第一讲DSP技术概述

第一讲DSP技术概述数宇信号处理技术的发展数字信号处理技术已广泛应用于数字通信、雷达、遥感、声纳、语音合成、图像处理、测量与控制，高清晰度电视、数字音响、多媒体技术、地球物理学、生物医学工程、振动工程以及机器人等各个领域。随着科学技术的发展，其研究范围和应用领域还在不断地发展和扩大。数宇信号处理技术的优点精度高灵活性大可靠性高时分复用数宇信号处理技术的实现方式软件实现法硬件实现法软硬件结合实现法（DSP技术）DSP芯片的定义DSP芯片，又称数字信号处理器，是一种特别适用于进行实时数字信号处理的微处理器。DSP芯片的特点哈佛(Havard)结构早期的微处理器内部大多采用冯·诺依曼(Von-Neumann)结构．其片内程序空间和数据空间是合在一起的，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行的。当高速运算时。不但不能同时取指令和取操作数，而且还会造成传输通道上的瓶颈现象。DSP内部采用的是程序空司和数据空间分开的哈佛(Havard)结构，允许同时取指令(来自程序存储器)和取操作数（来自数据存储器）。而且，还允许在程序空间和数据空间之间相互传送数据，即改进的哈佛结构。DSP芯片的特点多总线结构许多DSP芯片内部都采用多总线结构，这样可以保证在一个机器周期内可以多次访问程序空间和数据空间TMS320C54x内部有P、C、D、E等4条总线(每条总线又包括地址总线和数据总线)，可以在一个机器周期内从程序存储器取1条指今、从数据存储器读2个操作数和向数据存储器写1个操作数，大大提高了DSP的运行速度DSP来说，内部总线是个十分重要的资源，总线越多，可以完成的功能就越复杂DSP芯片的特点流水线结构DSP执行一条指令，需要通过取指、译码、取操作和执行等几个阶段在DSP中，釆用流水线结构，在程序运行过程中这几个阶段是重叠的，这样，在执行本条指今的同时，还依次完成了后面3条指今的取操作数、译码和取指，将指今周期降低到最小值利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证数字信号处理中用得最多的乘法累加运算可以在单个指令周期内完成DSP芯片的特点多处理单元DSP内部一般都包括有多个处理单元，如算术逻辑运算单元(ALU)、辅助寄存器运算单元(ARAU)、累加器(ACC)以及硬件乘法器（MUL）等。它们可以在一个指令周期内同时进行运算例如，当执行一次乘法和累加的同时，辅助寄存器单元已经完成了下一个地址的寻址工作，为下一次乘法和累加运算做好了充分的准备。因此，DSP在进行连续的乘加运算时，每一次乘加运算都是单周期的DSP的这种多处理单元结构，特别适用于FIR和IIR滤波器许多DSP的多处理单元结构还可以将一些特殊的算法．例如FFT的位码倒置寻址和取模运算等，在芯片内部用硬件实现以提高运行速度。DSP芯片的特点特殊的DSP指令为了更好地满足数字信号处理应用的需要，在DSP的指令系统中，设计了一些特殊的DSP指令。TMS320C25中的MAD(乘法、累加和数据移动)指令，具有执行LT、DMOV、MPY和APAC等4条指令的功能TMS320C54x中的FIRS和LM5指令，则专门用于系数对称的F1R滤波器和LMS算法。DSP芯片的特点指令周期短早期的DSP的指令周期约400ns，采用4usNMOs制造上艺．其运算速度为5MIPS(每秒执行5百万条指令)随着集成电路工艺的发展，DSP广泛采用亚微米CMOS制造工艺，其运行速度越来越快TMS320C54x运行速度可达100MIPSTMS320C6203的时钟为300MHZ，运行速度达到2400MIPSDSP芯片的特点运算精度高早期DSP的字长为8位，后来逐步提高到16位、24位、32位为了防止运算过程中溢出，有的累加器达到40位一批浮点DSP，例如TMS320C3x、TMS320C4x、ADSP21020等，则提供了更大的动态范围DSP芯片的特点硬件配置强新一代DSP的接口功能愈来愈强片内具有串行口、主机接口(HPI)、DMA控制器、软件控制的等待状态产生器、锁相环时钟产生器实现在片仿真符合IEEE1149.1标准的测试访问口，更易于完成系统设计许多DSP芯片都可以工作在省电方式，使系统功耗降低DSP芯片的现状和发展第一个DSP芯片诞生于20世纪70年代末。以AMI公司的S2811和Intel公司的2920为代表的第一代DSP芯片，其片内都还没有单周期硬件乘法器1980年以后，DSP芯片取得了突飞猛进的发展，主要表现在以下几个方面DSP芯片的现状和发展制造工艺早期DSP采用4UM的N沟道MOS(NMOS)工艺现在的DSP则普遍采用亚微米CMOS工艺，达到0.25um或0.18umDSP芯片的引脚数量从40个左右增加到200个以上需要设计的外围电路越来越少，每MIPS的成本、体积和功耗都有很大的下降DSP芯片的现状和发展存储器容量20世纪80年代初的DSP，片内程序存储器和数据存储器只有几百个单元，有的片内没有ROM目前，DSP片内的数据和程序存储器可达几十K字此外，对片外程序存储器和数据存储器的寻址能力也大大增强，可分别达到16M×46位和4G×40位以上DSP芯片的现状和发展内部结构目前，DSP芯片内部广泛采用多总线、多处理单元和多级流水线结构，加上完善的接口功能，使DSP的系统功能、数据处理能力以及与外部设备的通信功能大大增强TMS320C6201CPU中包含8个并行的处理单元，一个时钟周期可以执行8条指令，每秒最高进行16亿次的定点运算DSP芯片的现状和发展运行速度将近20年的发展，使DSP的指令周期从400ns缩短到10ns以下，相应的运行速度从2.5MIPS提高到2000MIPS以上具有代表性的是，TI公司的TMS320C6201DSP，执行一次1024点复数FFT运算的时间只有66usDSP芯片的现状和发展运算精度和动态范围由于输入信号动态范围以及迭代算法可能产生误差积累问题，因此对单片DSP的精度提出了较高的要求DSP的字长从8位增加到16位、24位、32位，累加器的长度也增加到40位超长字指令字(VLIW)结构和高性能的浮点DSP的出现，扩大了数据处理的动态范围DSP芯片的现状和发展开发工具20世纪90年代推出的DSP，都有较为完善的软件和硬件开发工具Simulator软件仿真器Emulator在线仿真器C编译器DSP芯片的发展趋势发展高速、高性能DSP器件DSP芯片的发展趋势高度集成化集滤波、A/D、D/A、ROM、RAM和DSP内核于一体的模拟数字混合式DSP芯片将有较大的发展和应用DSP芯片的发展趋势低功耗低电压进一步降低功耗，开发低电压DSP内核（目前有的DSP内核电压已降到3.3V和2.5V），使其更适用于个人通信机、便携式计算机和便携式仪器仪表。DSP芯片的发展趋势开发专用DSP芯片为了满足系统级芯片的设计，开发基于DSP内核的ASIC会有较大的发展DSP芯片的发展趋势提供更加完善的开发环境特别是开发效率更高的、优化的C编译器和代数式指令系统，以克服汇编语言程序可读性和可移植性较差的不足，缩短开发周期DSP芯片的发展趋势扩大应用领域DSP芯片将向航空、航天、雷达、声纳、图像、影视、医疗设备、家用电器等众多领域渗透，进一步扩大应用范围