【正文】 DSP緒論 內(nèi)容提要 進入 21世紀之后，數(shù)字化浪潮正在席卷全球，數(shù)字信號處理器 DSP（ Digital Signal Processor） 正是這場數(shù)字化革命的核心，無論在其應(yīng)用的廣度還是深度方面，都在以前所未有的速度向前發(fā)展。 首先對數(shù)字信號處理進行了概述，介紹了 DSP的基本知識；接著介紹了可編程 DSP芯片，對 DSP芯片的發(fā)展、特點、分類、應(yīng)用和發(fā)展趨勢作了論述；然后介紹 DSP系統(tǒng)，對 DSP系統(tǒng)的構(gòu)成、特點、設(shè)計過程以及芯片的選擇進行了詳細的介紹；最后對DSP產(chǎn)品作了簡要介紹。 數(shù)字信號處理是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字的形式對信號進行分析、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行有效的傳輸與應(yīng)用。如數(shù)學領(lǐng)域中的微積分、概率統(tǒng)計、隨機過程、數(shù)字分析等都是數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)工具。 2022年 5月 27日 DSP原理及應(yīng)用 23 第 1章 DSP緒論 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）。 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)字信號處理的實現(xiàn) 2022年 5月 27日 DSP原理及應(yīng)用 24 第 1章 DSP緒論 1．算法的研究 算法的研究是指如何以最小的運算量和存儲器的使用量來完成指定的任務(wù)，如 20世紀 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。 2022年 5月 27日 DSP原理及應(yīng)用 25 第 1章 DSP緒論 2．數(shù)字信號處理的實現(xiàn) 數(shù)字信號處理的實現(xiàn)是用硬件、軟件或軟硬結(jié)合的方法來實現(xiàn)各種算法。不適合于嵌入式應(yīng)用，專用性強，應(yīng)用受到限制； ③ 用單片機實現(xiàn)，用于不太復雜的數(shù)字信號處理。用戶無需編程，但專用性強，應(yīng)用受到限制； ⑥ 用基于通用 DSP核的 ASIC芯片實現(xiàn)。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、主機接口、 DMA、 定時器等 )，組成用戶的 ASIC。 在 20世紀 80年代以前，由于受實現(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?？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、控制等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展起到十分重要的作用。 第一階段， DSP的雛形階段（ 1980年前后）。 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，使芯片的運算速度、數(shù)據(jù)處理能力和運算精度受到了很大的限制。 這個時期的代表性器件主要有： Intel2920（ Intel）、?PD7720（ NEC）、 TMS32022（ TI）、 DSP16（ ATamp。 2022年 5月 27日 DSP原理及應(yīng)用 28 第 1章 DSP緒論 DSP芯片的發(fā)展概況 第二階段， DSP的成熟階段（ 1990年前后）。 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)。 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。 2022年 5月 27日 DSP原理及應(yīng)用 29 第 1章 DSP緒論 DSP芯片的發(fā)展概況 第三階段， DSP的完善階段（ 2022年以后）。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。 目前 ,DSP芯片的發(fā)展非常迅速。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。除了具備普通微處理器所強調(diào)的高速運算和控制能力外 ,針對實時數(shù)字信號處理的特點 ,在處理器的結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、指令流程上作了很大的改進 ,其主要特點如下： 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)或改進的哈佛結(jié)構(gòu) ,比傳統(tǒng)處理器的馮 2022年 5月 27日 DSP原理及應(yīng)用 31 第 1章 DSP緒論 1．采用哈佛結(jié)構(gòu) (1) 馮 當進行高速運算時，不但不能同時進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。諾伊曼（ Von Neuman） 結(jié)構(gòu) 圖 馮 微處理器的哈佛結(jié)構(gòu)如圖 。其特點如下： 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)運算指令直接調(diào)用 ,增強芯片的靈活性； ② 提供了存儲指令的高速緩沖器（ cache） 和相應(yīng)的指令 ,當重復執(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。 2022年 5月 27日 DSP原理及應(yīng)用 36 第 1章 DSP緒論 DSP芯片的特點 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。 2022年 5月 27日 DSP原理及應(yīng)用 37 第 1章 DSP緒論 DSP芯片的特點 3．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，實現(xiàn)多條指令的并行執(zhí)行，從而在不提高系統(tǒng)時鐘頻率的條件下減少每條指令的執(zhí)行時間。 時鐘 取指令 指令譯碼 取操作數(shù) 執(zhí)行指令 T1 T2 T3 T4 N N1 N2 N3 N+1 N N1 N2 N+2 N+1 N N1 N+3 N+2 N+1 N 圖 四級流水線操作 利用這種流水線結(jié)構(gòu)，加上執(zhí)行重復操作，就能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。如矩陣運算、 FIR和 IIR濾波、 FFT變換等專用信號的處理。 如： TMS320C54x中的 FIRS和 LMS指令，專門用于完成系數(shù)對稱的 FIR濾波器和 LMS算法。如： TMS320C54x的運算速度為 100MIPS， 即 100百萬條 /秒。 2022年 5月 27日 DSP原理及應(yīng)用 40 第 1章 DSP緒論 DSP芯片的特點 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) 。 2022年 5月 27日 DSP原理及應(yīng)用 41 第 1章 DSP緒論 DSP芯片的分類 為了適應(yīng)數(shù)字信號處理各種各樣的實際應(yīng)用 ， DSP廠商生產(chǎn)出多種類型和檔次的 DSP芯片 。 1. 按基礎(chǔ)特性分類 2. 按用途分類 3. 按數(shù)據(jù)格式分類 2022年 5月 27日 DSP原理及應(yīng)用 42 第 1章 DSP緒論 DSP芯片的分類 1．按基礎(chǔ)特性分類 這種分類是依據(jù) DSP芯片的工作時鐘和指令類型進行的。 如果 DSP芯片在某時鐘頻率范圍內(nèi)的任何頻率上都能正常工作，除計算速度有變化外，沒有性能的下降，這類 DSP芯片一般稱之為靜態(tài) DSP芯片。 如果有兩種或兩種以上的 DSP芯片，它們的指令集和相應(yīng)的機器代碼及管腳結(jié)構(gòu)相互兼容，則這類 DSP芯片被稱之為一致性的 DSP芯片。 2022年 5月 27日 DSP原理及應(yīng)用 43 第 1章 DSP緒論 DSP芯片的分類 2. 按用途分類 按照用途，可將 DSP芯片分為通用型和專用型兩大類。 專用型 DSP芯片： 是為特定的 DSP運算而設(shè)計，通常只針對某一種應(yīng)用，相應(yīng)的算法由內(nèi)部硬件電路實現(xiàn)，適合于數(shù)字濾波、 FFT、 卷積和相關(guān)算法等特殊的運算。 2022年 5月 27日 DSP原理及應(yīng)用 44 第 1章 DSP緒論 DSP芯片的分類 3．按數(shù)據(jù)格式分類 根據(jù)芯片工作的數(shù)據(jù)格式 ， 按其精度或動態(tài)范圍 ， 可將通用 DSP劃分為定點 DSP和浮點 DSP兩類 。 若數(shù)據(jù)以浮點格式工作的 —— 浮點 DSP芯片。 2022年 5月 27日 DSP原理及應(yīng)用 45