，就发生了「重叠」现象，此时不能进行「同时作业」。不过，高速可设定式DSP允许CU混合不同的指令，并利用指令时槽，决定每一个週期内的指令型态与数量。

在VLIW架构中，指令字组包含了许多个时槽，每一个时槽各控制一个运算作业。因此，藉由改变时槽或CU的数量，就可以增加或减少每週期所执行的运算数量。当增加CU后，会使可用的混合资源改变，好让编译器能对平行作业（parallel operation）做出最好的排序（schedule）。「可设定式」之名就来自于此。

典型的CU包含：算数运算单元、乘加单元（MAC）、位移单元、计数器和其它指令处理指元。资料路径（data path）大小一般是16或32位元，或两者兼具；採固点或浮点运算。大部份的CU还支援「单指令多资料（Single Instruction Multiple Data；SIMD）」运算功能，可以处理位元组（byte）或半字组（half word）的资料，例如将平面空间的圆转换成3D空间的圆（由多个三角形构成）。

同样的，记忆介面单元（Memory Interface Unit；MIU）也被指令时槽组织起来，并透过指令时槽决定读取的时机。MIU支援资料存取和位址（address）生成。高速可设定式DSP支援16或32位元的位址空间（address space）。因为MIU和CU一样，都受指令时槽的控制，因此可以藉由改变时槽的数目，来变更可用的MIU数量。

和传统处理器不同的是，可设定式DSP的暂存器（register）分散于各地，它不使用集中式的单一「暂存档案（register file）」来管理。这会使得运算结果的位置，比较靠近产生此结果的地方和应用此结果的地方。同时，这也让编译器能更灵活地将资料配置到储存的位置。这观念类似RAM的随机存取动作。

「资料通讯区块（data communication block）」可以让资料在不同的储存位址之间移动，以及输入到CU里。它包含了数个具有多工（MUX）功能的匯流排，并且受编译器的控制。(图一)是高速可设定式DSP的简易架构。

(图一)高速可设定式DSP的简易架构

编译器

就大多数的应用而言，除了要追求快速的运算能力以外，要如何才能有效地储存暂时性的资料，也是一个令人头痛的难题。可设定式DSP可以在不同位置新增、移除，甚至重组资料和位址暂存器，这可以让编译器充份地利用暂时性的储存资源（譬如RAM、暂存器）。

因为高速可设定式DSP是属于VLIW架构，它允许加入自订的CU。这种CU称作「设计者定义的计算单元（Designer Defined Computational Unit；DDCU）」，包括自订的指令，并可以加到编译器的可用字汇里去，成为程式语言的一部份。

不过，弹性、平行运算与可设定性，是以高成本构筑而成的。这除了硬体的成本以外，另一个成本就是编译器的成本。编译器负责将高阶程式码转译成指令，并传送给可设定式DSP执行，这个复杂的过程就是成本所在。

这种编译器必须是VLIW最佳化编译器，可以将连续的C程式码转换成VLIW指令；并尽可能在每一个週期内，执行最多的运算作业。它能察觉可设定式DSP的设定变更（新增或删除），甚至能将使用者自订的DDCU，转译成相对应的指令。

此编译器能针对指定的应用类别和DSP核心之不同，将C程式码映射（map）成相对应的目标码。这个映射作用是全域的（global），且包括许多最佳化和转换作业，其目的就是要使原始程式码能和DSP更加适配。

因为DSP在每一个工作週期内，能执行的工作量是已知的，所以编译器的任务就是要在每一个週期内，尽可能将最多的有用工作量赋予DSP。不过有时候，部份应用程式并无法妥善地被映射到DSP上，这时编译器会产生讯息，指出那些尚待改善的地方。这些讯息包含：

●消耗过多运算週期的程式码：有一部份的程式码会消耗掉很多的运算週期（动态地），因此必须多加注意；

●利用率偏低的程式码：有一部份的程式码会使编译器无法妥善利用DSP；

●没有善加利用资源：有些DSP资源未被充份利用；有些则是多余的；有些资源可以利用其它方式进行重整，以获得平行运算的最大效益，或节省更多的空间和时间；

●缺乏资源：如果能增加资源（如暂存器、指令等），就可以提高应用程式的效能。

利用上述的编译结果和描述，使用者可以针对程式码和组态进行修改。程式的修改可能包括：简单迴路的重写、改变资料型态、或改变语法，这些可能使编译器的作业更加简单和明确。此外，使用者也可以改变可设定式DSP的组态，藉由增加或移除资源，或以许多种不同的方式重组资源，或可以添加能提高应用程式执行效率的自订指令。

产品开发流程

使用可设定式DSP来开发产品时，如果不採用一套完整的开发流程来遵循的话，则可设定的、可扩充的目标可能就很难达到。此流程见(图二)。

在图二中，进行数位讯号处理的应用程式可以说是主角。它以C或Java等高阶语言写成，并在主机上经过验证与测试。除了要完成功能性验证以外，效能、成本、体积、耗电量也都要做取捨和折衷，以达到最完善的境界。

应用和最终产品的不同，也就是开发流程的起点，也可能会对开发的目标产生影响。例如：手提式装置需要低功率，但是它的应用程式需要500～1000 MIPS的处理速率，在这种情况下，就要以平行处理能力较差、具单一DSP核心的处理器为开发目标。但若是广播视讯应用程式要实现高解析度的画面，那就要以高阶、具两个DSP核心的处理器为开发目标。

(图二)可设定式DSP的开发流程

结语

「软硬体同时开发」是加速SoC设计的重要方法，同样也是应用高速可设定式DSP开发新产品时，必须採用的方法。OEM/ODM厂商在时间和成本的压力下，最后势必会採用这种新技术。不过，若大多数厂商都使用同一款DSP处理器来开发产品，很可能无法形成产品的市场区隔，再次陷入削价竞争的窘境。