DSP技术应用现状以及发展趋势(精)

DSP技术应用现状以及发展趋势

一、数字信号处理结构。

实时数字信号处理系统：采集系统+DSP芯片

非实时系统：pc机上进行处理系统的模拟与仿真或仿真库+DSP芯片。

1 DSP、MCU、MPU的关系

微控制器MCU通俗的称呼是单片机，它与微处理器MPU是微机技术的两大分支。MPU的发展动力是人类对无止境的海量数值运算的需求，速度越来越快。MCU的发展是为了满足被控制对象的要求，向高可靠性、低功耗、低成本发展。一般MCU的引脚数在60以下，MCU以8位机为主、32位机为辅。有趋势提高MCU的运算功能，将DSP集成到MCU中，比如32位的MC68356集成了Motorola的DSP56002。

微控制器MCU一直存在两种基本结构：哈佛(Harvard)结构和冯诺依曼

(von Meumann)结构，还可进一步讲是对应成复杂指令集计算机CISC和精简指令计算机RISC。冯诺伊曼结构具有单一总线PRAM或DRAM都映射到同一地址空间，总线宽度与CPU类型匹配。哈佛结构具有独立的程序总线和数据总线，CISC的指令一般是微码miccode，每条指令由CPU解码为许多基本指令，基于CISC的微控制器一般很复杂，都采用冯诺伊曼结构，所需要的程序存储器比RISC产品少。微码在CPU产生而限制了CISC器件的带宽，其指令集也比RISC器件大。

68000的MPU是准32位的MPU，内部32位，外部总线是16位。苹果机就是用68000系列，它的运行分成系统态和用户态，其设计是面向分时多任务或实时操作系统的，68000的总线后来变成VME总线标准。到68020就是全32位了。 1991年IEEE1149.1即JTAG的公布满足了IC制造商的措施需求，也给ASIC、MCU、MPU、DSP、PLD、FPGA等的用户带来方便。一般十万门以上的IC都有JTAG接口，1993年IEEE1149.5对JTAG作了修正(5线接口)。IC的测试分成晶片级、IC封装级、电路板与系统极，JTAG完成了前两者的测试。适于68000系列的32位机的开发工具ICD32是一段扁平电缆，一端接IC的JTAG的5线接口，一端通过25芯头(里面有GAL)接PC机并口。传统上，微控制器MCU与微处理器MPU是两大分支，而DSP是MCU的一种特殊变形。但是从实质讲，MPU多半是CISC，除了DSP之外的MCU也是CISC。而DSP是RISC。所以比较时更适合DSP与MPU相比，MPU适宜于相同管理这样的应用

中，以条件判断为主的应用，以软件管理的操作系统为核心的产品，MPU的设计侧重于不妨碍程序的

流程，以保证操作系统支持功能及转移预测功能等。而DSP侧重于保证数据的顺利通行，结构尽量简单。

2 冯·诺依曼结构和哈佛结构

1945年，冯·诺依曼首先提出了“存储程序”的概念和二进制原理，后来，人们把利用这种概念和原理设计的电子计算机系统统称为“冯.诺曼型结构”计算机。冯.诺曼结构的处理器使用同一个存储器，经由同一个总线传输。

冯.诺曼结构处理器具有以下几个特点：

必须有一个存储器；

必须有一个控制器；

必须有一个运算器，用于完成算术运算和逻辑运算；

必须有输入和输出设备，用于进行人机通信。

另外，程序和数据统一存储并在程序控制下自动工作

冯·诺依曼的主要贡献就是提出并实现了“存储程序”的概念。由于指令和数据都是二进制码，指令和操作数的地址又密切相关，因此，当初选择这种结构是自然的。但是，这种指令和数据共享同一总线的结构，使得信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈，影响了数据处理速度的提高。

在典型情况下，完成一条指令需要3个步骤，即：取指令、指令译码和执行指令。从指令流的定时关系也可看出冯·诺依曼结构与哈佛结构处理方式的差别。举一个最简单的对存储器进行读写操作的指令，指令1至指令3均为存、取数指令，对冯.诺曼结构处理器，由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取，经由同一总线传输，因而它们无法重叠执行，只有一个完成后再进行下一个。

哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码後得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度，如Microchip公司的 PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。

哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和存储的，执行时可以预先读取下一条指令。

目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多，除了上面提到的Microchip 公司的PIC系列芯片，还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安谋公司的ARM9、ARM10和ARM11。

哈佛结构是指程序和数据空间独立的体系结构, 目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈.

例如最常见的卷积运算中, 一条指令同时取两个操作数, 在流水线处理时, 同时还有一个取指操作, 如果程序和数据通过一条总线访问, 取指和取数必会产生冲突, 而这对大运算量的循环的执行效率是很不利的.

哈佛结构能基本上解决取指和取数的冲突问题.

而对另一个操作数的访问, 就只能采用Enhanced 哈佛结构了, 例如像TI那样,数据区再split, 并多一组总线. 或向AD 那样, 采用指令cache, 指令区可存放一部分

二、DSP应用方向，其他cpu和控制器融合趋势、发展方向 DSP技术在各领域的创新应用

2.1 通信领域的应用

近年来，随着通信技术的飞速发展，DSP已经成为信号与信息处理领域里一门十分重要的新兴学科，它代表着当今无线系统的主流发展方向。现在，通信领域中许多产品都与DSP密切联系，例如，Modem、数据加密、扩频通信、可视电话等。而寻找DSP芯片来实现算法最开始的目标是在可以接受的时间内对算法做仿真，随后是将波形存储起来，然后再加以处理。图1所示，给出了一个典型的DSP应用系统。数字蜂窝电话是DSP最为重要的应用领域。因DSP具有强大的计算能力，使得移动通信的蜂窝电话重新崛起，并创造了一批诸如GSM、CDMA等全数字蜂窝电话网[3]。由于采用DSP 技术，蜂窝电话的更新换代变得更为容易，只需在统一的硬件平台基础上，通过软件的不断升级生产各式各样的新款手机。