数字信号处理器原理及应用第一章 数字信号处理器
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数字信号处理器原理及应用
主要内容
第一章 数字信号处理器 （ DSP ）简介
一. 为什么用DSP 二. DSP特点 三. DSP的种类 四. TI的DSP 五. DSP应用领域 六. DSP系统开发步骤 七. DSP知识平台 八. DSP课程内容 九. 教学模式 十.参考书
(1) 对密集的乘法运算的支持
GPP不是设计来做密集乘法任务的，即使 是一些现代的GPP，也要求多个指令周期来做 一次乘法。而DSP处理器使用专门的硬件来实 现单周期乘法。DSP处理器还增加了累加器寄 存器来处理多个乘积的和。累加器寄存器通常 比其他寄存器宽，增加称为结果bits的额外 bits来避免溢出。 同时，为了充分体现专门的乘法-累加硬件 的好处，几乎所有的DSP的指令集都包含有显 式的MAC指令。
c. DSP
采用哈佛结构，程序和数据分开存储 采用一系列措施保证数字信号的处理速 度，如对FFT的专门优化
采用哈佛结构的DSP处理器
哈佛结构的指令流的定时关系
改进的哈佛结构
(2) DSP典型系统
2 、 DSP芯片的主要特点
哈佛(Harvard)结构和改进的哈佛结构 专用的硬件乘法器 指令系统的流水线操作 片内外两级存储结构 特殊的DSP指令 快速指令周期
采用冯.诺依曼结构的处理器
冯.诺依曼结构的处理器取指令过程
b.Single Chip Computer/ Micro Controller Unit（MCU）
除通用CPU所具有的ALU和CU，还有存储 器（RAM/ROM）寄存器，时钟，计数器， 定时器，串/并口，有的还有A/D，D/A INTEL MCS/48/51/96（98） MOTOROLA HCS05/011
传统上，GPP使用冯.诺依曼存储器结构。这种结构中， 只有一个存储器空间通过一组总线（一个地址总线和一 个数据总线）连接到处理器核。通常，做一次乘法会发 生4次存储器访问，用掉至少四个指令周期。 大多数DSP采用了哈佛结构，将存储器空间划分成两个， 分别存储程序和数据。它们有两组总线连接到处理器核， 允许同时对它们进行访问。这种安排将处理器存贮器的 带宽加倍，更重要的是同时为处理器核提供数据与指令。 在这种布局下，DSP得以实现单周期的MAC指令。 还有一个问题，即现在典型的高性能GPP实际上已包含 两个片内高速缓存，一个是数据，一个是指令，它们直 接连接到处理器核，以加快运行时的访问速度。从物理 上说，这种片内的双存储器和总线的结构几乎与哈佛结 构的一样了。然而从逻辑上说，两者还是有重要的区别。
(2) 存储器结构
GPP使用控制逻辑来决定哪些数据和指令字存储在片 内的高速缓存里，其程序员并不加以指定（也可能 根本不知道）。与此相反，DSP使用多个片内存储器 和多组总线来保证每个指令周期内存储器的多次访 问。在使用DSP时，程序员要明确地控制哪些数据和 指令要存储在片内存储器中。程序员在写程序时， 必须保证处理器能够有效地使用其双总线。 此外，DSP处理器几乎都不具备数据高速缓存。这是 因为DSP的典型数据是数据流。也就是说，DSP处理 器对每个数据样本做计算后，就丢弃了，几乎不再 重复使用。
一、为什么用DSP
1、DSP含义
Digital Signals Processing 数字信号 处理（方法、技术）
Digital Signals Processor 数字信号 处理器
作为一个案例研究，我们来考虑数字领域里最通常 的功能：滤波。简单地说，滤波就是对信号进行处理， 以改善其特性。例如，滤波可以从信号里清除噪声或静 电干扰，从而改善其信噪比。为什么要用微处理器，而 不是模拟器件对信号做滤波呢？我们来看看其优越性： 模拟滤波器（或者更一般地说，模拟电路）的性能要 取决于温度等环境因素。而数字滤波器则基本上不受环 境的响。 数字滤波易于在非常小的宽容度内进行复制，因为其 性能并不取决于性能已偏离正常值的器件的组合。 一个模拟滤波器一旦制造出来，其特性（例如通带频 率范围）是不容易改变的。使用微处理器来实现数字滤 波器，就可以通过对其重新编程来改变滤波的特性。
(6) 在通用的计算机系统中使用加速卡来实现。
▲
二、ຫໍສະໝຸດ BaiduSP的特点
1、DSP与MCU的比较 2、DSP特点
(1)几种微处理器Microprocessor
a. 通用处理器（GPP）
采用冯.诺依曼结构，程序和数据的存储空间 合二而一 8086/286/386/486/Pentium/Pentium II/ Pentium III Pentium Ⅳ PowerPc 64-bit CPU（SUN Sparc，DEC Alpha, HP） CISC 复杂指令计算机, RISC 精简指令计算机 采取各种方法提高计算速度，提高时钟频率， 高速总线，多级Cashe，协处理器等
实时性
高频信号的处理
可以处理包括微波毫米波乃 按照奈准则的要求， 至光波信号 受S/H、A/D和处理速 度的限制
3、一个硬件系统适用于不同的软件
4、数字信号处理的实现
(1) 在通用的微机上用软件实现。 (2)用单片机来实现。
(3)利用专门用于信号处理的可编程DSP来实现。
(4)利用特殊用途的DSP芯片来实现。 (5)用FPGA开发ASIC芯片实现数字信号处理算法。
2、信号处理方式的比较
比较因素 模拟方式 数字方式
改变软件设置A/D的位 数和计算机字长算法 修改设计的灵活性 修改硬件设计， 或调整硬件参数 精度 元器件精度
可靠性和可重复性 受环境温度、湿度、噪声、 不受这些因素的影响 电磁场等的干扰和影响大 大规模集成 DSP器件体积小、功能 尽管已有一些模拟集成电路， 但品种较少、集成度不高、 强、功耗小、一致性好、 价格较高 使用方便、性能/价格 比高 除开电路引入的延时外，处 由计算机的处理速度决 理是实时的 定
DSP的特点
考虑一个数字信号处理的实例，比如有限冲击 响应滤波器（FIR）。用数学语言来说，FIR滤 波器是做一系列的点积。取一个输入量和一个 序数向量，在系数和输入样本的滑动窗口间作 乘法，然后将所有的乘积加起来，形成一个输 出样本。 类似的运算在数字信号处理过程中大量地重复 发生，使得为此设计的器件必须提供专门的支 持，促成了了DSP器件与通用处理器（GPP）的 分流。
主要内容
第一章 数字信号处理器 （ DSP ）简介
一. 为什么用DSP 二. DSP特点 三. DSP的种类 四. TI的DSP 五. DSP应用领域 六. DSP系统开发步骤 七. DSP知识平台 八. DSP课程内容 九. 教学模式 十.参考书
(1) 对密集的乘法运算的支持
GPP不是设计来做密集乘法任务的，即使 是一些现代的GPP，也要求多个指令周期来做 一次乘法。而DSP处理器使用专门的硬件来实 现单周期乘法。DSP处理器还增加了累加器寄 存器来处理多个乘积的和。累加器寄存器通常 比其他寄存器宽，增加称为结果bits的额外 bits来避免溢出。 同时，为了充分体现专门的乘法-累加硬件 的好处，几乎所有的DSP的指令集都包含有显 式的MAC指令。
c. DSP
采用哈佛结构，程序和数据分开存储 采用一系列措施保证数字信号的处理速 度，如对FFT的专门优化
采用哈佛结构的DSP处理器
哈佛结构的指令流的定时关系
改进的哈佛结构
(2) DSP典型系统
2 、 DSP芯片的主要特点
哈佛(Harvard)结构和改进的哈佛结构 专用的硬件乘法器 指令系统的流水线操作 片内外两级存储结构 特殊的DSP指令 快速指令周期
采用冯.诺依曼结构的处理器
冯.诺依曼结构的处理器取指令过程
b.Single Chip Computer/ Micro Controller Unit（MCU）
除通用CPU所具有的ALU和CU，还有存储 器（RAM/ROM）寄存器，时钟，计数器， 定时器，串/并口，有的还有A/D，D/A INTEL MCS/48/51/96（98） MOTOROLA HCS05/011
传统上，GPP使用冯.诺依曼存储器结构。这种结构中， 只有一个存储器空间通过一组总线（一个地址总线和一 个数据总线）连接到处理器核。通常，做一次乘法会发 生4次存储器访问，用掉至少四个指令周期。 大多数DSP采用了哈佛结构，将存储器空间划分成两个， 分别存储程序和数据。它们有两组总线连接到处理器核， 允许同时对它们进行访问。这种安排将处理器存贮器的 带宽加倍，更重要的是同时为处理器核提供数据与指令。 在这种布局下，DSP得以实现单周期的MAC指令。 还有一个问题，即现在典型的高性能GPP实际上已包含 两个片内高速缓存，一个是数据，一个是指令，它们直 接连接到处理器核，以加快运行时的访问速度。从物理 上说，这种片内的双存储器和总线的结构几乎与哈佛结 构的一样了。然而从逻辑上说，两者还是有重要的区别。
(2) 存储器结构
GPP使用控制逻辑来决定哪些数据和指令字存储在片 内的高速缓存里，其程序员并不加以指定（也可能 根本不知道）。与此相反，DSP使用多个片内存储器 和多组总线来保证每个指令周期内存储器的多次访 问。在使用DSP时，程序员要明确地控制哪些数据和 指令要存储在片内存储器中。程序员在写程序时， 必须保证处理器能够有效地使用其双总线。 此外，DSP处理器几乎都不具备数据高速缓存。这是 因为DSP的典型数据是数据流。也就是说，DSP处理 器对每个数据样本做计算后，就丢弃了，几乎不再 重复使用。
一、为什么用DSP
1、DSP含义
Digital Signals Processing 数字信号 处理（方法、技术）
Digital Signals Processor 数字信号 处理器
作为一个案例研究，我们来考虑数字领域里最通常 的功能：滤波。简单地说，滤波就是对信号进行处理， 以改善其特性。例如，滤波可以从信号里清除噪声或静 电干扰，从而改善其信噪比。为什么要用微处理器，而 不是模拟器件对信号做滤波呢？我们来看看其优越性： 模拟滤波器（或者更一般地说，模拟电路）的性能要 取决于温度等环境因素。而数字滤波器则基本上不受环 境的响。 数字滤波易于在非常小的宽容度内进行复制，因为其 性能并不取决于性能已偏离正常值的器件的组合。 一个模拟滤波器一旦制造出来，其特性（例如通带频 率范围）是不容易改变的。使用微处理器来实现数字滤 波器，就可以通过对其重新编程来改变滤波的特性。
(6) 在通用的计算机系统中使用加速卡来实现。
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二、ຫໍສະໝຸດ BaiduSP的特点
1、DSP与MCU的比较 2、DSP特点
(1)几种微处理器Microprocessor
a. 通用处理器（GPP）
采用冯.诺依曼结构，程序和数据的存储空间 合二而一 8086/286/386/486/Pentium/Pentium II/ Pentium III Pentium Ⅳ PowerPc 64-bit CPU（SUN Sparc，DEC Alpha, HP） CISC 复杂指令计算机, RISC 精简指令计算机 采取各种方法提高计算速度，提高时钟频率， 高速总线，多级Cashe，协处理器等
实时性
高频信号的处理
可以处理包括微波毫米波乃 按照奈准则的要求， 至光波信号 受S/H、A/D和处理速 度的限制
3、一个硬件系统适用于不同的软件
4、数字信号处理的实现
(1) 在通用的微机上用软件实现。 (2)用单片机来实现。
(3)利用专门用于信号处理的可编程DSP来实现。
(4)利用特殊用途的DSP芯片来实现。 (5)用FPGA开发ASIC芯片实现数字信号处理算法。
2、信号处理方式的比较
比较因素 模拟方式 数字方式
改变软件设置A/D的位 数和计算机字长算法 修改设计的灵活性 修改硬件设计， 或调整硬件参数 精度 元器件精度
可靠性和可重复性 受环境温度、湿度、噪声、 不受这些因素的影响 电磁场等的干扰和影响大 大规模集成 DSP器件体积小、功能 尽管已有一些模拟集成电路， 但品种较少、集成度不高、 强、功耗小、一致性好、 价格较高 使用方便、性能/价格 比高 除开电路引入的延时外，处 由计算机的处理速度决 理是实时的 定
DSP的特点
考虑一个数字信号处理的实例，比如有限冲击 响应滤波器（FIR）。用数学语言来说，FIR滤 波器是做一系列的点积。取一个输入量和一个 序数向量，在系数和输入样本的滑动窗口间作 乘法，然后将所有的乘积加起来，形成一个输 出样本。 类似的运算在数字信号处理过程中大量地重复 发生，使得为此设计的器件必须提供专门的支 持，促成了了DSP器件与通用处理器（GPP）的 分流。