數字信號處理器(DSP)簡介

數字信號處理器(digital signal processor,DSP)是一種用于數字信號處理的可編程微處理器，它的誕生與快速發展，使各種數字信號處理算送得以實時實現，為數字信號處理的研究和應用打開了新局面，提供了低成本的實際工作環境和應用平臺，推動了新的理論和應用領域的發展。目前，DSP技術在通信、航空、航天。雷達、工業控制、醫療、網絡及家用電器等各個領域都得到了廣泛應用。

1.1 DSP系統和芯片的結構特點

1.1.1 DSP系統的基本結構

通過傳感數將非電物理量轉換為模擬電信號，預處理一般包括放大器和濾波器兩部分，信號經過放大器的放大變為具有一定幅值的模擬輸入信號，而濾波器(低通或帶通)的作用則是濾除輸入模擬信號中的無用頻率成分和噪聲，避免采樣后發生頻譜混疊失真。A/D轉換器的任務是在滿足奈奎斯特采樣定理的條件下，將模擬信號轉換為數字信以，DSP負責對輸入數字信號進行某些算法，如卷積、相關、濾波或快速傅里葉變換(FFT)等。經過處理之后的數字信號再進行DA轉換，由于轉換輸出的模擬信號中含有許多高頻成分，因此要通過重建濾波器濾除這些高頻信號，以獲得平滑的模擬輸出信號。

實際上，為了完成數字信號處理的任務，除了圖1-1所示的DSP基本結構之外，還必須在DSP系統中配置人機接口、存儲器、通信接口、測試接口和電源設備等。

1.1.2 DSP芯片的結構特點

1.采用改進型哈佛結構

計算機的總線結構分為：馮·諧依曼(von Neumann)結構和哈佛(Harvard)結構。

多數微處理器和單片機采用馮·諾依曼結構，線和數據總線，CPU只能使用同一條地址總線去如圖1-2所示。(在這種結構中只含一條內部地址總分時傳送程序地址和數據地址，使用同一條數據總線去分別讀取程序代碼或進行數據的讀寫訪問)因此，對總線是分時使用，對指令的執行也只能串行進行，而不能并行進行，因而處理速度慢，數據吞吐量低。(程序和數據共用同一套總線，對程序和數據需分時續寫)

哈佛總線結構如圖1-3(a)所示，程序存儲器和數據存儲器是分開的，有多條獨立的程序總線和數據總線，其中PAB、PDB和PCB分別是程序地址總線、程序數據總線和程序控制總線，DAB、DDB和DCB分別是數據地址總線、數據數據總線和數據控制總線，它們可同時對程序和數據進行尋址和讀寫，因此，使指令的執行和對數據的訪問能夠并行進行，使CPU的運行速度和處理能力都得以大幅度提高。

DSP采用的是進型哈佛總線結構如圖1-3(b)所示。其改進之處是：在數據總線和程序總線之間有局部的交叉連接，也就是說，在程序空間和數據空間之間有相互訪問的能力，從而增加了存儲器訪問的靈活性，提高了DSP的運行效率。DSP的哈佛總線改進之處主要體現在下列3點。

⑴片內RAM可以映像數據空間，也可以映像至程序空間當片內RAM被映像至程序空間時，意味著可以利用程序總線來訪問數據。

⑵片內ROM可以映像至程序空間，也可以映像至數據空間。當片內ROM被映像至數據空間時，就可利用數據總線去讀取程序空間。

⑶具有根裝裁(boatloader) 功能，允許將片外的指令代碼調至片內數據存儲器，供CPIL零等待運行。

2.流水線操作

CPU執行一條指令通常分為4個階段。

⑴F：取指(fetch)。

⑵D：譯碼(decode)。

⑶O：取操作數(operand)。

⑷X：執行(execute)。

dsp技術綜述發展現狀

所謂流水線操作就是一條指令的不同階段分在連續的幾個周期上，通過不同的硬件去完成指定的不同執行階段(稱為級 )。

3.片內集成有硬件乘法器和乘加單元

一般微處理器中沒有硬件乘法器，在做乘法運算時，需要調用內部運算序列去執行一系列相加和移位運算才能完成，所以要花費多個時鐘周期。例如，TMS320C54x系列片內集成有一個17位X17位的硬件乘法器和40位的加法器，可以高速完成乘法-累加運算(MAC);TMS320C6000系列片內有2個硬件乘法器，支持在單周期內完成16位×16位、16位×32位的乘法，并支持雙16位×16位和4個8位×8位的乘法運算。

4.功能強大的CPU結構

除了上面提到的硬件乘法器和乘加單元，DSP的CPU一般還包括：算術邏輯運算單元(ALU)、累加器、加法器、桶型移位器、程序地址產生和數據地址產生等部分。

5.硬件循環重復機制

許多DSP芯片具有重復操作指令和支持重復操作的專用硬件，通過它們可以自動地重復執行單條指令或一段指令。

6.復合操作指令

所謂復合操作是指在一條單字單周期指令中可以分別完成多個操作任務。

7.嵌入式功能

DSP片內配置有大量片內外設，如圖1-8所示。一般包括程序存儲器、數據存儲器、定時/計數器、串行口、主機接口、外部存儲器接口、電源控制、JTAG接口等。開發者不用外擴很多器件，既可組成獨立的應用系統。DSP芯片具有很強的擴展接口的能力，可無縫連接片外存儲器和一系列I/O器件。由于DSP既有高速的數字信號處理能力，又有強大的嵌入式接口能力，因此在嵌入式系統中獲得了廣泛應用。