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1、DSP（ digital singnal processor） 是 一 种 独 特 的 微 处 理 器 ， 是 以 数 字信 号 来 处 理 大 量 信 息 的 器 件 。 其 工 作 原 理 是 接 收 模 拟 信 号 ， 转 换 为 0或 1 的 数 字 信 号 ， 再 对 数 字 信 号 进 行 修 改 、 删 除 、 强 化 ， 并 在 其 他 系 统 芯片 中 把 数 字 数 据 解 译 回 模 拟 数 据 或 实 际 环 境 格 式 。 它 不 仅 具 有 可 编 程 性 ，而 且 其 实 时 运 行 速 度 可 达 每 秒 数 以 千 万 条 复 杂 指 令 程 序 ， 源 源

2、超 过 通 用 微处 理 器 ， 是 数 字 化 电 子 世 界 中 日 益 重 要 的 电 脑 芯 片 。 它 的 强 大 数 据 处 理 能力 和 高 运 行 速 度 ， 是 最 值 得 称 道 的 两 大 特 色DSP 既 是 Digital Signal Processing 的 缩 写 (数 字 信 号 处 理 的 理 论和 方 法 )或 者 是 Digital Signal Processor(用 于 数 字 信 号 处 理 的 可 编 程微 处 理 器 )的 缩 写 。 我 们 所 说 的 DSP 技 术 ,则 一 般 指 将 通 用 的 或 专 用 的DSP 处 理 器 用 于

3、 完 成 数 字 信 号 处 理 的 方 法 和 技 术 。 1. DSP 的 特 点（ 1） 在 一 个 指 令 周 期 内 可 完 成 一 次 乘 法 和 一 次 加 法 。（ 2） 程 序 和 数 据 空 间 分 开 ， 可 以 同 时 访 问 指 令 和 数 据 。（ 3） 片 内 具 有 快 速 RAM， 通 常 可 通 过 独 立 的 数 据 总 线 在 两 块 中 同 时访 问 。（ 4） 具 有 低 开 销 或 无 开 销 循 环 及 跳 转 的 硬 件 支 持 。（ 5） 快 速 的 中 断 处 理 和 硬 件 I/O 支 持 。（ 6） 具 有 在 单 周 期 内 操 作

4、的 多 个 硬 件 地 址 产 生 器 。（ 7） 可 以 并 行 执 行 多 个 操 作 。（ 8） 支 持 流 水 线 操 作 ， 使 取 指 、 译 码 和 执 行 等 操 作 可 以 重 叠 执 行 。与 通 用 微 处 理 器 相 比 ， DSP 芯 片 的 其 他 通 用 功 能 相 对 较 弱 些 。1） 哈 佛 结 构 和 改 进 的 哈 佛 结 构 。哈 佛 结 构 就 是 将 程 序 代 码 和 数 据 的 存 储 空 间 分 开 ,各 有 自 己 的 地 址 和数 据 总 线 。 之 所 以 采 用 哈 佛 结 构 ， 是 为 了 并 行 进 行 指 令 和 数 据 处

5、理 ,从而 可 以 大 大 地 提 高 运 算 的 速 度 。 为 了 进 一 步 提 高 信 号 处 理 的 效 率 ,在 哈佛 结 构 的 基 础 上 ， 又 加 以 改 善 。 使 得 程 序 代 码 和 数 据 存 储 空 间 之 间 可 以 进行 数 据 的 传 输 ,称 为 改 善 的 哈 佛 结 构 。2） 采 用 流 水 技 术 。流 水 技 术 是 将 各 指 令 的 各 个 步 骤 重 叠 起 来 执 行 。 DSP 处 理 器 所 采用 的 将 程 序 存 储 空 和 数 据 存 储 空 间 的 地 址 与 数 据 总 线 分 开 的 哈 佛 结 构 ， 为采 用 流 水

6、 技 术 提 供 了 很 大 的 方 便 。为 了 提 高 DSP 处 理 器 的 运 算 速 度 ,它 们 无 例 外 地 设 置 了 硬 件 乘 法 器 ， 以及 MAC(乘 并 且 累 加 )一 类 的 指 令 。DSP 处 理 器 都 为 DMA 单 独 设 置 了 完 全 独 立 的 总 线 和 控 制 器 ， 这 是 和通 用 的 CPU 很 不 相 同 ， 其 目 的 是 在 进 行 数 据 传 输 是 完 全 不 影 响 CPU及 其 相 关 总 线 的 工 作 。在 DSP 处 理 器 中 ， 设 置 了 专 门 的 数 据 地 址 发 生 器 来 产 生 所 需 的 数 据

7、 地 址 。数 据 地 址 的 产 生 与 CPU 的 工 作 是 并 行 的 ， 从 而 节 省 CPU 的 时 间 ， 提 高信 号 的 处 理 速 度 。DSP 处 理 器 为 了 自 身 工 作 的 需 要 和 外 部 环 境 的 协 调 工 作 。 往 往 都 设 置了 丰 富 的 外 设 。 如 时 钟 发 生 器 。 定 时 器 等 。定 点 DSP 处 理 器 和 浮 点 DSP 处 理 器 。 定 点 DSP 中 经 常 要 考 虑 溢 出问 题 ， 在 浮 点 DSP 基 本 上 可 以 不 考 虑 。 与 定 点 DSP 处 理 器 相 比 ， 浮 点DSP 处 理 器

8、的 速 度 更 快 ， 尤 其 是 作 浮 点 运 算 。 在 实 时 性 要 求 很 到 的 场 合 。往 往 考 虑 浮 点 DSP 处 理 器 。 而 浮 点 DSP 处 理 器 的 价 格 比 较 高 ， 开 发 难度 更 大 。2. DSP 芯 片 的 发 展世 界 上 第 一 个 单 片 DSP 芯 片 是 1978 年 AMI 公 司 宣 布 的S2811， 1979 年 美 国 Iintel 公 司 发 布 的 商 用 可 编 程 期 间 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 的

9、 单 周 期 芯 片 。 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 。 第 一 个 采 用 CMOS 工 艺 生 产 浮 点DSP 芯 片 的 是 日 本 的 Hitachi 公 司 ， 它 于 1982 年 推 出 了 浮 点 DSP芯 片 。 1983 年 ， 日 本 的 Fujitsu 公 司 推 出 的 MB8764， 其 指 令 周 期 为120ns ， 且 具 有 双 内 部 总 线 ， 从 而 处 理 的 吞 吐 量 发 生 了 一 个 大 的 飞 跃 。而 第 一 个 高 性 能 的 浮 点

10、 DSP 芯 片 应 是 AT&T 公 司 于 1984 年 推 出 的DSP32。在 这 么 多 的 DSP 芯 片 种 类 中 ， 最 成 功 的 是 美 国 德 克 萨 斯 仪 器 公 司（ Texas Instruments， 简 称 TI） 的 一 系 列 产 品 。 TI 公 司 灾 982 年成 功 推 出 启 迪 一 代 DSP 芯 片 TMS32010 及 其 系 列 产 品TMS32011、 TMS32C10/C14/C15/C16/C17 等 ， 之 后 相 继 推 出 了 第二 代 DSP 芯 片 TMS32020、 TMS320C25/C26/C28， 第 三 代 D

11、SP芯 片 TMS32C30/C31/C32， 第 四 代 DSP 芯 片 TMS32C40/C44， 第五 代 DSP 芯 片 TMS32C50/C51/C52/C53 以 及 集 多 个 DSP 于 一 体 的高 性 能 DSP 芯 片 TMS32C80/C82 等 。自 1980 年 以 来 ， DSP 芯 片 得 到 了 突 飞 猛 进 的 发 展 ， DSP 芯 片 的应 用 越 来 越 广 泛 。 从 运 算 速 度 来 看 ， MAC（ 一 次 乘 法 和 一 次 加 法 ） 时 间已 经 从 80 年 代 初 的 400ns（ 如 TMS32010） 降 低 到 40ns（ 如

12、TMS32C40） ， 处 理 能 力 提 高 了 10 多 倍 。 DSP 芯 片 内 部 关 键 的 乘 法 器部 件 从 1980 年 的 占 模 区 的 40 左 右 下 降 到 5 以 下 ， 片 内 RAM 增 加 一个 数 量 级 以 上 。 从 制 造 工 艺 来 看 ， 1980 年 采 用 4 的 N 沟 道 MOS 工艺 ， 而 现 在 则 普 遍 采 用 亚 微 米 CMOS 工 艺 。 DSP 芯 片 的 引 脚 数 量 从1980 年 的 最 多 64 个 增 加 到 现 在 的 200 个 以 上 ， 引 脚 数 量 的 增 加 ， 意味 着 结 构 灵 活 性

13、的 增 加 。 此 外 ， DSP 芯 片 的 发 展 ， 是 DSP 系 统 的 成 本 、体 积 、 重 量 和 功 耗 都 有 很 大 程 度 的 下 降 。3. DSP 芯 片 的 分 类DSP 的 芯 片 可 以 按 照 以 下 的 三 种 方 式 进 行 分 类 。（ 1） 按 基 础 特 性 分这 是 根 据 DSP 芯 片 的 工 作 时 钟 和 指 令 类 型 来 分 类 的 。 如 果 DSP 芯片 在 某 时 钟 频 率 范 围 内 的 任 何 频 率 上 能 正 常 工 作 ， 除 计 算 速 度 有 变 化 外 ，没 有 性 能 的 下 降 ， 这 类 DSP 芯 片

14、 一 般 称 之 为 静 态 DSP 芯 片 。如 果 有 两 种 或 两 种 以 上 的 DSP 芯 片 ,它 们 的 指 令 集 和 相 应 的 机 器 代 码 机管 脚 结 构 相 互 兼 容 ,则 这 类 DSP 芯 片 称 之 为 一 致 性 的 DSP 芯 片 。（ 2） 按 数 据 格 式 分这 是 根 据 DSP 芯 片 工 作 的 数 据 格 式 来 分 类 的 。 数 据 以 定 点 格 式 工 作 的DSP 芯 片 称 之 为 定 点 DSP 芯 片 。 以 浮 点 格 式 工 作 的 称 为 DSP 芯 片 。不 同 的 浮 点 DSP 芯 片 所 采 用 的 浮 点

15、格 式 不 完 全 一 样 ， 有 的 DSP 芯 片采 用 自 定 义 的 浮 点 格 式 ， 有 的 DSP 芯 片 则 采 用 IEEE 的 标 准 浮 点 格 式 。（ 3） 按 用 途 分按 照 DSP 芯 片 的 用 途 来 分 ， 可 分 为 通 用 型 DSP 芯 片 和 专 用 型 的 DSP芯 片 。 通 用 型 DSP 芯 片 适 合 普 通 的 DSP 应 用 ， 如 TI 公 司 的 一 系 列DSP 芯 片 。 专 用 型 DSP 芯 片 市 为 特 定 的 DSP 运 算 而 设 计 ， 更 适 合 特 殊的 运 算 ， 如 数 字 滤 波 ， 卷 积 和 FFT

16、 等 。4. DSP 芯 片 的 选 择设 计 DSP 应 用 系 统 ， 选 择 DSP 芯 片 时 非 常 重 要 的 一 个 环 节 。 只 有选 定 了 DSP 芯 片 才 能 进 一 步 设 计 外 围 电 路 集 系 统 的 其 它 电 路 。 总 的 来 说 ，DSP 芯 片 的 选 择 应 根 据 实 际 的 应 用 系 统 需 要 而 确 定 。 一 般 来 说 ， 选 择DSP 芯 片 时 考 虑 如 下 诸 多 因 素 。（ 1） DSP 芯 片 的 运 算 速 度 。 运 算 速 度 是 DSP 芯 片 的 一 个 最 重 要的 性 能 指 标 ， 也 是 选 择 DS

17、P 芯 片 时 所 需 要 考 虑 的 一 个 主 要 因 素 。 DSP芯 片 的 运 算 速 度 可 以 用 以 下 几 种 性 能 指 标 来 衡 量 ：1） 指 令 周 期 。 就 是 执 行 一 条 指 令 所 需 要 的 时 间 ， 通 常 以 ns 为 单 位 。2） MAC 时 间 。 即 一 次 乘 法 加 上 一 次 加 法 的 时 间 。3） FFT 执 行 时 间 。 即 运 行 一 个 N 点 FFT 程 序 所 需 的 时 间 。4） MIPS。 即 每 秒 执 行 百 万 条 指 令 。5） MOPS。 即 每 秒 执 行 百 万 次 操 作 。6） MFLOPS

18、。 即 每 秒 执 行 百 万 次 浮 点 操 作 。7） BOPS。 即 每 秒 执 行 十 亿 次 操 作 。（ 2） DSP 芯 片 的 价 格 。 根 据 一 个 价 格 实 际 的 应 用 情 况 ， 确 定 一 个 价格 适 中 的 DSP 芯 片 。（ 3） DSP 芯 片 的 硬 件 资 源 。（ 4） DSP 芯 片 的 运 算 速 度 。（ 5） DSP 芯 片 的 开 发 工 具 。（ 6） DSP 芯 片 的 功 耗 。（ 7） 其 它 的 因 素 ， 如 封 装 的 形 式 、 质 量 标 准 、 生 命 周 期 等 。DSP 应 用 系 统 的 运 算 量 是 确

19、定 选 用 处 理 能 力 多 大 的 DSP 芯 片 的 基础 。 那 么 如 何 确 定 DSP 系 统 的 运 算 量 以 选 择 DSP 芯 片 呢 ？（ 1） 按 样 点 处 理按 样 点 处 理 就 是 DSP 算 法 对 每 一 个 输 入 样 点 循 环 一 次 。 例 如 ； 一 个采 用 LMS 算 法 的 256 抽 头 德 的 自 适 应 FIR 滤 波 器 ， 假 定 每 个 抽 头 的 计算 需 要 3 个 MAC 周 期 ， 则 256 抽 头 计 算 需 要 256*3=768 个 MAC周 期 。 如 果 采 样 频 率 为 8KHz， 即 样 点 之 间 的

20、 间 隔 为 125s 的 时 间 ，DSP 芯 片 的 MAC 周 期 为 200s， 则 768 个 周 期 需 要 153.6s 的 时间 ， 显 然 无 法 实 时 处 理 ， 需 要 选 用 速 度 更 快 的 芯 片 。（ 2） 按 帧 处 理有 些 数 字 信 号 处 理 算 法 不 是 每 个 输 入 样 点 循 环 一 次 ， 而 是 每 隔 一 定 的 时 间间 隔 （ 通 常 称 为 帧 ） 循 环 一 次 。 所 以 选 择 DSP 芯 片 应 该 比 较 一 帧 内DSP 芯 片 的 处 理 能 力 和 DSP 算 法 的 运 算 量 。 假 设 DSP 芯 片 的

21、指 令 周期 为 P（ ns） ， 一 帧 的 时 间 为 （ ns） ， 则 该 DSP 芯 片 在 一 帧 内 所 提供 的 最 大 运 算 量 为 / P 条 指 令 。5. DSP 芯 片 的 基 本 结 构DSP 芯 片 的 基 本 结 构 包 括 ：（ 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 。1） 哈 佛 结 构哈 佛 结 构 的 主 要 特 点 是 将 程 序 和 数 据 存 储 在 不 同 的 存 储 空 间 中 ， 即 程序 存 储 器

22、和 数 据 存 储 器 是 两 个 相 互 独 立 的 存 储 器 ， 每 个 存 储 器 独 立 编 址 ，独 立 访 问 。 与 两 个 存 储 器 相 对 应 的 是 系 统 中 设 置 了 程 序 总 线 和 数 据 总 线 ，从 而 使 数 据 的 吞 吐 率 提 高 了 一 倍 。 由 于 程 序 和 存 储 器 在 两 个 分 开 的 空 间 中 ，因 此 取 指 和 执 行 能 完 全 重 叠 。流 水 线 与 哈 佛 结 构 相 关 ， DSP 芯 片 广 泛 采 用 流 水 线 以 减 少 指 令 执 行的 时 间 ， 从 而 增 强 了 处 理 器 的 处 理 能 力 。

23、 处 理 器 可 以 并 行 处 理 二 到 四 条 指令 ， 每 条 指 令 处 于 流 水 线 的 不 同 阶 段 。 入 图 示 出 一 个 三 级 流 水 线 操 作 的 例子 。CLLOUT1取 指 N N-1 N-2译 码 N-1 N N-2执 行 N-2 N-1 N2） 专 用 的 硬 件 乘 法 器乘 法 速 度 越 快 ， DSP 处 理 器 的 性 能 越 高 。 由 于 具 有 专 用 的 应 用 乘 法 器 ，乘 法 可 在 一 个 指 令 周 期 内 完 成 。3） 特 殊 的 DSP 指 令 DSP 芯 片 是 采 用 特 殊 的 指 令 。4） 快 速 的 指 令

24、 周 期 哈 佛 结 构 、 流 水 线 操 作 、 专 用 的 硬 件 乘 法 器 、 特 殊的 DSP 指 令 再 加 上 集 成 电 路 的 优 化 设 计 可 使 DSP 芯 片 的 指 令 周 期 在200ns 以 下 。6. DSP 系 统 的 特 点数 字 信 号 处 理 系 统 是 以 数 字 信 号 处 理 为 基 础 ， 因 此 具 有 数 字 处 理 的 全部 特 点 ：（ 1） 接 口 方 便 。 DSP 系 统 与 其 它 以 现 代 数 字 技 术 为 基 础 的 系 统 或 设备 都 是 相 互 兼 容 ， 这 样 的 系 统 接 口 以 实 现 某 种 功 能

25、要 比 模 拟 系 统 与 这 些 系统 接 口 要 容 易 的 多 。（ 2） 编 程 方 便 。 DSP 系 统 种 的 可 编 程 DSP 芯 片 可 使 设 计 人 员 在 开发 过 程 中 灵 活 方 便 地 对 软 件 进 行 修 改 和 升 级 。（ 3） 稳 定 性 好 。 DSP 系 统 以 数 字 处 理 为 基 础 ， 受 环 境 温 度 以 及 噪 声的 影 响 较 小 ， 可 靠 性 高 。（ 4） 精 度 高 。 16 位 数 字 系 统 可 以 达 到 的 精 度 。（ 5） 可 重 复 性 好 。 模 拟 系 统 的 性 能 受 元 器 件 参 数 性 能 变

26、化 比 较 大 ， 而数 字 系 统 基 本 上 不 受 影 响 ， 因 此 数 字 系 统 便 于 测 试 ， 调 试 和 大 规 模 生 产 。（ 6） 集 成 方 便 。 DSP 系 统 中 的 数 字 部 件 有 高 度 的 规 范 性 ， 便 于 大 规模 集 成 。7 . DSP 芯 片 的 应 用自 从 DSP 芯 片 诞 生 以 来 ， DSP 芯 片 得 到 了 飞 速 的 发 展 。 DSP 芯 片高 速 发 展 ， 一 方 面 得 益 于 集 成 电 路 的 发 展 ， 另 一 方 面 也 得 益 于 巨 大 的 市 场 。在 短 短 的 十 多 年 时 间 ， DSP

27、芯 片 已 经 在 信 号 处 理 、 通 信 、 雷 达 等 许 多 领域 得 到 广 泛 的 应 用 。 目 前 ， DSP 芯 片 的 价 格 也 越 来 越 低 ， 性 能 价 格 比 日益 提 高 ， 具 有 巨 大 的 应 用 潜 力 。 DSP 芯 片 的 应 用 主 要 有 ：（ 1） 信 号 处 理 -如 ， 数 字 滤 波 、 自 适 应 滤 波 、 快 速 傅 里 叶 变 换 、 相关 运 算 、 频 谱 分 析 、 卷 积 等 。（ 2） 通 信 -如 ， 调 制 解 调 器 、 自 适 应 均 衡 、 数 据 加 密 、 数 据 压 缩 、回 坡 抵 消 、 多 路

28、复 用 、 传 真 、 扩 频 通 信 、 纠 错 编 码 、 波 形 产 生 等 。（ 3） 语 音 -如 语 音 编 码 、 语 音 合 成 、 语 音 识 别 、 语 音 增 强 、 说 话 人辨 认 、 说 话 人 确 认 、 语 音 邮 件 、 语 音 储 存 等 。（ 4） 图 像 /图 形 -如 二 维 和 三 维 图 形 处 理 、 图 像 压 缩 与 传 输 、 图 像增 强 、 动 画 、 机 器 人 视 觉 等 。（ 5） 军 事 -如 保 密 通 信 、 雷 达 处 理 、 声 纳 处 理 、 导 航 等 。（ 6） 仪 器 仪 表 -如 频 谱 分 析 、 函 数 发 生 、 锁 相 环 、 地 震 处 理 等 。（ 7） 自 动 控 制 -如 引 擎 控 制 、 深 空 、 自 动 驾 驶 、 机 器 人 控 制 、 磁 盘控 制 。（ 8） 医 疗 -如 助 听 、 超 声 设 备 、 诊 断 工 具 、 病 人 监 护 等 。（ 9） 家 用 电 器 -如 高 保 真 音 响 、 音 乐 合 成 、 音 调 控 制 、 玩 具 与 游 戏 、数 字 电 话 /电 视 等 。