【文章內(nèi)容簡介】 之一。復(fù)雜的大型處理機PCB板級設(shè)計和制造也存在一定困難，也是需要我國科研人員發(fā)揚用于拼搏的精神，繼續(xù)的刻苦努力。 DSP技術(shù)展望（1）向著集成DSP方向發(fā)展目前的DSP多數(shù)基于RISC（精簡指令集）結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是尺寸小、功耗低、性能高?，F(xiàn)在各DSP廠紛紛采用新工藝，將幾個DSP核、MPU核、專用處理單元、外圍電路單元和存儲單元集成在一個芯片上，成為DSP系統(tǒng)集成電路。（2）內(nèi)核結(jié)構(gòu)進一步改善多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重數(shù)據(jù)（SIMD）、超長指令字結(jié)構(gòu)（VLIM）、超標量結(jié)構(gòu)、超流水結(jié)構(gòu)、多處理、多線程及可并行擴展的超級哈佛結(jié)構(gòu)在高性能處理器將占據(jù)主導(dǎo)地位。（3）進一步降低功耗和幾何尺寸DSP的應(yīng)用范圍已經(jīng)擴大到人們工作生活的各個領(lǐng)域，特別是便攜式手持產(chǎn)品對于低功耗和尺寸的要求很高，提高DSP的運算速度和降低功耗尺寸是完全可能的。（4）與可編程器件結(jié)合DSP在許多新的領(lǐng)域的應(yīng)用要求它借助PLD或FPGA來滿足日益增長的處理要求。與常規(guī)DSP器件相比，F(xiàn)PGA器件配合傳統(tǒng)DSP器件可以處理更多的信道，來滿足無線通信、多媒體等領(lǐng)域的多功能和高性能的需求。 DSP芯片的特點DSP處理芯片，為了適應(yīng)信號處理運算的需要，結(jié)構(gòu)與通用的其他計算機或控制處理器相比，有較大的不同，主要的幾點為：（1）具有專用的算術(shù)單元，如硬件乘法器，DSP內(nèi)部設(shè)有硬件乘法器來完成乘法操作，以提高乘法速度。（2）具有特殊的總線結(jié)構(gòu)——哈佛結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使DSP具有獨立的地址和數(shù)據(jù)總線，可以同時取地址和操作數(shù)。（3）流水處理。流水技術(shù)使多個不同的操作可以同時執(zhí)行，處理器內(nèi)將每條指令的執(zhí)行分為取址、解碼、執(zhí)行等階段，不同的階段并行執(zhí)行，提高了程序執(zhí)行的效率和速度。（4）高速的芯片內(nèi)存儲器。DSP芯片一般內(nèi)部集成有程序和數(shù)據(jù)存儲器，訪問速度快，緩解總線接口的壓力，提高程序執(zhí)行的速度。DSP運算的特點是尋址操作。數(shù)據(jù)尋址范圍大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜但很有規(guī)律。例如FFT運算，它的蝶形運算相關(guān)節(jié)點從相鄰兩點直至跨越N/2間隔的地址范圍，每次變更都很有規(guī)律，級間按一定規(guī)律排列，雖然要運算log2N遍，但每級的地址都可以預(yù)測，也就是尋址操作很有規(guī)律而且可以預(yù)測。這就不同于一般的通用機，在通用機中對數(shù)據(jù)庫的操作，具有很大的隨機性，這種隨機尋址方式不是信號處理器的強項。 無論是專用的DSP芯片或通用DSP芯片在結(jié)構(gòu)考慮上都能適應(yīng)DSP運算的這些特點。而專用芯片在結(jié)構(gòu)上考慮的更加專業(yè)化，更為合理，因而有更高的運算速度。DSP微處理器（芯片）一般具有如下主要特點： （1）在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法； （2）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)； （3）片內(nèi)具有快速RAM，通常可通過獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問； （4）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持； （5）快速的中斷處理和硬件I/O支持； （6）具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器； （7）可以并行執(zhí)行多個操作； （8）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。DSP芯片的主要任務(wù)是面向?qū)崟r數(shù)字信號處理，強調(diào)處理的高速性，為此在結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、指令流程上，比普通微處理器均做了很大的改進。目前，主流DSP芯片通常具有如下主要特點：（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)或改進的哈佛結(jié)構(gòu),可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)，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。傳統(tǒng)的馮諾伊曼結(jié)構(gòu)是程序和數(shù)據(jù)公用一個存儲空間和單一的地址及數(shù)據(jù)總線，處理器要執(zhí)行任何指令時，都要先從儲存器中出取出指令解碼，再取操作數(shù)執(zhí)行運算。哈弗結(jié)構(gòu)是一種并行的體系結(jié)構(gòu)，他的主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問。與兩個存儲器相對應(yīng)的是系統(tǒng)中的4套總線：程序的數(shù)據(jù)總線與地址總線，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線與地址總線。這種分離的數(shù)據(jù)總線和地址總線可以允許在一個機器周期內(nèi)同時獲取指令字和操作數(shù)，從而提高了執(zhí)行速度，是數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。又由于程序和數(shù)據(jù)存儲器在兩個分開的空間中，因此取指和執(zhí)行能完全疊加。（2）采用多總線結(jié)構(gòu)。DSP芯片都采用多總線結(jié)構(gòu)，可同時進行取指令和多個數(shù)據(jù)存取操作，并由輔助寄存器自動增減地址進行尋址，使CPU在一個機器周期內(nèi)可多次對程序空間和數(shù)據(jù)空間進行訪問，大大地提高了DSP的運行速度。（3）采用流水線結(jié)構(gòu)。利用這種流水線結(jié)構(gòu)，使得取指、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行、存數(shù)等操作可以重疊進行，平均說來多數(shù)指令可以在一個機器周期內(nèi)完成。流水線處理器是有一系列處理電路組成，這些處理電路成為片段或部分。操作數(shù)流水經(jīng)每個片斷，即每個片段對操作數(shù)進行部分處理，操作數(shù)經(jīng)過所有片段后才能得到最后結(jié)果。流水線操作即把一條指令分成一系列步驟來完成，不同步驟完成不同任務(wù)，一條指令只有經(jīng)過所有步驟才能得到結(jié)果。這些步驟可以獨立進行，這樣就可以實現(xiàn)多條指令在不同步驟上的重復(fù)運行，從而加快運行速度。流水線分為指令流水線和算術(shù)流水線。指令流水線是指取指令和執(zhí)行指令的不同階段在流水線上進行；算術(shù)流水線是指算術(shù)操作的不同階段在流水線上進行。DAP芯片一般采用流水線方法。由于采用了流水線技術(shù)，DAP芯片可以單周期完成乘法累加運算，大幅提高了運算速度，減少了指令執(zhí)行的時間，從而增強了處理器的處理的能力。處理器可以并行處理2—4條指令，每條指令處于流水線的不同階段。（4）配有專用的硬件乘法累加器。DSP芯片都配有專用的硬件乘法累加器，可在一個周期內(nèi)完成一次乘法和一次累加操作，從而保證在單指令周期內(nèi)完成數(shù)字信號處理中用得最多的乘法累加運算。（5）具有特殊的尋址方式和指令。為了滿足信號處理的需要，在DSP的指令系統(tǒng)中，設(shè)計了特殊的尋址方式和指令。如：循環(huán)尋址方式可以使得信號處理中常用的卷積、相關(guān)、FIR濾波等算法容易地實現(xiàn)，位反轉(zhuǎn)尋址方式使得FFT算法的效率大大提高，F(xiàn)IRS和LMS指令專門用于完成系數(shù)對稱的FIR濾波器和LMS算法。（6）支持并行指令操作。某些指令如裝載和存儲、存儲和加/減、存儲和乘法、裝載和乘法等可以并行執(zhí)行，可以充分利用流水線特性，提高了代碼執(zhí)行效率。（7）硬件配置強，具有較強的接口功能。片內(nèi)除了具有串行口、定時器、主機接口（HPI）、DMA控制器、軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器等電路外，還配有中斷處理器、PLL、片內(nèi)存儲器、測試接口等單元電路，有的還有USB接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、看門狗定時器（Watchdog）、實時時鐘（RTC）、多媒體卡控制器（MMC）等電路，可以方便地構(gòu)成一個功能完善的嵌入式DSP應(yīng)用系統(tǒng)。（8）支持多處理器結(jié)構(gòu)。為了滿足多處理器系統(tǒng)的設(shè)計，許多DSP芯片都采用支持多處理器的結(jié)構(gòu)。如：TMS320C40提供了6個用于處理器間高速通信的32位專用通信接口，使處理器之間可直接對通，應(yīng)用靈活、使用方便。一些其他特殊功能的DSP芯片還具有一些專用的設(shè)計結(jié)構(gòu)，這里不一一列出?？傊?，DSP功能上的特點很大程度上是針對數(shù)字信號處理算法的特點，針對性地組成專用的結(jié)構(gòu)，以滿足處理的需要。當(dāng)然，與通用微處理器相比，DSP微處理器（芯片）的其他通用功能相對較弱些。DSP運算的基本類型是乘法和累加(MAC)運算，對于卷積、相關(guān)、濾波和FFT基本上都是這一類運算。這樣的運算可以用通用機來完成，但受到其成本和結(jié)構(gòu)的限制不可能有很高的實時處理能力。 對圖像處理技術(shù)而言，由于要處理的數(shù)據(jù)量大，計算復(fù)雜，計算中間結(jié)果精度要求高，因此需要選擇合適的DSP芯片。DSP芯片的選擇應(yīng)根據(jù)實際的應(yīng)用系統(tǒng)需要而確定。一般來說，選擇DSP芯片是應(yīng)考慮如下諸多因素：（1）確定選擇定點或浮點DSP。數(shù)字信號處理算法的數(shù)據(jù)格式有定點和浮點之分，而數(shù)字信號處理系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)格式?jīng)Q定了他所處理信號的處理精度、動態(tài)范圍和信噪比，且不同數(shù)據(jù)格式的易用性和開發(fā)難度也不一樣。選擇定點或浮點DSP，首先要看模數(shù)轉(zhuǎn)換時需要的比特數(shù)，如果圖像的每個像素小于16bit，則用16bit定點DSP即可；如果大于16bit。則需要用浮點DSP來捕捉更大的動態(tài)范圍。其次考慮算法的復(fù)雜度和經(jīng)濟問題。一般來說，浮點DSP芯片的運算精度高，動態(tài)范圍大，尋址空間大，指令運算能力較強，但功耗大、成本高、體積較大。定點DSP芯片的運算精度與浮點DSP芯片相同（數(shù)據(jù)位數(shù)和浮點芯片相同的情況下），而功耗、成本、體積與浮點DSP芯片相比較小，且易于實現(xiàn)，穩(wěn)定性好。（2）根據(jù)DSP芯片運算速度選擇具體芯片。運算速度是DSP芯片的一個最重要的性能指標，也是選擇DSP芯片時所需考慮的一個主要因素。DSP芯片的運算速度一般次用DSP的指令周期、單周期的乘加次數(shù)或采用數(shù)字信號處理中的基準程序，如用FFT和數(shù)字濾波等的執(zhí)行時間來測評DSP芯片的速度性能。（3）其他考慮因素。在硬件方面還應(yīng)考慮芯片的外部總線結(jié)構(gòu)、片上存儲器結(jié)構(gòu)、DMA功能、串行通信口和芯片間通信能力等因素，在軟件方面主要是開發(fā)軟件的功能性和時間要求等因素。目前，應(yīng)用最為廣泛的是TI（Texas Instruments）公司TMS320C6000系列的數(shù)字信號處理器，成為世界上最大的DSP芯片供應(yīng)商。TMS320C6000系列是IT公司于1997年推出的高端系列DSP。在該系列的DSP在芯片設(shè)計上，最初主要是針對多通道無線通信和有線通信的應(yīng)用領(lǐng)域，但由于其優(yōu)異的高速處理性能和出色的對外接口能力，使它也很適用于圖像處理領(lǐng)域。 TMS320C6000是基于超長指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)的通用DSP系列，具有超長指令字 能力。其內(nèi)部有8個并行處理單元，8條指令組成一個指令包，一個指令包的總字長為256位。它可在一個時鐘周期內(nèi)并行執(zhí)行8條指令。這種高速高性能數(shù)字信號處理器的工作頻率可達200MHz。該結(jié)構(gòu)包括定點的C62x、浮點的C67x和新的C64x。C64x和C62x代碼兼容，但結(jié)構(gòu)有顯著的加強，其初期的工作頻率可達750MHz。C67x在C62x8個功能塊中的6個上增加了浮點功能，因此其指令集是不同的。將TMS320C6000系列的數(shù)字信號處理器用于圖像處理系統(tǒng)開發(fā)中，勢必使技術(shù)水平得到進一步的提高?；贒SP的圖像處理系統(tǒng)的主要思想是利用C6000這樣具有強大運算能力的DSP來滿足圖像處理技術(shù)中運算速度和處理的實時性要求。以DSP為核心不見的圖像處理系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：（1）接口方便。DSP系統(tǒng)與其他以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備均互相兼容，同這樣的系統(tǒng)接口來實現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這樣的系統(tǒng)接口要容易的多；（2）編程方便。DSP系統(tǒng)中的可編程DSP芯片可使設(shè)計人員在開發(fā)過程中靈活方便的對軟件進行修改和升級；（3）穩(wěn)定性好。DSP系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫度及噪音的影響較小，可靠性高；（4）精度高。16位數(shù)字系統(tǒng)的精度可達10－5；（5）可重復(fù)性好。模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化的影響較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本上不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試、調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)；（6）集成方便。DSP系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。圖像處理計算量大且實時性要求高，雖然DSP芯片對提高處理速度有一定的優(yōu)越性，但是對如遙感圖像等大型且重要的圖像數(shù)據(jù)卻常常不能達到實時處理，因此需要采用多個DSP并行處理方式，進一步提高算法的運行速度，達到真正的實時處理。目前比較采用的是雙DSP結(jié)構(gòu)。兩片DSP芯片交替進行采集和處理工作，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和圖像壓縮的并行操作，也可將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)分為兩部分，同時進行數(shù)據(jù)讀取和編碼，實現(xiàn)片內(nèi)并行操作，進一步節(jié)省時間。3 CCS開發(fā)環(huán)境的應(yīng)用與仿真 CCS的安裝及簡介 CCS簡介CCS的全稱是Code Composer Studio，它是美國德州儀器公司（Texas Instrument,TI）出品的代碼開發(fā)和調(diào)試套件。TI公司的產(chǎn)品線中有一大塊業(yè)務(wù)是數(shù)字信號處理器（DSP）和微處理器（MCU），CCS便是供用戶開發(fā)和調(diào)試DSP和MCU程序的集成開發(fā)軟件。CCS 提供了配置、建立、調(diào)試、跟蹤和分析程序的工具，它便于實時、嵌入式信號處理程序的編制和測試，它能夠加速開發(fā)進程，提高工作效率。CCS 提供了基本的代碼生成工具，它們具有一系列的調(diào)試、分析能力。代碼生成工具奠定了CCS 所提供的開發(fā)環(huán)境的基礎(chǔ)。代碼生成工具包括：（1）C 編譯器(C piler)產(chǎn)生匯編語言源代碼。（2）匯編器(assembler) 把匯編語言源文件翻譯成機器語言目標文件，機器語言格式為公用目標格式（COFF）。（3）連接器(linker) 把多個目標文件組合成單個可執(zhí)行目標模塊。它一邊創(chuàng)建可執(zhí)行模塊，一邊完成重定位以及決定外部參考。連接器的輸入是可重定位的目標文件和目標庫文件，有關(guān)連接器的細節(jié)參見TMS320C54x 最優(yōu)化C 編譯器用戶指南和匯編語言工具用戶指南。（4）歸檔器（archiver）允許你把一組文件收集到一個歸檔文件中。歸檔器也允許你通過刪除、替換、提取或添加文件來調(diào)整庫，其細節(jié)參見TMS320C54x 匯編語言工具用戶指南。（5）助記符到代數(shù)匯編語言轉(zhuǎn)換公用程序（mnimonic_to_algebricassembly translator utility）把含有助記符指令的匯編語言源文件轉(zhuǎn)換成含有代數(shù)指令的匯編語言源文件，其細節(jié)參見TMS320C54x匯編語言工具用戶指南。（6）運行支持庫(run_time_support libraries) 它包括C 編譯器所支持的ANSI 標準運行支持函數(shù)、編譯器公用程序函數(shù)、浮點運算函數(shù)和C 編譯器支持的I/O 函數(shù)，其細節(jié)參見TMS320C54x 最優(yōu)化C 編譯器用戶指南。（7）十六進制轉(zhuǎn)換公用程序(hex conversion utility) 它把COFF 目標文件轉(zhuǎn)換成TITagged、ASCIIhex、 Intel、 MotorolaS、或Tektronix 等目標格式，可以把轉(zhuǎn)換好的文件下載到EPROM編程器中，其細節(jié)參見TMS320C54x 匯編語言工具用戶指南。（8）交叉引用列表器（cross_reference lister）它用目標文件產(chǎn)生