第七章 数字信号处理的硬件实现

DSP的发展历史和现状
世界上第一个单片DSP芯片是1978 年AMI公司宣布的S2811，1979年Intel公 司宣布的商用的可编程器件2920是DSP 芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内 部都没有现代DSP芯片所必须有的单周 期乘法器。1980年，日本NEC公司推出 的PD7720是第一个具有乘法器的商用 DSP芯片。
通用型DSP芯片具有较丰富的硬件接口和 很强的可编程性，适用于开发和研究。专用 DSP芯片是针对某种具体应用而设计的，其运 算是用硬件直接实现的，其内部结构规则简 单，达到很高的数据吞吐率；片内有许多并 行工作的运算单元，因此专用DSP在做指定运 算时，速度远高于通用DSP。常见的有FFT专 用DSP、卷积/相关器、复乘加器和求模/相角 等。
1982年TI公司推出其第一代DSP芯 片，迄今，已成为世界上最大的DSP芯 片供应商。TI公司先后推出定点系列的 TMS320C1x、TMS320C2x、 TMS320C2xx、TMS320C5x、 TMS320C54x和TMS320C55x；浮点系列 的TMS320C3x、TMS3204x和 TMS320C67xx；多处理器TMS320C8x； 专用DSP系列AV7xxx。
AD公司推出了一系列具有自己特色 的DSP芯片，其中，16位定点DSP芯片 ADSP-21xx中有ADSP-2101/2103/2105、 ADSP-2111/2115、ADSP-2161/2162/2164 以及ADSP-2171/2181等。
Product Number Description ADSP-2141L SafeNet DSP Security System on a Chip ADSP-2184N 16-Bit, 80MIPS, 1.8V, 2 Serial Ports, Host Port, 20KB RAM ADSP-2185N 16-Bit, 80MIPS, 1.8V, 2 Serial Ports, Host Port, 80KB RAM ADSP-2186N 16-Bit, 80MIPS, 1.8V, 2 Serial Ports, Host Port, 40KB RAM ADSP-2187N 16-Bit, 80MIPS, 1.8V, 2 Serial Ports, Host Port, 160KB RAM ADSP-2188N 16-Bit, 80MIPS, 1.8V, 2 Serial Ports, Host Port, 256KB RAM ADSP-2189N 16-Bit, 80MIPS, 1.8V, 2 Serial Ports, Host Port, 192KB RAM ADSP-2192 DSP Microcomputer ADSP-2188M 16-bit, 75 MIPS, 2.75v, 2 serial ports, host port, 256 KB RAM ADSP-2186M 16-Bit, 75 MIPS, 2.5V, 2 Serial Ports, Host Port, 40 KB RAM ADSP-2185M 16-bit, 75 MIPS, 2.5v, 2 serial ports, host port, 80 KB RAM ADSP-2184 16-bit, 40 MIPS, 5v, 2 serial ports, host port, 20KB RAM ADSP-2184L 16-bit, 40 MIPS, 3.3v, 2 serial ports, host port, 20KB RAM ADSP-2189M 16-bit, 75 MIPS, 2.5v, 2 serial ports, host port, 192 KB RAM ADSP-2187L 16-bit, 52 MIPS, 3.3v, 2 serial ports, host port, 160 KB RAM ADSP-2185L 16-bit, 52 MIPS, 3.3v, 2 serial ports, host port, 80 KB RAM ADSP-2186L 16-bit, 40 MIPS, 3.3 v, 2 serial ports, host port, 40 KB RAM ADSP-2185 16-bit, 33 MIPS, 5 v, 2 serial ports, host port, 80 KB RAM
(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 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。
DSP
比较
单片机
单片机有如下特点： (1)具有位处理能力，强调控制和事务处理 功能。 (2)价格低廉，如低档单片机价格只有人民 币几元钱。 (3)开发环境完备，开发工具齐全，应用资 料众多。 (4)后备人才充足。国内大多数高校都开设 了单片机课程和单片机实验。
DSP芯片的分类
按数据格式分 定点 浮点 按用途分 通用 专用

浮点DSP可以完成整数和实数运算，它 的数据格式分为阶码和尾数(有一位可以设为 符号位)，通常浮点DSP的数据宽度是32位的， 它用24位组成尾数，用8位组成阶码，在实际 应用中，尾数定义精度，阶码表示动态范围。
定点DSP完成的是整数运算或小数运算， 数值格式中不包含阶码，通常定点DSP是16位 或24位数据宽度。一个24位的定点DSP提供的 精度与浮点DSP的24位数据尾数提供的精度是 相同的，但是，它无法提供一个大的动态范 围。这样，在对定点DSP进行运算时就必须考 虑“溢出”问题，“溢出”是指当DSP进行运 算时，超出其动态范围的情况，“溢出”也 为定点DSP的编程带来一定的困难。
ADSP-2186 16-bit, 40 MIPS, 5v, 2 serial ports, host port, 40 KB RAM ADSP-2104 16-bit, 20 MIPS, 5v, 2 serial ports ADSP-2104L 16-bit, 13 MIPS, 3.3v, 2 serial ports ADSP-2183 16-bit, 52 MIPS, 3.3 v, 2 serial ports, host port, 80 KB RAM ADSP-2181 16-bit, 40 MIPS, 5v, 2 serial ports, host port, 80 KB RAM ADSP-21msp58 Fully-integrated, single-chip DSP ADSP-2165 DSP Microcomputers With ROM ADSP-2166 DSP Microcomputers With ROM ADSP-2171 16-bit, 33 MIPS, 5v, 2 serial ports, host port ADSP-2173 16-bit, 20 MIPS, 3.3v, 2 serial ports, host port ADSP-2161 DSP Microcomputers With ROM ADSP-2163 DSP Microcomputers With ROM ADSP-2164 DSP Microcomputers With ROM ADSP-2103 16-bit, 10.2 MIPS, 3.3v, 2 serial ports ADSP-2162 DSP Microcomputers With ROM ADSP-2115 16-bit, 25 MIPS, 5v, 2 serial ports ADSP-2105 16-bit, 20 MIPS, 5v, 1 serial port ADSP-2101 16-bit, 25 MIPS, 5v, 2 serial ports
(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；
第七章 数字信号处理的硬件实现
提 纲

从模拟信号到数字信号 DSP特点 DSP芯片的分类 DSP的发展历史与现状 AD公司定点DSP TI公司的DSP DSP的应用 DSP的开发 DSP的发展趋势
DSP特点
DSP除了具备普通微处理器所强调的高速 运算和控制功能外，针对实时数字处理，在处 理器结构、指令系统、指令流程上做了很大的 改进，其特点如下： (1) DSP普遍采用了数据总线和程序总线分 离的哈佛(Harvard )结构及改进的哈佛结构，比 传统处理器的冯· 诺依曼(Von Neຫໍສະໝຸດ Baidumann)结构有 更高的指令执行速度；
(2)DSP大多采用流水线操作，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；
要执行一条DSP指令需要通过取指令、 译码、取操作数和执行等几个阶段， DSP的 流水线是指它的几个阶段在程序执行过程中 是重叠的，即在执行本条指令的同时，下面 的三条指令也依次完成了取操作数、译码、 取指令的操作。换句话说，在每个指令周期 内，四条不同的指令处于激活状态，每条指 令处于不同的阶段。正是利用这种流水线机 制，保证DSP的乘法、加法以及乘加运算可以 在一个单周期内完成。
在实现IIR、FIR滤波器中，主要是乘 法和加法运算。 另外，任何超越函数在DSP中通常采用 级数展开的方法来求解，其表达式为相乘 后乘积求和的通用形式，针对这类运算， DSP 在运算单元中设置了乘法器 / 累加器 (MAC) ，从硬件上实现了乘法器和累加器 的并行工作，可在单指令周期内完成一次 乘法并将乘积求和的运算。而在通用的微 处理器中，乘法指令是有一系列加法来实 现的，故需要许多指令周期才能完成。
AD公司于1998年下半年推出SHARC第二代芯 片ADSP-21160。它对ADSP-2106x进行了扩充与完 善，并采用了单指令多数据流(SIMD)的结构，进 一步提高了并行处理的能力，使得该芯片具有非常 高的性能。ADSP-21160的指令集是向下兼容的， 也就是说ADSP-21060的代码不需要作任何改动就 可以运行在ADSP-21160上，同时，ADSP-21160还 对指令集进行了扩充。
DSP的特点 (1)哈佛结构； (2)流水线操作； (3)专用的硬件乘法器； (4)特殊的DSP指令； (5)快速的指令周期。
DSP具有高速的运算能力。DSP比16位单片机单指令 执行时间快8～10倍，完成一次乘加运算快16～30倍。 DSP提高了FFT(快速傅里叶变换)和滤波器的运算速度。
特殊的高速寻址方式，可以在其它操 作进行的同时，完成址寄存器指针的修 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 于延迟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 有利于FFT的快速完成；
ADSP-21020芯片是AD公司ADSP-21000系列 芯片的第一代浮点DSP，采用改进的哈佛结构。它 的指令周期为50,具有20MIPS指令速率，233管脚 PGA封装。AD公司又推出SHARC系列DSP。 SHARC是Super Harvard Architecture Computer( 超 级哈佛结构计算机)的简称，目前包括4种产品： ADSP-21060、ADSP-21061、ADSP-21062和ADSP21065L。它采用超级哈佛结构，具有4条独立的总 线(两条数据总线、一条程序总线和一条I/O总线)， 内部集成了大容量的SRAM(静态随机存取存储器) 和专用I/O总线支持的外设，指令周期为25，是一 个高性能浮点DSP系列。