DSP 可以追溯到數字時代的開端，甚至可能更早一些。如果說 1946 年第一臺數字計算機 ENIAC 的建造標志著 1946 年數字時代的開始，那么 DSP 則在兩年后出現。

　　IEEE 于 1998 年出版了一本名為《Fifty Years of Signal Processing: The IEEE Signal Processing Society and its Technologies 1948-1998》的專著，將 DSP開始的時代1948年稱為 DSP annus mirabilis。同年，貝爾電話實驗室的 Claude Shannon 發表了題為“A Mathematical Theory of Communication”的具有里程碑意義的論文，該論文將可實現的比特率、信道帶寬和信噪比之間的關系刻在石頭上。

　　同一年，貝爾實驗室的 Shannon、Bernard M. Oliver 和 John R. Pierce 發表了“The Philosophy of PCM”，記錄了脈沖編碼調制的實用性，并在 PCM 上打上了實用性的烙印，這個理論的首次設想是由Alec Reeves于 1937 年撰寫。（伯納德·奧利弗（Bernard Oliver）在更廣的圈子中可能更為人所知的是巴尼·奧利弗（Barney Oliver），他是 1966 年創立惠普實驗室的杰出人物，但那完全是另一回事。） Shannon、Bernard M. Oliver 和 John R. Pierce 正在記錄一些 PCM用于構建絕密 SIGSALY 安全語音系統的概念，這是一個房間大小、重 50 噸的龐然大物，為二戰期間盟軍最重要的語音通信進行編碼和加密。

　　巧合的是，貝爾實驗室于 1948 年 6 月 30 日宣布開發晶體管，同年發表了兩篇引發 DSP 革命的里程碑式論文。（晶體管的實際發展發生在前一年。）我們需要晶體管和固態電子設備將Shannon, Oliver和Pierce發表的論文中的概念轉化為價格低廉的實用技術，以改變電子產品的世界，所以 1948 年確實是 DSP 的奇跡年。

　　1948 年之后，很長一段時間內 DSP 技術都沒有發生太多變化。數字電子技術對于 DSP 來說太新了，無法實用，至少不能用于實時信號處理。在此期間，許多 DSP 涉及將數字手動輸入 Friedan 和 Marchant 機械計算器，這對于音頻或視頻通信來說非常不切實際。DSP 的萌芽世界等待著關鍵的發展。實際上，有幾個關鍵的發展。

　　這是 DSP 和單芯片 DSP 如何接管整個信號處理世界的故事。它與數字電子本身的歷史相似，跨越了集成電路 （IC）、微處理器、DSP 和 FPGA 的發展。在我們看來，FPGA 最終大獲全勝。

　　一些不穩定的步驟

　　使 DSP 實用化所需的第一個關鍵發展是 IC 的發明。幾乎同時，德州儀器 （TI） 的 Jack Kilby 和仙童半導體的 Robert Noyce 設想了兩種截然不同的方法來構建第一個集成電路。1959 年 2 月，TI 的 Kilby 首先申請了專利。Kilby 曾設想在一根硅棒上構建多個電子元件，然后使用小的金鍵合線將它們連接在一起。在申請專利之前，他實際上確實在 1958 年建造了這樣的電路。然而，Kilby 錯綜復雜的手工組裝過程是完全不切實際的，而且不太可能擴大到商業批量生產。

　　Noyce于 1959 年初提出的想法是使用光刻技術，仙童半導體已經使用這種技術制造硅晶體管，在一個芯片上對多個電子元件進行成像，然后使用相同的光刻技術將這些元件與金屬互連層互連。他將細節留給 Jean Hoerni，后者開發了自那時以來一直用于制造 IC 的平面工藝。Noyce 和 Fairchild 比 Kilby 晚，但仍是在 1959 年就這些想法申請了專利。

　　用于制造 IC 的實用制造方法只是所需的許多關鍵發展中的第一個。早期的數字 IC 太原始，并且包含的晶體管太少，無法認真考慮將它們用于實際的 DSP。那是因為 DSP 涉及一個非常深奧的概念——稱為數學。特別是，您需要兩個關鍵的數學運算符——乘法和加法——并且您需要使用大量這些運算來執行 DSP。我們中的一些人成為了數字工程師，所以我們可以忘記數學。

　　DSP 工程并非如此。使用 DSP 時，無法逃避數學運算。

　　當電子世界正在等待足夠的半導體技術進步使 DSP 成為一種實用技術時，世界其他地方已經迫不及待了。Bell System 需要開發方法來通過其龐大的線路安裝基礎來填充更多語音容量，而 PCM 顯然是第一步。此外，二戰后軍隊對雷達和聲納的使用蓬勃發展，DSP 顯然是改進和提高這些系統能力的途徑。通信衛星最初是在 1945 年由 Arthur C. Clarke 撰寫的一篇論文中設想的，它將需要數字通信來解決一些可怕的信噪比問題，這些問題涉及向地球軌道發送信號和從地球軌道接收信號。

　　世界已準備就緒，但 IC 尚未準備就緒。

　　當 DSP 世界等待半導體技術迎頭趕上時，信號處理理論家卻沒有。貝爾實驗室的 Binshu Atal 和 Manfred Schroeder 于 1967 年開發了自適應預測編碼 （Adaptive Predictive Coding：APC），這使得從 4.8kbps 比特流中獲得適度的音頻成為可能。

　　然后，Atal 開發了用于語音壓縮的線性預測編碼 （Linear Predictive Coding：LPC）。幾乎同時，名古屋大學的 Fumitada Imakura 和 NTT 的 Shuzo Saito 開發了偏相關（partial correlation：PARCOR）編碼，這是一種非常相似的算法。這些新的語音處理算法自然需要更多的計算——更多的乘法和加法——這使得需要專門的 IC 來使 DSP 實用且具有成本效益變得越來越明顯。

　　但是，通過帶寬受限的電話信道運行的語音并不是唯一需要 DSP 信號的地方。雷達和聲納信號處理算法也需要它。真正占用帶寬的電視信號需要它。只要技術實用，生成和接收的每個信號都可以從 DSP 中受益。如果它不需要裝滿 TI 和許多其他供應商在 1960 年代銷售的中型 IC 的機架和電路板機架就好了。

　　英特爾于 1971 年推出的第一個商用微處理器 4004 是對即將到來的事物的第一個暗示。Intel 4004微處理器當然可以進行乘法和加法運算，但是一次只能加四位，而且乘法是一個多步指令序列。硅是愿意的，但 ALU 和位寬很弱。

　　第一個DSP芯片并沒有完全削減它

　　TRW 于 1976 年設法創建并銷售了 16×16 位單芯片數字乘法器——MPY016H——這是一款采用 1 微米雙極工藝技術制造的產品。TRW MPY016H 可以將兩個 16 位數字相乘以在 45 納秒內產生 32 位結果（dash-1 部分為 40 納秒），但無法相加。您需要添加額外的 IC 以將累加器連接到乘法器。此外，您無法在一次操作中提取 32 位結果。您通過 IC 的 16 位輸出端口將結果分成兩部分。所以這個產品真的不是DSP。它只是 DSP 的一部分。此外，由于具有兩個 16 位輸入端口和一個 16 位輸出端口，TRW MPY016H 必須封裝在 64 引腳寬 DIP 中。它以 5V 電壓運行，但它幾乎需要一個放大器才能啟動。在 5 瓦時，它也需要一點冷卻。

　　AMI 于 1978 年推出了 S2811 信號處理外設，它是一個帶有 12 位硬件乘法器、一個 16 位 ALU 和一個 16 位輸出的 DSP，但它并不是作為單芯片 DSP 設計的。AMI 將 S2811 設計為用于 8 位 6800 微處理器的存儲器映射外圍設備，AMI 還制造該產品作為微處理器的創始人摩托羅拉半導體的替代來源。AMI 的 6800 微處理器版本被稱為 S6800。

　　6800 微處理器通過一個小型和三個較大的片上多端口 RAM 配置和訪問 AMI S2811。盡管 AMI S2811 于 1978 年發布，但它基于一種難以制造的 VMOS 工藝技術，因此推遲了幾年的到來。到那時，已經發布了幾款單芯片DSP；隨著 Intel 8088、Zilog Z8000 和 Motorola 68000 的推出，16 位微處理器時代已經到來；6800微處理器外設市場開始迅速萎縮。那就使得過時的 AMI S2811 從未取得商業成功。

　　在AMI 推出 S2811 信號處理外設的同一年，TI 向消費者推出了一款基于 DSP 的玩具，即電池供電的“Speak & Spell”，該玩具采用 LPC 作為其核心語音編碼技術。Speak & Spell 玩具采用了 TI TMC0280 語音合成器芯片，該芯片在硬件中實現了 Binshu Atal 的 LPC 算法。TO TMC0280 本質上是一個專用的 DSP。

　　盡管當時的半導體技術將 TI Speak & Spell 的詞匯量限制在 165 個單詞，但這款玩具的稀疏詞匯量對于兒童玩具來說是一個巨大的技術飛躍，即使零售價高達（當時）50 美元。盡管 TI TMC0280 是一種專門的專用語音 DSP，但其低成本和電池運行時間的能力為即將到來的 DSP IC 指明了道路。

　　1979 年 2 月，英特爾試圖通過宣布英特爾 2920“模擬信號處理器”來表達“是的，我們可以做到”。這個奇怪的集成 DSP 在前端有一個 9 位 ADC（8 位加符號）和一個四輸入模擬多路復用器，一個 9 位 DAC 有一個 8 通道模擬采樣保持電路和模擬多路復用器在前端后端，中間的數字 ALU 能夠執行加法、減法和絕對值運算以產生 25 位結果。缺少乘法和除法指令迫使使用多指令序列來執行這些所需的 DSP 數學運算。每個乘法運算需要 12 條指令，除法運算需要 14 條指令。每條 Intel 2920 指令需要大約半微秒來執行，

　　Intel 2920 是為信號過濾應用而設計的，但它的執行速度慢、數據路徑有限、指令集獨特、缺少硬件乘法器、模擬輸入和輸出電壓范圍有限以及其他嚴重的限制，這些都注定了該 IC 的商業失敗。

　　因此，盡管很少有人記得英特爾 2920，但它也預示著 DSP 的到來。

　　隨著 1970 年代結束，世界顯然已經準備好，甚至渴望真正的單芯片 DSP。多虧了理論家，算法才得以開發并準備就緒。許多信號處理應用都在乞求功能強大的 DSP 芯片。剩下的就是開發能夠支持這些要求的芯片設計和工藝技術。AMI、AT&T、英特爾、松下、摩托羅拉、NEC、TI、ADI 公司和其他公司都在為這個問題而瘋狂地工作。DSP 芯片的爆炸式增長迫在眉睫。

　　在 1948 年 DSP 的奇跡年之后，又過了三個十年，實際的、實用的 DSP 芯片才會出現。像 TRW 的 MPY016H 硬件乘法器和 TI 的 TMC0280 LPC 語音芯片這樣的 DSP 零碎部件被戲弄了——真正的集成 DSP 指日可待——但直到 1980 年代，半導體技術才發展到足以使可編程 DSP 芯片實用化。1980 年代和 1990 年代，單芯片 DSP 的數量呈爆炸式增長。

　　然后，20年后，單芯片DSP的時代戛然而止。

　　Wally Rhines 在 1970 年代為德州儀器 （TI） 工作，他非常想離開 TI 在德克薩斯州Lubbock的工廠。當他有機會管理 TI 在休斯頓的微處理器業務時，他選擇了這個職位，因為他發現休斯頓是一個更具吸引力的居住地。此外，沒有人想要這份工作。TI 的 16 位 9900 微處理器由于其缺乏競爭力的 16 位地址空間而陷入困境。由于未能在通用微處理器市場上分得一杯羹，萊茵斯在休斯頓 TI 新采用的微處理器團隊創建了一個四管齊下的專用處理器戰略。TI 分叉戰略的四個方面是：

　　TMS320 DSP 系列

　　TMS340 系列圖形處理器

　　TMS360 大容量存儲處理器（很快無處可去）

　　用于 IBM 網絡架構的  token-ring LAN 處理器TMS380

　　其中，TMS320 DSP 系列成為戰略中的搖滾明星。正如Rhines在接受采訪時所說，“……它給我們上了一課：絕望是創新之母?！?經過幾年的醞釀，TI 于 1982 年 4 月推出了第一批 TMS320 DSP。然而，對于這樣的新技術來說，僅僅構建芯片是不夠的。多年來，TI 一直在宣傳 DSP，并通過軟件開發工具和培訓為其新 DSP 提供支持，然后才看到這些部件取得重大成功。根據Rhines的說法，TI 又過了五六年才開始從這些產品中看到一些真正的收入。

　　TI 不是第一個

　　然而，TI 的 DSP 芯片肯定不是市場上的第一個。英特爾早在 1979 年就推出了命運多舛的 2920 模擬信號處理器，但該公司的另一款產品 16 位 8086 微處理器在其擁有 8 位外部數據總線的“弟弟”—— 8088 微處理器——成為 IBM PC 的核心。Intel 2920 從視線中消失了，很可能是因為 Intel 的全部注意力都被吸引到了通用微處理器市場。

　　TI 只是 1980 年代初期準備進入 DSP 領域的幾家半導體公司之一。根據 Forward Concepts 總裁和數十年來一直聚焦在DSP的分析師 Will Strauss 的說法，第一批發布的帶有硬件乘法器/累加器的“真正”單芯片 DSP 是 AT&T DSP-1——由貝爾實驗室開發，并在1979 年 5 月的 AT&T 內部會議上亮相 。1980 年 2 月在 IEEE 固態電路會議上，NEC又帶來了NEC ?PD7720。AT&T 將 DSP-1 納入其開創性的電話網絡 5ESS 電子交換系統。隨后，AT&T 繼續開發了幾代設備，其中包括 DSP16 和 DSP32（第一個浮點 DSP 芯片）。然而，AT&T DSP-1 及其后繼者仍然被貝爾系統所擁有，

　　NEC ?PD7720 有一個 16×16 位乘法器和兩個 16 位累加器，因此它是一個真正的單芯片 DSP。盡管 NEC 在 1980 年初宣布了該設備，但它直到 1981 年才與所需的開發工具一起上市。Strauss 指出，NEC ?PD7720 在日本取得了最大的成功，就像日本的許多可編程 IC 一樣，這顆芯片在歐洲也很流行。

　　從 1986 年推出的 DSP56000 處理器開始，摩托羅拉半導體成為 1980 年代爭奪 DSP 芯片主導地位的另一個早期競爭者。摩托羅拉 DSP56000 有一個 24 位硬件乘法器和兩個可以再擴展 8 位的 48 位累加器使用一對擴展寄存器。這種大數據字能力使摩托羅拉 DSP56000 能夠處理高精度音頻，因此摩托羅拉 DSP56000 迅速受到高端音頻系統開發商的歡迎。

　　在 1990 年代決斗

　　DSP 領域的主要參與者在 1980 年代和 1990 年代爭奪主導地位。他們生產了多代越來越強大的設備，這些設備具有多個硬件乘法器、浮點硬件乘法器和更大容量的片上存儲器。到 1990 年代后期，TI、摩托羅拉和飛利浦已經開發出具有 VLIW 架構、多個乘法器/累加器以及用于特殊操作（例如位混頻）的附加功能單元的 DSP 怪獸處理器。

　　當競爭性芯片技術突然出現并讓 DSP 供應商蒙蔽時，更大、更強大的獨立 DSP 芯片的開發突然停止。正如?？颂K魯伯小行星在 6600 萬年前消滅了恐龍，并在巖層中留下一層薄薄的銥作為名片一樣，FPGA 在千禧年之交讓單芯片 DSP 黨崩潰了。

　　DSP 的一個基本原理和一些歷史相結合，解釋了 FPGA 如何以及為什么迅速消滅單芯片 DSP 作為一個充滿活力的處理器類別。

　　首先，原理：DSP 全是數學，DSP 性能依賴于非?？焖俚貓绦写罅砍朔?累加運算 （MAC） 的能力。這就是為什么最新的單芯片 DSP 具有多個硬件乘法器/累加器單元和附加功能單元以從乘法器/累加器路由非 MAC 操作的原因。設備擁有的 MAC 單元越多，執行 DSP 操作的速度就越快，因為大多數 DSP 算法都包含多個 MAC 單元可以利用的許多固有并行性。

　　現在，回顧歷史：FPGA 于 1984 年首次亮相，當時 Xilinx 推出 XC2064。第一個 FPGA 只不過是一堆非常慢的門（實際上是基于查找表的可編程邏輯塊），周圍有很多可編程互連。這種早期的架構設計使 FPGA 能夠在電路板設計上吞噬許多 TTL 芯片的邏輯。但是最早的 FPGA 速度很慢。他們沒有威脅到當時的處理器，當然也沒有影響到 DSP 領域。反正一開始不是。

　　FPGA 擴張時代

　　由于從一開始FPGA就打算騎著摩爾定律，因此FPGA發展到2000年，就從原來的Xilinx XC2064 微不足道的64邏輯塊增長到數以萬計的邏輯塊。在一篇題為“Three Ages of FPGAs: A Retrospective on the First Thirty Years of FPGA Technology”的文章中，前 Xilinx 研究員 Steve Trimberger 將 1990 年代的 FPGA 增長時期稱為“擴展時代”。在這個時代，FPGA 沿著摩爾定律曲線發展，并通過集成越來越多的可編程邏輯塊而變得越來越大。然而，與 ASIC 相比，在 FPGA 內用可編程邏輯構建的電路相對較慢，在硅片使用方面效率低下，而且價格更高。因此，使用可編程邏輯構建的 MAC 相對較慢且成本較高。

　　后來，在 Trimberger 的“積累時代”——當 FPGA 添加硬化 MAC 塊時——FPGA 突然成為 DSP 的重要競爭對手。FPGA 并不僅僅增加了一兩個硬件乘法器；在摩爾定律的慷慨支持下，他們增加了幾十個。

　　第一個集成快速硬件乘法器的 FPGA 器件系列是 Xilinx Virtex-II FPGA 系列。2001 年 7 月，Xilinx 宣布它已經出貨了價值 100 萬美元的 Virtex-II XC2V6000 FPGA，每個 FPGA 都有 144 個硬化的片上 18×18 位乘法器。因此，第一個包含硬件乘法器的 FPGA 的性能已經超過了當時存在的每一個單芯片 DSP，而且很可能超過了所有將要存在的單芯片 DSP。

　　Altera 緊隨 Xilinx 并于 2002 年發布了其第一代具有 36×36 位硬件乘法器的 Stratix FPGA。Stratix FPGA 中的硬件乘法器可拆分為 18×18 位或 9×9 位乘法器，以允許更多的 MAC 運算，盡管位分辨率較低。在本世紀的頭幾年，Xilinx 和 Altera FPGA 系列在可以執行的同步 MAC 操作數量上遠遠超過單芯片 DSP。

　　今天的 FPGA 有很多 MACS

　　今天，英特爾（2015 年收購了 Altera）和賽靈思的一些最小的 FPGA 提供了大量的硬件乘法器。較舊但仍然可用的 Intel Cyclone IV FPGA 系列的成員包含 80 到 532 個 18×18 位嵌入式乘法器。同樣，較舊的 Xilinx Spartan 6 FPGA 系列包括具有 8 到 180 個 DSP48A1 slice 的器件，而較新的 Xilinx Artix FPGA 系列的成員包含多達 740 個 DSP48E1 slice。每個 DSP48A1 Slice 包含一個 18×18 位乘法器和一個 48 位累加器，而每個 DSP48E1 Slice 包含一個 25×18 位乘法器和一個 48 位累加器。DSP48 切片乘法器中的位數似乎隨著時間的推移而增加。

　　Intel 和 Xilinx 的最大 FPGA 具有數千個 DSP 模塊，并且能夠比最快的 DSP 芯片每秒提供三個數量級的 MAC。例如，最大的 Intel Stratix 10 TX FPGA 系列的成員提供 5760 個精度可調 DSP 模塊，每個模塊包含兩個 18×19 位硬件乘法器，可以配置為一個 27×27 位乘法器。在一個大芯片上多達 11,520 個硬件乘法器。最大的 Xilinx Virtex UltraScale Plus FPGA 包含 12,288 個 DSP48E2 slice，每個 slice 包含一個 27×18 位乘法器和一個 48 位累加器。

　　請注意，英特爾和賽靈思并不是唯一將硬件乘法器塞入其 FPGA 的 FPGA 供應商。您可以從 Achronix、Lattice 和 Microchip 獲得 FPGA，這些 FPGA 具有內置在設備中的各種 DSP 硬件（MAC）。例如，最近發布的 Lattice CertusPRO-NX FPGA 有兩種尺寸可供選擇，具有 96 或 156 個片上 18×18 位乘法器。

　　如果您仍想編寫 DSP 代碼并在單片 DSP 上運行它，你可以使用恩智浦提供 DSP56300、DSP56700 和 MSC8000 DSP 系列。這些是摩托羅拉 DSP 系列最新的——也可能是最后的——單芯片后代。此外，您仍然可以購買現成的 TI TMS320 FPGA 系列成員。同時，硬件乘法器在通用處理器的設計中變得非常普遍，在那里您可以找到完全能夠提供可觀的 DSP 性能的巨型 512 位 SIMD 矢量單元，甚至在微控制器中，這樣您就可以更輕松地將 DSP 集成到即使是最小的嵌入式設計。

　　對于這一切，要感謝摩爾定律。

　　然而，在這一點上根本沒有可比性。如果您的高性能 DSP 應用需要大量快速 MAC 運算，那么具有成百上千個快速硬件乘法器的 FPGA 是獨一無二的合格產品。