第2章 高速数字信号处理概述要点

②精度和动态范围。数据字宽、定点／浮点； ③是否具备本应用所需要的某些特殊功能。如串行通 信口、片内语音处理功能、片内 A ／ D 或 D ／ A 集成、 与特定外部设备接口等等； ④ 价格成本。不单指芯片本身价格，还包括必需的外 部配套器件成本； ⑤ 体积。同样包括了构成最小系统的电路尺寸； ⑥ 功耗。是否有低功耗（3.3 V／2.5 V）型号，能否 电池供电； ⑦ 应用开发时间周期。应具备完善的开发调试工具， DSP本身易学易用； ⑧ 型号延续性。产品有较好的应用前景，或者未来有 兼容／替代型号，这要求生产厂家有相当实力，能在 芯片生产或开发调试系统上得到其它厂商的支持。
§2.2 数字信号处理器的应用领域
随着DSP性能的迅速提高和成本价格的大幅度下 降， DSP 的应用范围不断扩大，成为当前产量和销售 量增长最快的电子产品之一。 DSP 应用几乎遍及整个 电子领域，常见的典型应用有： 1．通用数字信号处理 数字滤波、卷积、相关、FFT、希尔伯特变换、 自适应滤波、窗函数、波形发生等。 2．通信 高速调制解调器、编译码器、自适应均衡器、传 真、程控交换机、蜂窝移动电话、数字基站、回音消 除、噪声抑制、电视会议、保密通信、卫星通信、 TDMA/FDMA/CDMA等各种通信制式。随着互联网络 的迅猛发展，DSP又在网络管理／服务、信息转发、 IP电话等新领域扮演着重要角色，而软件无线电的提 出和发展进一步增强了DSP在无线通信领域的作用。
图2.1 冯· 诺依曼结构
图2.2 哈佛结构及改进的哈佛结构
⑤许多DSP带有DMA通道控制器，以及串行通信口等， 配合片内多总线结构，数据块传送速度大大提高； ⑥配有中断处理器和定时控制器，可以很方便地构成 一个小规模系统； ⑦具有软、硬件等待功能，能与各种存储器接口。 数字信号处理器（DSP）、通用微处理器（MPU）、 微控制器（MCU）三者的区别在于：DSP面向高性能、 重复性、数值运算密集型的高速实时处理；MPU大量 应用于计算机；MCU则适用于以控制为主的处理过程。 DSP本身具有以下功能，支持其高速实时数字信 号处理应用：
因此， DSP 的运算速度要高得多，以 FFT 、相关为 例，高性能 DSP 不仅处理速度是 MPU 的 4 ～ 10 倍，而且 可以流水无间断地完成数据的高速实时输入／输出 。 DSP 结构相对单一，普遍采用汇编语言编程，其任务完 成时间的可预测性比结构和指令复杂（超标量指令）、 严重依赖于编译系统的 MPU 强得多。以一个 FIR 滤波器 实现为例，每输入一个数据，对应每阶滤波器系数需要 一次乘、一次加、一次取指、二次取数，有时还需要专 门的数据移动操作， DSP 可以单周期完成乘加并行操作 以及 3 ～ 4 次数据存取操作，而普通 MPU 至少需要 4 个指 令周期，因此，在相同的指令周期和片内指令缓存条件 下，DSP是MPU运算速度的4倍以上。 正是基于DSP的这些优势，在新推出的高性能通用 微处理器（如 Pentium MMX、PentiumⅢ、Pentium 4等） 片内已经融入了 DSP的功能，而以这种通用微处理器构 成的计算机在网络通信、语音图像处理、高速实时数据 分析等方面的效率大大提高。
当选择一种 DSP 满足上述要求后，还应选择更具 体的类型，如速度、工作温度范围、封装等等。许多 DSP都提供了具备片内ROM型的产品，片内ROM可以 将定型的程序代码固化到 DSP 片内，从而减少了系统 的体积、功耗、电磁辐射干扰，速度也有所提高，当 大批量生产时可降低成本。但这种ROM几乎都是一次 性写入的，而且需要由厂家专门制作，其批量起点高 （万片），带来了很大的资金投入和生产风险，因此 对 普 通 使用 者 ，这些 ROM 是无用的 。有 些 DSP 如 TM320C31／C40，其片内有少量 ROM固化为加电引 导程序，供各种加载模式下自动调用。有些 DSP 如 TM320F206，其片内则有FLASH。
不同类型 DSP 适用于不同场合。早先 DSP 都是定 点的，可以胜任大多数数字信号处理应用，但在某些 场合，如雷达、声纳信号处理中，数据的动态范围很 大，按定点处理会发生数据溢出或下溢出，严重时处 理无法进行。如果用移位定标或用定点模拟浮点运算， 程序执行速度将大大降低。浮点 DSP 的出现解决了这 些问题，它拓展了数据动态范围，常见的 16bit 定点 DSP 动态范围仅 96dB ，每增加 1bit ，动态范围只增加 6dB ；而 32bit 浮点数据的动态范围为 1536dB 。浮点 DSP 的处理性能在许多情况下要比定点 DSP 高得多。 得益于VLSI技术，32位浮点DSP在各项指标上都远好 于定点 DSP，它可以完成 32位定点运算，具备更大的 存储访问空间，而且最新发展的并行 DSP 大都采用浮 点格式，还有一点就是高级语言（如C语言）编译器主 要面向浮点 DSP ，这使得普通计算机上的源码程序可 以移植到DSP设计中而无需大的修改。

3．语音处理 语音识别、合成、矢量编码、语音信箱。 4．图形／图像处理 三维图像变换、模式识别、图像增强、动画、电 子出版、电子地图等。 5．自动控制 磁盘、光盘、打印机伺服控制、发动机控制。 6．仪器仪表 测量数据谱分析、自动监测及分析、暂态分析、 勘探、模拟试验。 7．医学电子 助听器、CT扫描、超声波、心脑电图、核磁共振、 医疗监护等。 8．军事与尖端科技
雷达和声纳信号处理、雷达成像、自适应波束合成、 阵列天线信号处理、导弹制导火控系统、战场C3I系统、 导航、全球定位 GPS、目标搜索跟踪、尖端武器试验、 航空航天试验、宇宙飞船、侦察卫星。 9．计算机与工作站 阵列处理机、计算加速卡、图形加速卡、多媒体 计算机。 10．消费电子 数字电视、高清晰度电视、图像／声音压缩解压 器、VCD／DVD／CD播放机、电子玩具、游戏机、数 字留言／应答机、汽车电子装置、音响合成、住宅电 子安全系统、家电电脑控制装置。
DSP处理系统中除了DSP外，另外的不可缺器件 就 是 存 储 器 ， 一 个 独 立 系 统 必 须 有 EPROM 、 EEPROM、FLASH、SSD（固态盘）等非易失性存储 器来存放程序、初始化数据、表格等，为了采用低成 本、小体积的存储器，就要选用那些带有8bit字节方式 加载功能的DSP，如 TMS320C31等，而 TM320C30 则必须用32 bit的存储加载。当DSP的片内存储器不够 使用时，有必要采用可读写的片外存储器， SRAM 速 度高，与 DSP 连接简单，能被 DSP 全速访问（无等 待 ） ， 但 成 本 高 、 容 量 小 、 体 积 大 ， DRAM 则 与 SRAM 完全相反。为了克服 DRAM 必须刷新所带来的 不 利 影 响， 已经有一种带一页 SRAM 缓存的增强型 DRAM（EDRAM），除了DSP访问跨页时需要插入等 待周期外，大多数情况下，EDRAM几乎与SRAM的性 能一样，但容量大得多，而且DSP无须考虑对EDRAM 中DRAM的刷新。
目前DSP峰值运算能力达每秒24亿次，但相对于 所要求的每秒几百亿、上千亿次运算来说仍远远不够。 而且VLSI技术的发展已经受到开关速度极限的限制， 提高DSP主频所遇到的难度和付出的成本越来越大， 单处理器性能的提高空间受到限制，为此，引入了并 行处理技术。其实在许多DSP的多级流水处理、相乘 ／累加同时进行等功能中已经融入了片内并行技术， TMS320C6X进一步发展了超长指令字（VLIW）和多 流水线技术。在每条长达256bit的指令字中规定了多条 流水线、多个处理单元的并行操作。DSP并行技术的 主流则是向片外／片间并行发展，因为这种并行可以 不受限制地扩大并行规模。以TMS320C4X和 ADSP2106X为代表的并行DSP为用户提供了设计大规 模并行系统的硬件基础，它们都提供了6个通信（链路） 口，并为共享总线系统的设计提供了相应的总线控制 信号线，可以组成松耦合的分布式并行系统和紧耦合 的总线共享式并行系统。
①DSP普遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结 构及改进的哈佛结构，比传统处理器的冯·诺依曼结构 有更高的指令执行速度； ② DSP 大多采用流水技术，即每条指令都由片内多个 功能单元分别完成取指、译码、取数、执行等多个步 骤，从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令 的执行时间； ③片内有多条总线可以同时进行取指令和多个数据存 取操作，并且有辅助寄存器用于寻址，它们可以在寻 址访问前或访问后自动修改内容，以指向下一个要访 问的地址； ④针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘法累加运 算的特点， DSP 大都配有独立的乘法器和加法器，使 得同一时钟周期内可以完成相乘、累加两个运算，许 多 DSP 可以同时进行乘、加、减运算，大大加快了 FFT的蝶形运算速度；
高，如果它能获得市场的承认而得到广泛应用，其价 格会大幅度下降。 另外，各种 DSP面向不同应用领域，有其各自的 结 构 和 功 能 特 点 。 以 TMS320 系 列 为 例 ， TMS320F240 适合于电机控制， TMS320C54X 适合于 通信及语音处理，TMS320C80则面向多媒体应用，雷 达、声纳信号处理所需要的大动态范围和高速实时处 理需要 TMS320C4X ／ C67X这样的高性能或并行 DSP。 综合起来，选择合适的 DSP所应考虑的主要方面有： ①性能指标； 指令速度 MIPS 或运算速度 MFLOPS ，考虑是否 必须多片并行处理。高速实时信号处理要求 DSP 处理 系统必须在限定时间内完成任务，或者在允许的输出— 输入响应迟延范围内，系统的数据输入／输出吞吐率 必须达到一定速度。
①单指令周期的乘、加操作； ②特殊的高速寻址方式，可以在其它操作进行的同时完 成地址寄存器指针的修改，并具有循环寻址、位反序 寻址功能。循环寻址用于FIR滤波器，可以省去相当于 迟延线功能的大量数据移动，用于 FFT 则可以紧凑地 存放旋转因子表；位反序利于FFT的快速完成； ③针对高速实时处理所设计的存储器接口，能在单指令 时间内完成多次存储器或I/O设备访问； ④专门的指令流控制，具有无附加开销的循环功能以及 延迟跳转（相当于预跳转）指令； ⑤专门的指令集和较长的指令字，一个指令字同时控制 片内多个功能单元的操作； ⑥单片系统，易于小型化设计； ⑦低功耗，一般为 0.5～4W，采用低功耗技术的DSP只 有 0.1W，可用电池供电如TI的TMS320C54X系列， 对嵌入式系统很适合；而新型MPU，如 Pentium等功 耗达20～50W。