数字信号处理器(DSP)简介

数字信号处理器(digital signal processor,DSP)是一种用于数字信号处理的可编程微处理器，它的诞生与快速发展，使各种数字信号处理算送得以实时实现，为数字信号处理的研究和应用打开了新局面，提供了低成本的实际工作环境和应用平台，推动了新的理论和应用领域的发展。目前，DSP技术在通信、航空、航天。雷达、工业控制、医疗、网络及家用电器等各个领域都得到了广泛应用。

1.1 DSP系统和芯片的结构特点

1.1.1 DSP系统的基本结构

通过传感数将非电物理量转换为模拟电信号，预处理一般包括放大器和滤波器两部分，信号经过放大器的放大变为具有一定幅值的模拟输入信号，而滤波器(低通或带通)的作用则是滤除输入模拟信号中的无用频率成分和噪声，避免采样后发生频谱混叠失真。A/D转换器的任务是在满足奈奎斯特采样定理的条件下，将模拟信号转换为数字信以，DSP负责对输入数字信号进行某些算法，如卷积、相关、滤波或快速傅里叶变换(FFT)等。经过处理之后的数字信号再进行DA转换，由于转换输出的模拟信号中含有许多高频成分，因此要通过重建滤波器滤除这些高频信号，以获得平滑的模拟输出信号。

实际上，为了完成数字信号处理的任务，除了图1-1所示的DSP基本结构之外，还必须在DSP系统中配置人机接口、存储器、通信接口、测试接口和电源设备等。

1.1.2 DSP芯片的结构特点

1.采用改进型哈佛结构

计算机的总线结构分为：冯·谐依曼(von Neumann)结构和哈佛(Harvard)结构。

多数微处理器和单片机采用冯·诺依曼结构，线和数据总线，CPU只能使用同一条地址总线去如图1-2所示。(在这种结构中只含一条内部地址总分时传送程序地址和数据地址，使用同一条数据总线去分别读取程序代码或进行数据的读写访问)因此，对总线是分时使用，对指令的执行也只能串行进行，而不能并行进行，因而处理速度慢，数据吞吐量低。(程序和数据共用同一套总线，对程序和数据需分时续写)

哈佛总线结构如图1-3(a)所示，程序存储器和数据存储器是分开的，有多条独立的程序总线和数据总线，其中PAB、PDB和PCB分别是程序地址总线、程序数据总线和程序控制总线，DAB、DDB和DCB分别是数据地址总线、数据数据总线和数据控制总线，它们可同时对程序和数据进行寻址和读写，因此，使指令的执行和对数据的访问能够并行进行，使CPU的运行速度和处理能力都得以大幅度提高。

DSP采用的是进型哈佛总线结构如图1-3(b)所示。其改进之处是：在数据总线和程序总线之间有局部的交叉连接，也就是说，在程序空间和数据空间之间有相互访问的能力，从而增加了存储器访问的灵活性，提高了DSP的运行效率。DSP的哈佛总线改进之处主要体现在下列3点。

⑴片内RAM可以映像数据空间，也可以映像至程序空间当片内RAM被映像至程序空间时，意味着可以利用程序总线来访问数据。

⑵片内ROM可以映像至程序空间，也可以映像至数据空间。当片内ROM被映像至数据空间时，就可利用数据总线去读取程序空间。

⑶具有根装裁(boatloader) 功能，允许将片外的指令代码调至片内数据存储器，供CPIL零等待运行。

2.流水线操作

CPU执行一条指令通常分为4个阶段。

⑴F：取指(fetch)。

⑵D：译码(decode)。

⑶O：取操作数(operand)。

⑷X：执行(execute)。

dsp技术综述 发展现状

所谓流水线操作就是一条指令的不同阶段分在连续的几个周期上，通过不同的硬件去完成指定的不同执行阶段(称为级 )。

3.片内集成有硬件乘法器和乘加单元

一般微处理器中没有硬件乘法器，在做乘法运算时，需要调用内部运算序列去执行一系列相加和移位运算才能完成，所以要花费多个时钟周期。例如，TMS320C54x系列片内集成有一个17位X17位的硬件乘法器和40位的加法器，可以高速完成乘法-累加运算(MAC);TMS320C6000系列片内有2个硬件乘法器，支持在单周期内完成16位×16位、16位×32位的乘法，并支持双16位×16位和4个8位×8位的乘法运算。

4.功能强大的CPU结构

除了上面提到的硬件乘法器和乘加单元，DSP的CPU一般还包括：算术逻辑运算单元(ALU)、累加器、加法器、桶型移位器、程序地址产生和数据地址产生等部分。

5.硬件循环重复机制

许多DSP芯片具有重复操作指令和支持重复操作的专用硬件，通过它们可以自动地重复执行单条指令或一段指令。

6.复合操作指令

所谓复合操作是指在一条单字单周期指令中可以分别完成多个操作任务。

7.嵌入式功能

DSP片内配置有大量片内外设，如图1-8所示。一般包括程序存储器、数据存储器、定时/计数器、串行口、主机接口、外部存储器接口、电源控制、JTAG接口等。开发者不用外扩很多器件，既可组成独立的应用系统。DSP芯片具有很强的扩展接口的能力，可无缝连接片外存储器和一系列I/O器件。由于DSP既有高速的数字信号处理能力，又有强大的嵌入式接口能力，因此在嵌入式系统中获得了广泛应用。

DSP技术的发展

1.3DSP芯片的分类、性能及其应用

1.3.1 DSP芯片的分类填题

1、按照数据格式分类

按照数据格式分为定点DSP和浮点DSP。

2、按照芯片用途分类

按照芯片用途分为通用型DSP和专用型DSP。

3、按照芯片结构分类

按照芯片的结构有多种分类法。例如，静态DSP是指在某种颇率范围内的任问题率上都能正常工作的DSP芯片，除运行速度有变化外，没有性能的下降：一致性DSP是指它们的指令集、CPU结构及管脚都相互兼容的DSP芯片，如TI公司的TMS320系列DSP等。

为某种应用且的而专门设计的ASIC系统，它只涉及一种或一种以上的自然类型数据的处理，如音频、视频、语音的压缩和解压缩、调制和解调器等，其内部部是由基本DSP运算单元构建的，包括FIR、11R、FFT、DCT和卷积码的编码/解码器及RS编码/解码器等。其特点是计算密集、数据量和运算量都很大。

积木式结构由乘法器、存储器、控制电路等单元逻辑电路搭接面成，这种结构方式也称为硬连线逻辑电路，具有成本低、速度高等特点，但没有可编程能力。目前主要用于接收机的前端的某些高频操作中。

1.3.2DSP芯片的性能

DSP芯片种类繁多，结构差别很大，使用场合有所不同，因此，目前对DSP性能优劣的衡量还没有一个统一的标准。不同厂商的产品指标甚至不具备可比性。下述技术指标只是从运算速度的角度描述了DSP的处理能力或性能，仅作为系统设计时的一种参考。

(1)MIPS，百万条指令/秒。例如，TMS320C6416在时钟为1GHz时的峰值性能可达8000MIPS。

(2)MOPS，百万次操作/秒。操作包括CPU操作、地址计算、数据访问及I/O操作等，该项指标用于评价DSP的处理能力。如 TMS320C6201在时钟为200MHz时的峰值性能可达2400MOPS。

(3)MFLOPS，百万次浮点操作/秒。浮点操作包括浮点乘法、加法、减法、浮点数据的存储等操作。该项指标是衡量浮点DSP处理能力的重要指标。如ADSP-TS201S的峰值性能可达14400MFLOPS。

(4)MBPS:百万位/秒。该项指标用于衡量DSP的数据传输能力，通常指总线或1/O口的带宽，它是对总线或I/O口数据吞吐率的量度。如TMS320C6000的总线时钟为200MHz时，其总线数据吞吐率为800MBPS。

(5)MAC执行时间：完成一次乘法累加运算所需要的时间。大部分DSP可在单周期内完成一次MAC。

(6)FFT执行时间：完成一个N点FFT运算所需要的时间。FFT是数字信号处理中的典型运算，因此用FFT执行时间作为DSP的性能衡量标准更具有实用价值。

1.3.3DSP芯片的应用