数字信号处理器（DSP）测试方法标准研究

李秦华 李可

摘 要：本文对当前国内外数字信号处理器（DSP）产品测试方法标准进行研究。分析了现行的GJB 7705-2012《DSP测试方法》，提出了DSP内核工作频率测试方法、综合性能测试方法等新方法。为开展DSP芯片性能测试或者集成了DSP IP核的系统级芯片（SoC）中DSP性能测试工作提供了技术指引和支撑，为DSP相关的产品研发、产品测试验证提供了参考。

关键词：DSP，测试方法，标准

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.08.021

0 引 言

DSP是以数字形式对信号进行变换、估值、滤波、压缩、增强等处理的专用芯片。DSP具备数字器件的稳定性和可重复性等特点，又具备作为处理器的可编程、易于实现自适应处理等特点，自问世以来，广泛应用于雷达、通信、信号处理、多媒体处理、自动控制等诸多领域。

在DSP出现之前，只能通过微处理器来完成数字信号处理任务。由于运算速度较低，微处理器无法实现高速实时的应用场景。自1980年第一个具备硬件乘法器的DSP芯片问世以来，随着大规模集成电路技术的发展，DSP的设计和制造不断取得突破，架构从定点到浮点、单核到多核，频率从数十MHz到1 GHz以上，乘加运算（MAC）能力提高了几十倍，性能不断提升，应用范围不断扩大[1-2]。

随着DSP的飞速发展，DSP的测试技术也在不断进步，但是在DSP测试方法标准方面却没有及时跟进。目前，国外的DSP测试方法都是一些协会组织和商业公司提出的零散的测试规范，尚无系统的DSP测试方法方面的标准。现行的国家标准、国家军用标准及行业标准中针对DSP测试方法的标准只有GJB 7705-2012《DSP测试方法》。该标准于2013年实施，目的是规范军用产品中使用的DSP芯片的功能、性能的测试方法，实施以来在民用DSP芯片以及DSP IP的测试中也得到了广泛的应用。

1 标准的主要内容

GJB 7705-2012《DSP测试方法》参考了GJB548B-2005的独立篇章模式，将所有测试方法进行分类，共划分了四类（1000类：功能与电特性测试；2000类：性能参数测试；3000类：综合性能测试；4000类：接口测试），每项测试方法归到这四类，并按类进行编号，独立成篇（段落），如图1所示。

2 标准的要点解析

GJB 7705-2012中的测试方法是在总结DSP参数指标体系的基础上，提炼归纳出需要测试并且能够在工程中实现的参数指标的测试方法，每个测试方法有明确的测试原理、测试要求和测试步骤。这些测试方法又分为两类，一类是引用或参照已有的测试方法标准，“1000类：功能与电特性测试”和“4000类：接口测试”就属于这类；另一类是首次提出的新方法，“2000类：性能参数测试”和“3000：类 综合性能测试”。

2.1 功能与电特性测试

功能和电特性测试包括：功能测试、电特性测试，测试基于自动测试机台进行。功能测试规定了DSP指令集以及内部控制部件、运算部件、寄存器文件、外设模块和存储器等功能模块的测试方法。电特性测试规定了DSP的静态与动态电特性参数的测试方法，测试方法引用了GB/T 17574-1998《半导体器件 集成电路 第2部分：数字集成电路》中静态特性参数和动态特性参数的测试方法。

2.2 性能参数测试

通过分析梳理DSP的参数指标，结合工程实现方式，标准提炼了反映DSP架构和性能最关键的8个参数，包括：字长、频率、功耗、同构多核数量、多核运算性能、快速傅里叶变换（FFT）时间、峰值乘加能力和峰值运算能力，首次提出了基于工程测试板的测试方法，明确了测试原理，规范了测试流程。

2.2.1 字长和同构多核数量测试

字长和同构多核数量测试是通过软件读取DSP相关寄存器的值来实现的。字长测试是读取存放进行移位操作次数和存放特殊定点运算结果的通用寄存器的值来验证DSP通用寄存器和整数运算部件的位宽，从而验证DSP的字长。同构多核数量测试是读取存放DSP核运行周期数的寄存器的值，通过验证每个DSP核运行同一个汇编测试程序的运行周期数是否一致来验证同构DSP核的数量。

2.2.2 功耗测试

功耗测试是采用传统的加压测流方式来实现的。在DSP芯片的所有电压域施加规定的电压，运行测试程序，测量每路电压域的平均电流，计算得到每路电压域的平均功耗，然后求和，得到整个DSP芯片的平均功耗。

2.2.3 频率、多核运算性能、FFT时间、峰值乘加能力和峰值运算能力测试

频率、多核运算性能、FFT时间、峰值乘加能力和峰值运算能力测试都是转换为对时间的测量。通过测量测试程序的运行时间来实现对频率和运算性能的精确测试，同时，由于运行时间都是通过示波器直接测量得到，保证了测量结果的直观和可朔源。

（1）FF T时间和多核运算性能测试就是测量1024点或1M（1024×1024）點FFT程序的运行时间。

（2）峰值乘加能力和峰值运算能力是一个理论计算值，与DSP指令流水线结构和频率紧密相关。实际测试是通过测量DSP完成一定数量的乘加指令或者浮点/定点操作指令所使用的时间计算得到DSP的乘加能力和运算能力。测试代码根据DSP的指令流水线上指令执行并发度编排指令，尽可能使用乘加和浮点/定点相关指令填满指令流水线，以获得最大的乘加和浮点/定点操作数算能力。实测的DSP乘加能力和运算能力只能是接近理论值，实际上是反映理论值的效率。

（3）频率测试方法是标准首次提出的周期法，解决了DSP内核工作频率无法直接测量或者测量结果无法朔源的难题。一般来讲，DSP内核工作频率是基频通过PLL倍频后得到的，芯片外没有能够直接测量DSP内核频率的测试点，无法通过示波器等设备直接测量。

周期法的原理是通过测量DSP运行一定数量的数据相关的单周期机器指令所用的时间，推算出DSP内核的工作频率。测试代码包含M条数据相关（比如：累加操作）的单周期指令并循环运行这段指令N 次，总的指令数为M×N 。用示波器测量运行M×N 条单周期指令所需的时间t ，计算出处理器核的工作频率为：（M×N ）/t 。由于运行时间是通过示波器精确测量得到，因此，通过周期法得到的DSP内核工作频率不但精确，并且可以朔源。

使用周期法进行DSP内核工作频率测试时，应当注意以下几点：

① 测试代码一定要数据相关，即上一拍的运算结果作为下一拍运算的输入，以确保每一拍只执行一条单周期指令；

② 测试指令数量M×N 通过审查测试代码得到，为保证M×N条测试指令数量准确，测试代码应当使用汇编指令编写，包括跳转操作，以消除高级语言在编译时产生指令扩展帶来的指令数误差；

③ 示波器测量运行时间的方法：测试程序开始运行，选定一个GPIO端口输出高电平；到M×N条测试指令开始时，将GPIO端口电平翻转（变低电平）；到M×N 条测试指令运行结束时，再将GPIO电平翻转（变高电平），用示波器测量GPIO端口的低电平时间，即为M×N条测试指令的执行时间t。

2.3 综合性能测试

综合性能测试也是属于标准首次提出的新方法，分2类：核心基准性能测试、应用领域基准性能测试，包含了11个核心基准和4个应用领域基准，考察每个基准程序的运行时间和程序代码量，测试基于工程测试板进行。综合性能测试是通过考核DSP在数字信号处理的基础和核心算法和典型应用中的性能实现对DSP核和整体性能的评估，具体测试方法借鉴参考了国外著名评测公司BDTI的做法。[3]与性能参数测试一样，综合性能测试中所有运行时间的结果都是通过示波器直接测量得到。

核心基准的算法包括：FFT、滤波、向量运算、矩阵运算等，每个算法给出了参考代码。核心基准算法程序都比较小，基本上都是在片内存储空间中运行，主要用于评估DSP核的运算性能。

应用领域基准测试是对包括DSP核、外部存储器、高速接口在内的DSP整体性能进行评估，考核DSP是否满足某一特定应用领域的性能需求。DSP的应用领域非常广泛，很难将所有应用都纳入到标准中，因此，标准的应用领域基准测试针对目前DSP在军事应用的4个主要领域：声呐、雷达、通信、音视频，提出性能测试方法，并规定了测试条件、测试算法模型、测试输入等。

2.4 接口测试

接口测试从接口功能以及接口电参数两个方面规定了DSP接口的测试方法，测试基于工程测试板进行。其中接口电参数分为发送端和接收端两类，发送端规定了5种参数：发送数据速率、发送信号幅度、发送信号眼图、上升下降时间、发送信号抖动的测试方法，接收端规定了2种参数：接收信号幅度、接收信号抖动的测试方法，参数定义参见相应的规范要求。

3 结 语

GJB 7705-2012《DSP测试方法》提出了一套基于电参数测试、性能参数测试、综合性能测试和接口测试的DSP整体测试评价体系，为国内DSP产品提供了统一的测试方法和评价标准，部分测试方法还可以应用于嵌入式CPU的测试。本文对该标准中覆盖的测试参数、测试方法、测试要求等进行了分析，并提出了DSP内核频率等关键的性能参数测试方法在实施过程中的注意事项和建议，为该标准的应用推广提供借鉴参考。

参考文献

魏晓云，陈杰，曾云.DSP技术的最新发展及其应用现状[J].半导体技术，2003（9）：18-21.

马晓东，李冰琪，魏鹏，等.DSP技术发展与应用研究综述[J].电子世界，2018（24）：46-47.

BDTI.BDTI DSP Kernel Benchmarks?[EB/OL].（2023-01-29）[2023-02-02].https：//www.bdti.com/services/bdti-dsp-kernelbenchmarks.

作者简介

李秦华，本科，工程师，研究方向为集成电路测评及标准化。

李可，本科，工程师，研究方向为集成电路测评及标准化。

（责任编辑：张瑞洋）