【正文】 第一章 DSP概述 第一章 DSP概述 數(shù)字信號處理 可編程 DSP芯片 DSP系統(tǒng) DSP產(chǎn)品簡介 數(shù)字信號處理 數(shù)字信號處理（簡稱 DSP）是一門涉及多門學(xué)科并廣泛應(yīng)用于很多科學(xué)和工程領(lǐng)域的新興學(xué)科。 數(shù)字信號處理是利用計算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字的形式對信號進(jìn)行分析、采集、合成、變換、濾波、估算、壓縮、識別等加工處理，以便提取有用的信息并進(jìn)行有效的傳輸與應(yīng)用。 數(shù)字信號處理是以眾多學(xué)科為理論基礎(chǔ)，它所涉及的范圍極其廣泛。如數(shù)學(xué)領(lǐng)域中的微積分、概率統(tǒng)計、隨機(jī)過程、數(shù)字分析等都是數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)工具。它與網(wǎng)絡(luò)理論、信號與系統(tǒng)、控制理論、通信理論、故障診斷等密切相關(guān)。 DSP可以代表數(shù)字信號處理技術(shù)（ Digital Signal Processing） ,也可以代表數(shù)字信號處理器（ Digital Signal Processor）。前者是理論和計算方法上的技術(shù) ,后者是指實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)的通用或?qū)Ｓ每删幊涛⑻幚砥餍酒? 數(shù)字信號處理包括兩個方面的內(nèi)容 : 1．算法的研究 2． 數(shù)字信號處理的實(shí)現(xiàn) 數(shù)字信號處理 1．算法的研究 算法的研究是指如何以最小的運(yùn)算量和存儲器的使用量來完成指定的任務(wù)，如 20世紀(jì) 60年代出現(xiàn)的快速傅里葉變換（ FFT），使數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)生了革命性的變化。 近幾年來，數(shù)字信號處理的理論和方法得到了迅速的發(fā)展，諸如：語音與圖像的壓縮編碼、識別與鑒別，信號的調(diào)制與解調(diào)、加密和解密，信道的辨識與均衡，智能天線，頻譜分析等各種快速算法都成為研究的熱點(diǎn)、并取得了長足的進(jìn)步，為各種實(shí)時處理的應(yīng)用提供了算法基礎(chǔ)。 數(shù)字信號處理 ① 在通用計算機(jī)（ PC機(jī)）上用軟件（如 Fortran、 C語言）實(shí)現(xiàn)，但速度慢，不適合實(shí)時數(shù)字信號處理，只用于算法的模擬； ② 在通用計算機(jī)系統(tǒng)中加入專用的加速處理機(jī)實(shí)現(xiàn)，用以增強(qiáng)運(yùn)算能力和提高運(yùn)算速度。不適合于嵌入式應(yīng)用，專用性強(qiáng)，應(yīng)用受到限制； ③ 用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，用于不太復(fù)雜的數(shù)字信號處理。不適合于以乘法 累加運(yùn)算為主的密集型 DSP算法； ④ 用通用的可編程 DSP芯片實(shí)現(xiàn)，具有可編程性和強(qiáng)大的處理能力，可完成復(fù)雜的數(shù)字信號處理的算法，在實(shí)時 DSP領(lǐng)域中處于主導(dǎo)地位； ⑤ 用專用的 DSP芯片實(shí)現(xiàn)，可用在要求信號處理速度極快的特殊場合，如專用于 FFT、數(shù)字濾波、卷積、相關(guān)算法的 DSP芯片，相應(yīng)的信號處理算法由內(nèi)部硬件電路實(shí)現(xiàn)。用戶無需編程，但專用性強(qiáng)，應(yīng)用受到限制； ⑥ 用基于通用 DSP核的 ASIC芯片實(shí)現(xiàn)。隨著專用集成電路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的廣泛使用，可以將 DSP的功能集成到 ASlC中。一般說來， DSP核是通用 DSP器件中的 CPU部分，再配上用戶所需的存儲器 (包括 Cache、RAM、 ROM、 flash、 EPROM)和外設(shè) (包括串口、并口、主機(jī)接口、 DMA、定時器等 )，組成用戶的 ASIC。 2．?dāng)?shù)字信號處理的實(shí)現(xiàn) 數(shù)字信號處理的實(shí)現(xiàn)是用硬件、軟件或軟硬結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)各種算法。數(shù)字信號處理的實(shí)現(xiàn)一般有以下幾種方法： 數(shù)字信號處理 可編程 DSP芯片 可編程 DSP芯片是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，主要用于實(shí)時快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理的算法。 在 20世紀(jì) 80年代以前，由于受實(shí)現(xiàn)方法的限制 ,數(shù)字信號處理的理論還不能得到廣泛的應(yīng)用。直到 20年及 80年代初，世界上第一塊單片可編程 DSP芯片的誕生，才使理論研究成果廣泛應(yīng)用到實(shí)際的系統(tǒng)中，并且推動了新的理論和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展?？梢院敛豢鋸埖刂v， DSP芯片的誕生及發(fā)展對近 20年來通信、計算機(jī)、控制等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展起到十分重要的作用。 DSP芯片的發(fā)展概況 DSP芯片誕生于 20世紀(jì) 70年代末，至今已經(jīng)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并經(jīng)歷了以下三個階段。 第一階段， DSP的雛形階段（ 1980年前后） 1978年 AMI公司生產(chǎn)出第一片 DSP芯片 S2811。 1979年美國 Intel公司發(fā)布了商用可編程 DSP器件 Intel2920,由于內(nèi)部沒有單周期的硬件乘法器，使芯片的運(yùn)算速度、數(shù)據(jù)處理能力和運(yùn)算精度受到了很大的限制。運(yùn)算速度大約為單指令周期 200~250ns，應(yīng)用領(lǐng)域僅局限于軍事或航空航天部門。 這個時期的代表性器件主要有： Intel2920（ Intel）、?PD7720（ NEC）、 TMS32022（ TI）、 DSP16（ ATamp。T）、S2811（ AMI）、 ADSP21（ AD）等。 第二階段， DSP的成熟階段（ 1990年前后） 這個時期的 DSP器件在硬件結(jié)構(gòu)上更適合數(shù)字信號處理的要求，能進(jìn)行硬件乘法、硬件 FFT變換和單指令濾波處理，其單指令周期為 80~100ns。 如 TI公司的 TMS320C20，它是該公司的第二代 DSP器件 ,采用了 CMOS制造工藝，其存儲容量和運(yùn)算速度成倍提高，為語音處理、圖像硬件處理技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 20世紀(jì) 80年代后期，以 TI公司的 TMS320C30為代表的第三代 DSP芯片問世，伴隨著運(yùn)算速度的進(jìn)一步提高，其應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大到通信、計算機(jī)領(lǐng)域。 這個時期的器件主要有 :TI公司的 TMS320C 50系列， Motorola公司的 DSP5600、 9600系列， ATamp。T公司的DSP32等。 DSP芯片的發(fā)展概況 第三階段， DSP的完善階段（ 2022年以后） 這一時期各 DSP制造商不僅使信號處理能力更加完善，而且使系統(tǒng)開發(fā)更加方便、程序編輯調(diào)試更加靈活、功耗進(jìn)一步降低、成本不斷下降。尤其是各種通用外設(shè)集成到片上，大大地提高了數(shù)字信號處理能力。這一時期的 DSP運(yùn)算速度可達(dá)到單指令周期 10ns左右，可在 Windows 環(huán)境下直接用 C 語言編程，使用方便靈活，使 DSP芯片不僅在通信、計算機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且逐漸滲透到人們?nèi)粘ＯM(fèi)領(lǐng)域。 目前， DSP芯片的發(fā)展非常迅速。硬件方面主要是向多處理器的并行處理結(jié)構(gòu)、便于外部數(shù)據(jù)交換的串行總線傳輸、大容量片上 RAM和 ROM、程序加密、增加 I/O驅(qū)動能力、外圍電路內(nèi)裝化、低功耗等方面發(fā)展。軟件方面主要是綜合開發(fā)平臺的完善，使 DSP的應(yīng)用開發(fā)更加靈活方便。 DSP芯片的發(fā)展概況 DSP芯片的特點(diǎn) 數(shù)字信號處理不同于普通的科學(xué)計算與分析，它強(qiáng)調(diào)運(yùn)算的實(shí)時性。除了具備普通微處理器所強(qiáng)調(diào)的高速運(yùn)算和控制能力外，針對實(shí)時數(shù)字信號處理的特點(diǎn)， DSP在結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、指令流程上作了很大的改進(jìn)，其主要特點(diǎn)如下： 1．采用哈佛結(jié)構(gòu) DSP芯片普遍采用數(shù)據(jù)總線和程序總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)或改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)處理器的馮 諾伊曼結(jié)構(gòu)有更快的指令執(zhí)行速度。 (1) 馮 諾伊曼（ Von Neuman）結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)采用單存儲空間，即程序指令和數(shù)據(jù)共用一個存儲空間，使用單一的地址和數(shù)據(jù)總線，取指令和取操作數(shù)都是通過一條總線分時進(jìn)行。 當(dāng)進(jìn)行高速運(yùn)算時，不但不能同時進(jìn)行取指令和取操作數(shù)，而且還會造成數(shù)據(jù)傳輸通道的瓶頸現(xiàn)象，其工作速度較慢。 DSP芯片的特點(diǎn) 馮 諾伊曼結(jié)構(gòu) CPU I/O口 ROM 串行接口 RAM 并行接口 外部存儲 器接口 地址總線 AB 數(shù)據(jù)總線 DB DSP芯片的特點(diǎn) （ 2）哈佛（ Harvard）結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)采用雙存儲空間，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開，有各自獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，可獨(dú)立編址和獨(dú)立訪問，可對程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立傳輸，使取指令操作、指令執(zhí)行操作、數(shù)據(jù)吞吐并行完成，大大地提高了數(shù)據(jù)處理能力和指令的執(zhí)行速度，非常適合于實(shí)時的數(shù)字信號處理。 DSP芯片的特點(diǎn) 外部管理數(shù)據(jù)總線 外部管理地址總線 數(shù)據(jù)總線 數(shù)據(jù)地址總線 程序數(shù)據(jù)總線 程序地址總線 CPU I/O口 ROM 串行接口 RAM 并行接口 外部存儲 器接口 哈佛結(jié)構(gòu) 外部管理數(shù)據(jù)總線 外部管理地址總線 數(shù)據(jù)總線 數(shù)據(jù)地址總線 程序數(shù)據(jù)總線 程序地址總線 DSP芯片的特點(diǎn) （ 3）改進(jìn)型的哈佛結(jié)構(gòu) 改進(jìn)型的哈佛結(jié)構(gòu)是采用雙存儲空間和數(shù)條總線，即一條程序總線和多條數(shù)據(jù)總線。其特點(diǎn)如下： ① 允許在程序空間和數(shù)據(jù)空間之間相互傳送數(shù)據(jù)，使這些數(shù)據(jù)可以由算術(shù)運(yùn)算指令直接調(diào)用，增強(qiáng)芯片的靈活性； ② 提供了存儲指令的高速緩沖器（ cache）和相應(yīng)的指令，當(dāng)重復(fù)執(zhí)行這些指令時，只需讀入一次就可連續(xù)使用，不需要再次從程序存儲器中讀出，從而減少了指令執(zhí)行作需要的時間。如： TMS320C6700系列的 DSP，整個片內(nèi)程序存儲器都可以配制成高速緩沖結(jié)構(gòu)。 DSP芯片的特點(diǎn) 2．采用流水線技術(shù) 每條指令可通過片內(nèi)多功能單元完成取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行等多個步驟，實(shí)