dsp概述(精)

DSP概述[转]默认分类2006-11-12 12:12:12 阅读44 评论1 字号：大中小订阅引言：DSP（digital singnal processor）是一种微处理器，它接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。

DSP最突出的两大特色是强大数据处理能力和高运行速度，加上具有可编程性，实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，有业内人士预言，DSP将是未来集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素。

DSP的发展历程：在DSP出现之前，MPU（微处理器）承担着数字信号处理的任务，但它的处理速度较低，无法满足高速实时的要求。

70年代时， DSP的理论和算法基础被提出。

但当时DSP仅仅局限于在教科书，即使是研制出来的DSP系统也是由分立组件组成的，其应用领域仅限于军事、航空航大部门。

到了20世纪60年代，计算机和信息技术的飞速发展为DSP提供了长足进步的机会。

1982年美国德州仪器公司（TI公司）生产出了第一代数字信号处理器（DSP）TMS320C10，这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却是MPU的几十倍，这种数字信号处理器一面世就在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。

接下来，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。

80年代后期，第三代DSP芯片问世，运算速度得到进一步提高，这使其应用范围逐步扩大到了通信和计算机领域。

90年代是DSP发展的重要时期，在这段时间第四代和第五代DSP器件相继出现。

目前的DSP属于第五代产品，与第四代相比，第五代DSP系统集成度更高，它已经成功地将DSP芯核及外围组件综合集成在单一芯片上。

这种高集成度的DSP芯片在通信、计算机领域大行其道，近年来已经逐渐渗透到人们日常消费领域，前景十分看好。

2 特点及优势:图示为一个典型的DSP系统。

图中的输入信号可以有各种各样的形式，例如，它可以是麦克风输出的语音信号或是电话线来的已调数据信号，也可以是编码后在数字链路上传输或存储在计算机里的摄像机图像信号等。

输入信号进行带限滤波和抽样后，进行A/D（Analog to Digital）变换将信号变换成数字比特流。

根据奈奎斯特抽样定理，为保证信息不丢失，抽样频率至少必须是输入带限信号最高频率的2倍。

DSP芯片的输入是A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号，它对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作（MAC）。

数字处理是DSP的关键，这与其他系统（如电话交换系统）有很大的不同，因为在交换系统中，处理器进行路由选择，它并不对输入数据进行修改。

因此虽然两者都是实时系统，但两者的实时约束条件却差异很大。

最后，经过处理后的数字样值再经D/A（Digital to Analog）变换转换为模拟样值，之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。

上面的DSP系统模型是一个典型模型，并非所有的DSP系统都必须具有模型中的所有部件。

例如语音识别系统在输出端并不是连续的波形，而是识别结果，如数字、文字等；有些输入信号本身就是数字信号（如CD：Compact Disk），因此就不必进行模数变换了。

具体而言，与传统的模拟信号处理系统相比，DSP系统具有以下优点：（1）接口简单方便：数字信号的电气特性非常简单，不同DSP系统相互连接时，在硬件接口上容易实现。

而且在数据流接口上，各系统间只要遵循特定的标准协议即可。

（2）精度高、稳定性好：与模拟信号处理不同的是，数字信号处理仅受到两化误差和有限字长的影响，处理过程不引入其它噪声，因此具有较高的信噪比。

另外，模拟系统的性能受到元器件参数性能影响比较大，而数字系统基本不变，因此数字系统更便于测试、调试及批量生产。

（3）编程方便、容易实现复杂的算法：在DSP系统中，DSP芯片提供了一个高速计算平台，系统功能依赖于软件编程实现。

当其与现代信号处理理论和计算数学相结合时，可以实现复杂的数字信号处理功能。

（4）集成方便：现代DSP芯片都是将DSP芯核及其外围电路综合集成在单一芯片上。

这种结构便于设计便携式高集成度的数字产品。

1 硬件特点（1）Modified Harvard架构：DSP属于Modified Harvard架构，它具有两条内部总线：数据总线、程序总线。

程序与数据存储空间分开，各有独立的地址总线和数据总线，取指和读数可以同时进行。

（2）独立的硬件乘法器：乘法指令在单周期内完成，优化卷积、数字滤波、FFT、相关、矩阵运算等算法中的大量重复乘法。

（3）采用流水作业：每条指令的执行划分为取指令、译码、取数、执行等若干步骤，由片内多个功能单元分别完成。

相当于多条指令并行执行，从而大大提高了运算速度。

（4）独立的DMA总线和控制器：有一组或多组独立的DMA总线，与CPU的程序、数据总线并行工作，在不影响CPU工作的条件下，DMA速度已达800Mbyte/s以上。

（5）循环寻址（Circular addressing）：位倒序（bit-reversed）等特殊指令使FFT、卷积等运算中的寻址、排序及计算速度大大提高。

1024点FFT的时间已小于1μs。

（6）JTAG（Joint Test Action Group）标准测试接口（IEEE 1149标准接口）：这便于对DSP作片上的在线仿真和多DSP条件下的调试。

（7）多处理器接口：多个处理器可以很方便的并行或串行工作以提高处理速度。

2 软件特点（1）立即数寻址：操作数为立即数，可直接从指令中获取。

例：MOV A，＠0x16；将常数0x16送给寄存器A。

（2）直接寻址：如TI公司的TMS320系列芯片将数据存储器分为512页，每页128字。

设置一个数据页指针DP（Data Pointer），用9-bit指向一个数据页，再加上一个7-bit的页内偏移地址，形成16-bit的数据地址。

这样有利于加快寻址速度。

（3）间接寻址：①8个辅助寄存器，由一个辅助寄存器指针指定一个辅助寄存器算术单元作16-bit无符号数运算，决定一个新的地址，装入辅助寄存器中的一个。

②8个辅助寄存器的内容相当灵活，可以装入、加上、减去立即数；可以从数据存储器装人地址；还可以作一些变址寻址。

③由于采用反向迸位，得以实现位倒序寻址。

（4）独特的乘法指令：例：MAC X0，Y0，A X：（R0）＋，X0 Y：（R4）＋N4，YO这条指令命令DSP56300：将寄存器X0和Y0中的数相乘，结果加到Acc A中，将寄存器R0所指的调存储器地址中的值装入寄存器X0，将寄存器R4所指的Y存储器地址中的值装入寄存器Y0 R0的值加1，寄存器N4的值加给R4。

另外，DSP芯片作为可编程超大集成电路（VLSI）器件，通过可下载的软件和固件来实现数字信号处理功能。

它除了具备普通微处理器的运算和控制功能外，还针对高数据传输速率、数值运算密集的实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统和指令流程设计上做了很大的改进。

3 问题与挑战虽然DSP具有很多优点，并已日臻成熟，但它仍面临许多问题和挑战。

首先，如何合理地安排数据流程，使之在DSP的各执行单元间无冲突地顺利执行，是DSP开发人员面临的一道难题。

设计DSP比较复杂，将算法映射到DSP具体目标硬件上时，必须使用汇编语言，而不能采用高层次编程语言，此外还必须对器件的并行执行机制十分了解。

这使得DSP的编程设计很大程度上局限于汇编语言，这正是提高软件开发效率的一大瓶颈。

其次，平行结构方面也存在问题。

要实现更高的吞吐量，就必须在特定单位时间内处理更多的数据位。

数据级平行度由更宽的数据字、向量化和数据流结构来表示。

数据字的宽度大，每个指令周期指令就可处理更多的数据，提高了每个时钟周期可处理的数据位数。

然而增加的数据和指令宽度以及随之而来的数据处理吞吐量提高要付出一定的代价。

当代码密度和数据宽度与应用相匹配时，它们能有所帮助作用，但当数据字宽度与处理器不相同时，它们会带来很多麻烦。

接下来，由于标准的内存总线和接口已无法为系统中每个MAC的千兆字节数据传输率提供支持，大量可用的片上高速缓存对系统的总吞吐量而言越来越重要。

此外，系统其余部份能否与高速处理器相配也是亟待解决的大问题，带有2个ALU单元的双MAC处理器每一时钟周期可能需要4个数据字，或每秒需要4千兆多个数据字。

另外，CPU速度的快速提升和价格的持续下降也是DSP发展面临的挑战。

DSP制造商只有两种选择：要么加速DSP的发展，要么退出竞争。

各个制造商必须以多元化投资转到单一化投资，确立以DSP为主要发展的产品，集所有技术、所有产品于DSP。

除了以上这些问题，对于简单的信号处理任务，如与模拟交换线的电话接口采用DSP使成本增加；DSP 系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题；DSP系统消耗的功率较大；DSP技术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善等等也是不足之处。

4 应用:DSP最初应用于专业数据通信和语音处理，如各种专用调制解调器、声码器和数据加密等。

慢慢的，DSP 应用扩展到广泛的民用产品，诸如硬盘驱动器、通用调制解调器、数字答录机、无线通信终端等等。

90年代中期，在数字GSM手机应用和无线基站应用中获得了巨大的成功的同时，DSP开始全面拓展到新兴应用，并在宽带通信、数字控制、数字音频、数字视频等众多市场上捷报连连。

经过这些年的发展，目前DSP 产品的应用已经几乎扩大到人们的学习、工作和生活的各个方面，DSP进入了前所未有的黄金时代。

通信是DSP最重要的应用市场。

在无线通信应用中，手机终端都有DSP核心，而且2.5G和3G终端的发展都必须依赖DSP平台。

同时，高性能DSP对无线基础设施来说举足重轻，新一带无线交换机和基站将会通过采用更低功耗的DSP来缩小空间达到易于装备目的；而在宽带网络应用上，从局端到接入端设备，DSP的身影更是无处不在。

众所周知，在计算机中CPU是主角，但是目前在一些嵌入式应用中DSP已经在发挥作用，比如作为影像加速器、实时媒体编解码器、嵌入式调制解调器等。

在某些场合的应用中，集成有RISC处理器的DSP平台甚至已经可以胜任主处理器的工作，从这点就可以体现出通信与计算机应用的融合。

另外，随着数字化进程的加速，更多的数字消费类产品中都采用了DSP。

虽然在激光影音产品中大量采用专用解码芯片，但涉及到音视频的编码，还有多制式的解码应用，DSP仍然是不可替代的。

在传统白色家电中，DSP应用也在逐渐深入，如数字变频应用已由空调延伸到冰箱和洗衣机。