清华大学DSP讲义——概述

特点：一般多为简单的单周期指令，便于流水操作；
指令长度相同，取指可以一次操作完成； 存储器访问采用存储/加载指令结构； 尽量减少指令数和寻址方式，以简化控制部件； 芯片逻辑多采用硬布线逻辑；
优点：硬件简单，指令周期短，速度快；
• DSP指令集的设计要达到两个目标： ① 最大限度使用DSP基本硬件，以提高效率； ② 要求指令短，使用最少的存储器，以及尽可能将
（Y=X×H+C）
暂存器 程序存储器 乘法器 数据通道 数据存储器 算术逻辑单元（ALU）
累加器（ACC）
(5) 专用的数据地址发生器(DAG)
• 数据地址的产生与CPU工作并行进行；而在通用机中数据 地址和数据处理都由ALU完成，
例如：8086做一次加法需要三个时钟周期，计算一次地址
需5～12个时钟周期，在DSP中无需额外开销； • 在DSP中存储器访问具有可预测性，例如FIR滤波中的样 本、系数都是顺序访问的；而通用机适合承载操作系统 完成复杂任务，而且数据库操作可预测性很小； • 根据DSP运算特点，DSPs地址产生器都支持间接寻址、 循环寻址、倒位序寻址等寻址操作；
Control Peripheral
OMAP 结构框图
适用于第三代移动通信系统的的结构框图
4. DSP处理器特点： (1) 采用哈佛(Harvard)结构和改进的哈佛结构 • 通用机的Von.Neumann结构
ห้องสมุดไป่ตู้
• Von.Neumann结构的存储器与指令流的关系
IR
指令1 指令2 取指 译码 读数 执行 取指 译码
地址生成单元示意图：
循环缓冲 偏移量 器长度 FFT长度
MUX
模二和 倒位序
加减
ALU
MUX
下一个地址寄存器
下一个地址
(6) 独立的直接存储器访问(Direct Memory Access, DMA) 总线及其控制
• DMA是指进行数据传输时不影响CPU及其相关总线的工作；
• 当多个DSP组成处理器阵列来处理数据时，往往通过串口 或并口传递数据，此时DMA成为各数据块传输的主要通道； (7) 丰富的片内外设 • 便于和外部环境协调工作；也可以构成一个小系统；
多个操作合并在一条指令中，所以经常用状态寄存
器中的模 式位来控制处理器的操作特性； 因而DSP指令综合了CISC和RISC的特点，表现在： 一般具有多种灵活的寻址方式； 指令长度和指令执行时间可以不一样；
采用流水操作，指令多为单周期指令；
片内存储器一般为固定地址映射的存储器，指 令的操作时间可以严格预测；
①扩充运算能力：增加字长，乘法保留双字长，有双精度运算； ②自动产生数据地址：专用的ALU可以产生循环地址及非顺序地址； ③指令定序不对其它主要运算造成额外开销； ④简单的比例定标运算得到宽的动态范围；
• 目前三种微处理器：通用CPU－Pentiun 微控制器MCU －单片机
通用DSP
它们各有所长，但相互渗透、借鉴和交融，形成各自 特点
取指 译码 读数 执行
DSP CPU
Data Memory
取指 译码 读数 执
取指 译码 读
取指 译
Program
Bus
(PB)
•••
Data
Bus
(DB)
(2) 多总线结构 附加总线和扩充地址总线增加数据流量，提高寻址能力。 例：TMS320C54x：程序总线： (PB, PAB)
二组读数据总线： (CB, CAB)
◎MACS(Multiply---Accumulates
Per Scond)
• 核心算法评价指标 一般指FIR、IIR 、向量点积、向量求和、 FFT等运算；
•••
••••
PC
统一的程序和数据空间； 共享的程序和数据总线；
CPU
• Harvard 结构
•改进的Harvard 结构
Data Adr. Bus (DAS) 取指 译码 读数 执行 Program Adr. Bus (PAS) Program Memory
指令流的定时关系
取指 译码 读数 执行
数字信号处理技术的发展
处理方法 • 经典滤波和谱分析
研究对象 • 确定与随机
• 现代滤波和谱估计
• 时频分析 • 多维信号处理
• 平稳与非平稳
• 时不变与时变 • 高斯与非高斯
典型数字信号处理系统
抗混叠 滤波器 A/D 转换器 DSP 通信、 DSP 人机 接口 系统 译码 与时 序、 重建 滤波器 D/A 转换器 数字 I/O 逻辑 控制 存储器
总线
1.数字信号处理器（或DSPs）的任务
• 任务：解决实时处理要求、适合DSP运算特点的单片可 编程微处理芯片，能满足大数据量、计算复杂、 实时性强的各种运算和处理要求。 2。DSP算法特点及DSP芯片分类：
• DSP运算特点：
① 基本数据操作：DSP中运算的基本类型是乘法累加 （MAC）操作：Y=H×X+C ② 寻址操作：数据寻址范围大、结构复杂但很有规律， 例如：FFT的蝶形运算。
• SoC(System on Chip): 基于DSP的新一代单片系统
例：‘TI 的OMAP (Open Multimedia Application ) 开放多媒
体 应用平台，专门为2.5G和3G的需求而设计的. 其独特的
MCU和DSP处理器超高速缓存结构，可以保证优良的系
统性能、高的时钟效率和低的功耗。 • 150MHz的MCU负责支持应用操作系统，并完成以控制为 核心的应用处理； • 200MHz的DSP芯片‘C55x负责完成媒体处理(包括语音、 音 频、图象和视频信号)； • 内存和流量控制器MTC，确保处理器能够高效访问外部 存储区，避免产生瓶颈现象，提高整个平台的处理速度。
大多数DSP指令是复合指令，便于编制出高效率的
汇编程序 程序的可读性差
• 指令集多采用助记符指令形式或代数指令形式； • 为防止和减少流水线冲突，需对指令进行重排； 指令依赖硬件结构，可移植性较差 高度专门化、复杂且不规则的汇编指令，难以用高 级语言C进行编译：
原因：◎C语言本身不适合用来描述DSP算法；
Memory & Traffic Controller
TMS320C55xTM DSP
ARM9 RISC
ARM DMA Controller
Multimedia Peripheral Comm. Voice Peripheral
eXpressDSPTM
dvelopment/
debug support
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
什么是嵌入式系统 (embedded system)？ 一个嵌入到对象体系中的专用处理器系统， 其软硬件可按需要适当配置和裁剪。 通常由嵌入式处理器、嵌入式外围电路、 嵌入式操作系统和嵌入式应用软件组成。 嵌入式处理器可分为： 嵌入式微控制器 (MCU) 嵌入式微处理器、DSP 微芯片 系统级芯片SOC (system on chip)
信号处理实验与设计A
清华大学电子工程系
第一章 数字信号处理器（DSPs）概述
从信号理论角度，对信号的研究可以分成以下三大部分： • 信号分析：研究信号的解析表示，信号特征值的表示及提
取，信号的变换；
• 信号传输：用最经济、有效的手段传送最大的信息容量； • 信号处理：对观察到的信号进行分析、变换、综合等加工 处理，便识别、应用所需的有用信息。
0.9v 0.05mw/MIPS 800MHz
◎
MFLOPS(Million Floating Point Operation Second)
TMS320C6701 $210/1GFLOPS
◎MBPS(Million
Bit Per Second)
(主要用来衡量DSP数据传输能力，是对总线和I/O口 数据吞吐率的度量，也就是总线和I/O口的带宽) 例：‘C6000 200MHz时钟 32--bit总线 则总线数据吞吐率为 800Mbyte/s 或 6400MBPS
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 DSP
(3) 采用流水线(Pipeline)操作：(如前页图)
• 把每条指令分解成多个操作步骤，由片内多个功能单元
同时重叠分别完成，从而把指令周期减到最小，增加数 据吞吐量，提高运算速度； • 流水线操作适用于循环时间足够长，或多个数据点反复 执行同一指令的情况；
• 缺点：① 一项处理很难分解成若干个处理规模一致，而
一组写数据总线： (EB, EAB)
(DB, DAB)
TMS320C55x：程序总线： (PB－32bit, PAB－24bit) 三组读数据总线： (BB－16bit, BAB－24bit) (CB－16bit, CAB－24bit)
(DB－16bit, DAB－24bit)
二组写数据总线：(EB－16bit, EAB－24bit) (FB－16bit, FAB－24bit)
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
且在时间上有最佳配合（无等待）的流水段， 因而需要用寄存器协调流水线工作； ② 流水线的启动和停止是把流水线填满和出空的 过程，是需要时间的，因而不适合一次性非重
复计算的场合；
(4) 具有硬件乘法器和高效的MAC指令
• DSP中的卷积、相关、FFT运算都是乘法／累加运算；
• 乘法／累加结构框图
数据通道
N=8=23时间抽取FFT信号流图：
③ 寻址操作具有预测性，DSPs并不适宜做随机性很强 的寻址操作和运算。 • DSP芯片按用途或构成分类 ① 为不同算法而专门设计的专用芯片； ②为某种目的应用而专门设计的专用芯片，即ASIC
(Application Specific Integrated Circuits) ；
• 片内外设有： ◎时钟产生 (振荡器和PLL)
◎定时器 ◎通用
I/O 口
◎软件可编程等待状态发生器 ◎同步与异步串口 ◎主机接口(HIP)
◎JTAG(Joint
Test Action Group) 边界扫描逻
辑电路 （用于片上在线仿真和多处理器情况
下的调试 ）
(8) 具有片内存储器（ROM和RAM） 片内的存放程序的ROM和存放数据的RAM，适合于DSP 核心程序短小及运算简单的特点；片内运算有高的传输效 率，减小总线接口压力，形成强大的数据处理能力。
③ 积木式结构（硬连线逻辑电路）； ④ 用FPGA（现场可编程阵列）实现DSP功能； ⑤ 通用可编程DSP芯片； ⑥ 片上系统Soc（System on Chip）；
3. 数字信号处理器对单片机（MCU）性能上的改进： 针对DSP算法特点，DSP在功能上与通用的MCU相比，作了 下列几方面的改进：
(9)与结构相配合的采用RISC 指令集
（Reduced Instruction Set Computer） • 复杂指令集（CISC）(例Intel x86) 特点：一条指令可以在处理器内部执行一系列操作， 一条指
主要使用微码指令建立高级的，丰富的指令集；
优点：易于编程，向下兼容，简化编译器； 缺点：指令集和芯片硬件复杂，不同指令有不同的执 行时间，因而降低整体效率，部分指令利用率低； • 精简指令集（RISC）：
◎ DSP结构上的多存储空间、多组总线、不规则
指令集和高度专门化的硬件，使C编译器效率 难以提高；
5。DSP主要应用性能指标
（1）运算速度 • 传统评价指标：
◎
◎
单周期执行时间=时钟频率
MIPS(Million Instruction Per Second) TMS320C5402 $6/100MIPS TMS320C5416 $39/160MIPS TMS320C55x 60mw 90mw