DSP原理及應(yīng)用(鄒彥)第1章 DSP緒論

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用1第1章DSP緒論內(nèi)容提要

進(jìn)入21世紀(jì)之后，數(shù)字化浪潮正在席卷全球，數(shù)字信號處理器DSP（DigitalSignalProcessor）正是這場數(shù)字化革命的核心，無論在其應(yīng)用的廣度還是深度方面，都在以前所未有的速度向前發(fā)展。本章主要對數(shù)字信號處理進(jìn)行簡要介紹。

首先對數(shù)字信號處理進(jìn)行了概述，介紹了DSP的基本知識；接著介紹了可編程DSP芯片，對DSP芯片的發(fā)展、特點、分類、應(yīng)用和發(fā)展趨勢作了論述；然后介紹DSP系統(tǒng)，對DSP系統(tǒng)的構(gòu)成、特點、設(shè)計過程以及芯片的選擇進(jìn)行了詳細(xì)的介紹；最后對DSP產(chǎn)品作了簡要介紹。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用2第1章DSP緒論知識要點●

數(shù)字信號處理●

DSP芯片的特點●

DSP系統(tǒng)●

DSP系統(tǒng)的設(shè)計過程2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用3第1章DSP緒論1.1數(shù)字信號處理概述1.2可編程DSP芯片1.3DSP系統(tǒng)1.4DSP產(chǎn)品簡介

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用4第1章DSP緒論1.1數(shù)字信號處理概述

數(shù)字信號處理（簡稱DSP）是一門涉及多門學(xué)科并廣泛應(yīng)用于很多科學(xué)和工程領(lǐng)域的新興學(xué)科。

數(shù)字信號處理是利用計算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字的形式對信號進(jìn)行分析、采集、合成、變換、濾波、估算、壓縮、識別等加工處理，以便提取有用的信息并進(jìn)行有效的傳輸與應(yīng)用。

數(shù)字信號處理是以眾多學(xué)科為理論基礎(chǔ),它所涉及的范圍極其廣泛。如數(shù)學(xué)領(lǐng)域中的微積分、概率統(tǒng)計、隨機(jī)過程、數(shù)字分析等都是數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)工具。它與網(wǎng)絡(luò)理論、信號與系統(tǒng)、控制理論、通信理論、故障診斷等密切相關(guān)。2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用5第1章DSP緒論

DSP可以代表數(shù)字信號處理技術(shù)（DigitalSignal

Processing）,也可以代表數(shù)字信號處理器（Digital

Signal

Processor）。前者是理論和計算方法上的技術(shù),后者是指實現(xiàn)這些技術(shù)的通用或?qū)Ｓ每删幊涛⑻幚砥餍酒?/p>

數(shù)字信號處理包括兩個方面的內(nèi)容:

1．算法的研究2．?dāng)?shù)字信號處理的實現(xiàn)

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用6第1章DSP緒論1．算法的研究

算法的研究是指如何以最小的運(yùn)算量和存儲器的使用量來完成指定的任務(wù)，如20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的快速傅里葉變換（FFT），使數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)生了革命性的變化。

近幾年來，數(shù)字信號處理的理論和方法得到了迅速的發(fā)展，諸如：語音與圖像的壓縮編碼、識別與鑒別，信號的調(diào)制與解調(diào)、加密和解密，信道的辨識與均衡，智能天線，頻譜分析等各種快速算法都成為研究的熱點、并取得了長足的進(jìn)步，為各種實時處理的應(yīng)用提供了算法基礎(chǔ)。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用7第1章DSP緒論2．?dāng)?shù)字信號處理的實現(xiàn)

數(shù)字信號處理的實現(xiàn)是用硬件、軟件或軟硬結(jié)合的方法來實現(xiàn)各種算法。數(shù)字信號處理的實現(xiàn)一般有以下幾種方法：

①在通用計算機(jī)（PC機(jī)）上用軟件（如Fortran、C語言）實現(xiàn)，但速度慢，不適合實時數(shù)字信號處理，只用于算法的模擬；

②在通用計算機(jī)系統(tǒng)中加入專用的加速處理機(jī)實現(xiàn)，用以增強(qiáng)運(yùn)算能力和提高運(yùn)算速度。不適合于嵌入式應(yīng)用，專用性強(qiáng)，應(yīng)用受到限制；

③用單片機(jī)實現(xiàn)，用于不太復(fù)雜的數(shù)字信號處理。不適合于以乘法-累加運(yùn)算為主的密集型DSP算法；

④用通用的可編程DSP芯片實現(xiàn)，具有可編程性和強(qiáng)大的處理能力，可完成復(fù)雜的數(shù)字信號處理的算法，在實時DSP領(lǐng)域中處于主導(dǎo)地位；

⑤用專用的DSP芯片實現(xiàn)，可用在要求信號處理速度極快的特殊場合，如專用于FFT、數(shù)字濾波、卷積、相關(guān)算法的DSP芯片，相應(yīng)的信號處理算法由內(nèi)部硬件電路實現(xiàn)。用戶無需編程，但專用性強(qiáng)，應(yīng)用受到限制；

⑥用基于通用DSP核的ASIC芯片實現(xiàn)。隨著專用集成電路ASIC(Application

SpecificIntegrated

Circuit)的廣泛使用,可以將DSP的功能集成到ASlC中。一般說來，DSP核是通用DSP器件中的CPU部分，再配上用戶所需的存儲器(包括Cache、RAM、ROM、flash、EPROM)和外設(shè)(包括串口、并口、主機(jī)接口、DMA、定時器等)，組成用戶的ASIC。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用8第1章DSP緒論1.2可編程DSP芯片

數(shù)字信號處理器（DSP）是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，主要用于實時快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理的算法。

在20世紀(jì)80年代以前，由于受實現(xiàn)方法的限制,數(shù)字信號處理的理論還不能得到廣泛的應(yīng)用。直到20年及80年代初，世界上第一塊單片可編程DSP芯片的誕生，才使理論研究成果廣泛應(yīng)用到實際的系統(tǒng)中，并且推動了新的理論和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展?？梢院敛豢鋸埖刂v，DSP芯片的誕生及發(fā)展對近20年來通信、計算機(jī)、控制等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展起到十分重要的作用。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用9第1章DSP緒論1.2.1DSP芯片的發(fā)展概況

DSP芯片誕生于20世紀(jì)70年代末，至今已經(jīng)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并經(jīng)歷了以下三個階段。第一階段，DSP的雛形階段（1980年前后）。

1978年AMI公司生產(chǎn)出第一片DSP芯片S2811。

1979年美國Intel公司發(fā)布了商用可編程DSP器件Intel2920,由于內(nèi)部沒有單周期的硬件乘法器，使芯片的運(yùn)算速度、數(shù)據(jù)處理能力和運(yùn)算精度受到了很大的限制。運(yùn)算速度大約為單指令周期200~250ns，應(yīng)用領(lǐng)域僅局限于軍事或航空航天部門。

這個時期的代表性器件主要有：Intel2920（Intel）、PD7720（NEC）、TMS32010（TI）、DSP16（AT&T）、S2811（AMI）、ADSp—21（AD）等。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用10第1章DSP緒論1.2.1DSP芯片的發(fā)展概況

第二階段，DSP的成熟階段（1990年前后）。這個時期的DSP器件在硬件結(jié)構(gòu)上更適合數(shù)字信號處理的要求，能進(jìn)行硬件乘法、硬件FFT變換和單指令濾波處理，其單指令周期為80~100ns。

如TI公司的TMS320C20，它是該公司的第二代DSP器件,采用了CMOS制造工藝，其存儲容量和運(yùn)算速度成倍提高，為語音處理、圖像硬件處理技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

20世紀(jì)80年代后期，以TI公司的TMS320C30為代表的第三代DSP芯片問世，伴隨著運(yùn)算速度的進(jìn)一步提高，其應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大到通信、計算機(jī)領(lǐng)域。

這個時期的器件主要有:TI公司的TMS320C20、30、40、50系列，Motorola公司的DSP5600、9600系列，AT&T公司的DSP32等。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用11第1章DSP緒論1.2.1DSP芯片的發(fā)展概況

第三階段，DSP的完善階段（2000年以后）。這一時期各DSP制造商不僅使信號處理能力更加完善,而且使系統(tǒng)開發(fā)更加方便、程序編輯調(diào)試更加靈活、功耗進(jìn)一步降低、成本不斷下降。尤其是各種通用外設(shè)集成到片上,大大地提高了數(shù)字信號處理能力。這一時期的DSP運(yùn)算速度可達(dá)到單指令周期10ns左右，可在Windows環(huán)境下直接用C語言編程,使用方便靈活，使DSP芯片不僅在通信、計算機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且逐漸滲透到人們?nèi)粘ＯM(fèi)領(lǐng)域。

目前,DSP芯片的發(fā)展非常迅速。硬件方面主要是向多處理器的并行處理結(jié)構(gòu)、便于外部數(shù)據(jù)交換的串行總線傳輸、大容量片上RAM和ROM、程序加密、增加I/O驅(qū)動能力、外圍電路內(nèi)裝化、低功耗等方面發(fā)展。軟件方面主要是綜合開發(fā)平臺的完善，使DSP的應(yīng)用開發(fā)更加靈活方便。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用12第1章DSP緒論1.2.2DSP芯片的特點

數(shù)字信號處理不同于普通的科學(xué)計算與分析，它強(qiáng)調(diào)運(yùn)算的實時性。除了具備普通微處理器所強(qiáng)調(diào)的高速運(yùn)算和控制能力外,針對實時數(shù)字信號處理的特點,在處理器的結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、指令流程上作了很大的改進(jìn),其主要特點如下：1．采用哈佛結(jié)構(gòu)

DSP芯片普遍采用數(shù)據(jù)總線和程序總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)或改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu),比傳統(tǒng)處理器的馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)有更快的指令執(zhí)行速度。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用13第1章DSP緒論

1．采用哈佛結(jié)構(gòu)

(1)馮·諾伊曼（VonNeuman）結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)采用單存儲空間，即程序指令和數(shù)據(jù)共用一個存儲空間，使用單一的地址和數(shù)據(jù)總線，取指令和取操作數(shù)都是通過一條總線分時進(jìn)行。

當(dāng)進(jìn)行高速運(yùn)算時，不但不能同時進(jìn)行取指令和取操作數(shù)，而且還會造成數(shù)據(jù)傳輸通道的瓶頸現(xiàn)象，其工作速度較慢。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用14第1章DSP緒論

1．采用哈佛結(jié)構(gòu)

(1)馮·諾伊曼（VonNeuman）結(jié)構(gòu)

圖1.2.1馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)CPUI/O口ROM串行接口RAM并行接口外部存儲器接口地址總線AB數(shù)據(jù)總線DB2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用15第1章DSP緒論

1．采用哈佛結(jié)構(gòu)

（2）哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)采用雙存儲空間，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開，有各自獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，可獨(dú)立編址和獨(dú)立訪問，可對程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立傳輸，使取指令操作、指令執(zhí)行操作、數(shù)據(jù)吞吐并行完成，大大地提高了數(shù)據(jù)處理能力和指令的執(zhí)行速度，非常適合于實時的數(shù)字信號處理。微處理器的哈佛結(jié)構(gòu)如圖1.2.2所示。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用16第1章DSP緒論

1．采用哈佛結(jié)構(gòu)

（2）哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)外部管理數(shù)據(jù)總線外部管理地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)地址總線程序數(shù)據(jù)總線程序地址總線CPUI/O口ROM串行接口RAM并行接口外部存儲器接口圖1.2.2哈佛結(jié)構(gòu)外部管理數(shù)據(jù)總線外部管理地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)地址總線程序數(shù)據(jù)總線程序地址總線2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用17第1章DSP緒論

1．采用哈佛結(jié)構(gòu)

（3）改進(jìn)型的哈佛結(jié)構(gòu)

改進(jìn)型的哈佛結(jié)構(gòu)是采用雙存儲空間和數(shù)條總線，即一條程序總線和多條數(shù)據(jù)總線。其特點如下：

①允許在程序空間和數(shù)據(jù)空間之間相互傳送數(shù)據(jù),使這些數(shù)據(jù)可以由算術(shù)運(yùn)算指令直接調(diào)用,增強(qiáng)芯片的靈活性；

②提供了存儲指令的高速緩沖器（cache）和相應(yīng)的指令,當(dāng)重復(fù)執(zhí)行這些指令時,只需讀入一次就可連續(xù)使用，不需要再次從程序存儲器中讀出,從而減少了指令執(zhí)行作需要的時間。如：TMS320C6200系列的DSP,整個片內(nèi)程序存儲器都可以配制成高速緩沖結(jié)構(gòu)。2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用18第1章DSP緒論1.2.2DSP芯片的特點

2．采用多總線結(jié)構(gòu)

DSP芯片都采用多總線結(jié)構(gòu)，可同時進(jìn)行取指令和多個數(shù)據(jù)存取操作，并由輔助寄存器自動增減地址進(jìn)行尋址，使CPU在一個機(jī)器周期內(nèi)可多次對程序空間和數(shù)據(jù)空間進(jìn)行訪問，大大地提高了DSP的運(yùn)行速度。如：TMS320C54x系列內(nèi)部有P、C、D、E等4組總線，每組總線中都有地址總線和數(shù)據(jù)總線，這樣在一個機(jī)器周期內(nèi)可以完成如下操作：

①從程序存儲器中取一條指令；

②從數(shù)據(jù)存儲器中讀兩個操作數(shù)；

③向數(shù)據(jù)存儲器寫一個操作數(shù)。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用19第1章DSP緒論1.2.2DSP芯片的特點

3．采用流水線技術(shù)每條指令可通過片內(nèi)多功能單元完成取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行等多個步驟，實現(xiàn)多條指令的并行執(zhí)行，從而在不提高系統(tǒng)時鐘頻率的條件下減少每條指令的執(zhí)行時間。其過程如圖1.2.3所示。時鐘取指令指令譯碼取操作數(shù)執(zhí)行指令T1T2T3T4NN-1N-2N-3N+1NN-1N-2N+2N+1NN-1N+3N+2N+1N圖1.2.3四級流水線操作

利用這種流水線結(jié)構(gòu)，加上執(zhí)行重復(fù)操作，就能保證在單指令周期內(nèi)完成數(shù)字信號處理中用得最多的乘法-累加運(yùn)算。如：

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用20第1章DSP緒論1.2.2DSP芯片的特點

4.配有專用的硬件乘法-累加器

為了適應(yīng)數(shù)字信號處理的需要，當(dāng)前的DSP芯片都配有專用的硬件乘法-累加器，可在一個周期內(nèi)完成一次乘法和一次累加操作，從而可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的乘法-累加操作。如矩陣運(yùn)算、FIR和IIR濾波、FFT變換等專用信號的處理。

5.具有特殊的DSP指令

為了滿足數(shù)字信號處理的需要，在DSP的指令系統(tǒng)中，設(shè)計了一些完成特殊功能的指令。如：TMS320C54x中的FIRS和LMS指令，專門用于完成系數(shù)對稱的FIR濾波器和LMS算法。2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用21第1章DSP緒論1.2.2DSP芯片的特點

6．快速的指令周期

由于采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的指令以及集成電路的優(yōu)化設(shè)計，使指令周期可在20ns以下。如：TMS320C54x的運(yùn)算速度為100MIPS，即100百萬條/秒。7．硬件配置強(qiáng)

新一代的DSP芯片具有較強(qiáng)的接口功能，除了具有串行口、定時器、主機(jī)接口（HPI）、DMA控制器、軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器等片內(nèi)外設(shè)外，還配有中斷處理器、PLL、片內(nèi)存儲器、測試接口等單元電路，可以方便地構(gòu)成一個嵌入式自封閉控制的處理系統(tǒng)。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用22第1章DSP緒論1.2.2DSP芯片的特點

8．支持多處理器結(jié)構(gòu)

為了滿足多處理器系統(tǒng)的設(shè)計，許多DSP芯片都采用支持多處理器的結(jié)構(gòu)。如：TMS320C40提供了6個用于處理器間高速通信的32位專用通信接口，使處理器之間可直接對通，應(yīng)用靈活、使用方便；9．省電管理和低功耗

DSP功耗一般為0.5~4W，若采用低功耗技術(shù)可使功耗降到0.25W，可用電池供電，適用于便攜式數(shù)字終端設(shè)備。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用23第1章DSP緒論1.2.3DSP芯片的分類

為了適應(yīng)數(shù)字信號處理各種各樣的實際應(yīng)用，DSP廠商生產(chǎn)出多種類型和檔次的DSP芯片。在眾多的DSP芯片中，可以按照下列3種方式進(jìn)行分類。

1.按基礎(chǔ)特性分類2.

按用途分類3.按數(shù)據(jù)格式分類2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用24第1章DSP緒論1.2.3DSP芯片的分類1．按基礎(chǔ)特性分類

這種分類是依據(jù)DSP芯片的工作時鐘和指令類型進(jìn)行的。

可分為靜態(tài)DSP芯片和一致性DSP芯片。

如果DSP芯片在某時鐘頻率范圍內(nèi)的任何頻率上都能正常工作，除計算速度有變化外，沒有性能的下降，這類DSP芯片一般稱之為靜態(tài)DSP芯片。

例如，TI公司的TMS320系列芯片、日本OKI電氣公司的DSP芯片都屬于這一類芯片。

如果有兩種或兩種以上的DSP芯片，它們的指令集和相應(yīng)的機(jī)器代碼及管腳結(jié)構(gòu)相互兼容，則這類DSP芯片被稱之為一致性的DSP芯片。

例如，TI公司的TMS320C54x。2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用25第1章DSP緒論1.2.3DSP芯片的分類2.

按用途分類按照用途，可將DSP芯片分為通用型和專用型兩大類。

通用型DSP芯片：一般是指可以用指令編程的DSP芯片，適合于普通的DSP應(yīng)用，具有可編程性和強(qiáng)大的處理能力，可完成復(fù)雜的數(shù)字信號處理的算法。

專用型DSP芯片：是為特定的DSP運(yùn)算而設(shè)計，通常只針對某一種應(yīng)用，相應(yīng)的算法由內(nèi)部硬件電路實現(xiàn)，適合于數(shù)字濾波、FFT、卷積和相關(guān)算法等特殊的運(yùn)算。主要用于要求信號處理速度極快的特殊場合。2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用26第1章DSP緒論1.2.3DSP芯片的分類3．按數(shù)據(jù)格式分類

根據(jù)芯片工作的數(shù)據(jù)格式，按其精度或動態(tài)范圍，可將通用DSP劃分為定點DSP和浮點DSP兩類。若數(shù)據(jù)以定點格式工作的——定點DSP芯片。若數(shù)據(jù)以浮點格式工作的——浮點DSP芯片。

不同的浮點DSP芯片所采用的浮點格式有所不同，有的DSP芯片采用自定義的浮點格式，有的DSP芯片則采用IEEE的標(biāo)準(zhǔn)浮點格式。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用27第1章DSP緒論1.2.4DSP芯片的應(yīng)用隨著DSP芯片價格的下降，性能價格比的提高，DSP芯片具有巨大的應(yīng)用潛力。

主要應(yīng)用：

1.信號處理

2.通信3.語音4.圖像處理5.軍事

6.儀器儀表7.自動控制8.醫(yī)療工程9.家用電器10.計算機(jī)如：數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、快速傅氏變換、Hilbert變換、相關(guān)運(yùn)算、頻譜分析、卷積、模式匹配、窗函數(shù)、波形產(chǎn)生等；

如：調(diào)制解調(diào)器、自適應(yīng)均衡、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、回波抵消、多路復(fù)用、傳真、擴(kuò)頻通信、移動通信、糾錯編譯碼、可視電話、路由器等；如：語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強(qiáng)、語音郵件、語音存儲、文本—語音轉(zhuǎn)換等；如：二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像鑒別、圖像增強(qiáng)、圖像轉(zhuǎn)換、模式識別、動畫、電子地圖、機(jī)器人視覺等；

如：保密通信雷達(dá)處理聲納處理導(dǎo)航導(dǎo)彈制導(dǎo)電子對抗全球定位GPS搜索與跟蹤情報收集與處理等如：頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、鎖相環(huán)、模態(tài)分析、暫態(tài)分析、石油/地質(zhì)勘探、地震預(yù)測與處理等；

如：引擎控制聲控發(fā)動機(jī)控制自動駕駛機(jī)器人控制磁盤/光盤伺服控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等如：助聽器X-射線掃描心電圖/腦電圖超聲設(shè)備核磁共振診斷工具病人監(jiān)護(hù)等如：高保真音響音樂合成音調(diào)控制玩具與游戲數(shù)字電話/電視高清晰度電視HDTV變頻空調(diào)機(jī)頂盒等如：震裂處理器圖形加速器工作站多媒體計算機(jī)等2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用28第1章DSP緒論1.2.5DSP芯片的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢1．DSP芯片的現(xiàn)狀（1）制造工藝

早期DSP采用4m的NMOS工藝。現(xiàn)在的DSP芯片普遍采用0.25m或0.18m亞微米的CMOS工藝。芯片引腳從原來的40個增加到200個以上，需要設(shè)計的外圍電路越來越少，成本、體積和功耗不斷下降。（2）存儲器容量

早期的DSP芯片，其片內(nèi)程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器只有幾百個單元。目前，片內(nèi)程序和數(shù)據(jù)存儲器可達(dá)到幾十K字，而片外程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器可達(dá)到16M48位和4G40位以上。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用29第1章DSP緒論1.2.5DSP芯片的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢1．DSP芯片的現(xiàn)狀（3）內(nèi)部結(jié)構(gòu)

目前，DSP內(nèi)部均采用多總線、多處理單元和多級流水線結(jié)構(gòu)，加上完善的接口功能，使DSP的系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)處理能力和與外部設(shè)備的通信功能都有了很大的提高。

（4）運(yùn)算速度

近20年的發(fā)展，使DSP的指令周期從400ns縮短到10ns以下，其相應(yīng)的速度從2.5MIPS提高到2000MIPS以上。如TMS320C6201執(zhí)行一次1024點復(fù)數(shù)FFT運(yùn)算的時間只有66S。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用30第1章DSP緒論1.2.5DSP芯片的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢1．DSP芯片的現(xiàn)狀（5）高度集成化

集濾波、A/D、D/A、ROM、RAM和DSP內(nèi)核于一體的模擬混合式DSP芯片已有較大的發(fā)展和應(yīng)用。

（6）運(yùn)算精度和動態(tài)范圍

DSP的字長從8位已增加到32位，累加器的長度也增加到40位，從而提高了運(yùn)算精度。同時，采用超長字指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)和高性能的浮點運(yùn)算，擴(kuò)大了數(shù)據(jù)處理的動態(tài)范圍。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用31第1章DSP緒論1.2.5DSP芯片的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢1．DSP芯片的現(xiàn)狀（7）開發(fā)工具

具有較完善的軟件和硬件開發(fā)工具，如：軟件仿真器Simulator、在線仿真器Emulator、C編譯器和集成開發(fā)環(huán)境CCS等，給開發(fā)應(yīng)用帶來很大方便。

CCS是TI公司針對本公司的DSP產(chǎn)品開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境。它集成了代碼的編輯、編譯、鏈接和調(diào)試等諸多功能，而且支持C/C++和匯編的混合編程。開放式的結(jié)構(gòu)允許外擴(kuò)用戶自身的模塊。2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用32第1章DSP緒論1.2.5DSP芯片的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢2．國內(nèi)DSP的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)入21世紀(jì)以后，中國新興的數(shù)字消費(fèi)類電子產(chǎn)品進(jìn)入增長期，市場呈現(xiàn)高增長態(tài)勢，普及率大幅度提高，從而帶動了DSP市場的高速發(fā)展。此外，計算機(jī)、通信和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的數(shù)字化融合也為DSP提供了進(jìn)一步的發(fā)展機(jī)會。隨著中國數(shù)字消費(fèi)類產(chǎn)品需求的大幅增長，以及DSP對數(shù)字信號高速運(yùn)算與同步處理能力的提高，DSP的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅饾u從移動電話領(lǐng)域擴(kuò)展到新型數(shù)字消費(fèi)類領(lǐng)域。

應(yīng)用：用于圖像壓縮與傳輸?shù)葓D像信號的處理，語音的編碼、合成、識別和高保真等語音信號的處理以及通信信號的調(diào)制解調(diào)、加密、多路復(fù)用、擴(kuò)頻、糾錯編碼等處理。2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用33第1章DSP緒論1.2.5DSP芯片的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢3．DSP技術(shù)的發(fā)展趨勢未來的10年，全球DSP產(chǎn)品將向著高性能、低功耗、加強(qiáng)融合和拓展多種應(yīng)用的趨勢發(fā)展，DSP芯片將越來越多地滲透到各種電子產(chǎn)品當(dāng)中，成為各種電子產(chǎn)品尤其是通信類電子產(chǎn)品的技術(shù)核心。DSP技術(shù)將會有以下一些發(fā)展趨勢：（1）DSP的內(nèi)核結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步改善

多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重數(shù)據(jù)（SIMD）、特大指令字組（VLIM）將在新的高性能處理器中占主導(dǎo)地位，如AD公司的ADSP-2116x。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用34第1章DSP緒論1.2.5DSP芯片的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢3．DSP技術(shù)的發(fā)展趨勢（2）DSP和微處理器的融合

微處理器MPU：是一種執(zhí)行智能定向控制任務(wù)的通用處理器，它能很好地執(zhí)行智能控制任務(wù)，但是對數(shù)字信號的處理功能很差。

DSP處理器：具有高速的數(shù)字信號處理能力。

在許多應(yīng)用中均需要同時具有智能控制和數(shù)字信號處理兩種功能。

將DSP和微處理器結(jié)合起來，可簡化設(shè)計，加速產(chǎn)品的開發(fā)，減小PCB體積，降低功耗和整個系統(tǒng)的成本。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用35第1章DSP緒論1.2.5DSP芯片的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢3．DSP技術(shù)的發(fā)展趨勢（3）DSP和高檔CPU的融合大多數(shù)高檔MCU，如Pentium和PowerPC都是SIMD指令組的超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，速度很快。

在DSP中融入高檔CPU的分支預(yù)示和動態(tài)緩沖技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)規(guī)范，利于編程，不用進(jìn)行指令排隊，使DSP性能大幅度提高。

（4）DSP和SOC的融合

SOC是指把一個系統(tǒng)集成在一塊芯片上。這個系統(tǒng)包括DSP和系統(tǒng)接口軟件等。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用36第1章DSP緒論1.2.5DSP芯片的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢3．DSP技術(shù)的發(fā)展趨勢（5）DSP和FPGA的融合

FPGA是現(xiàn)場可編程門陣列器件。它和DSP集成在一塊芯片上，可實現(xiàn)寬帶信號處理，大大提高信號處理速度。

（6）實時操作系統(tǒng)RTOS與DSP的結(jié)合

隨著DSP處理能力的增強(qiáng)，DSP系統(tǒng)越來越復(fù)雜，使得軟件的規(guī)模越來越大，往往需要運(yùn)行多個任務(wù)，各任務(wù)間的通信、同步等問題就變得非常突出。

隨著DSP性能和功能的日益增強(qiáng)，對DSP應(yīng)用提供RTOS的支持已成為必然的結(jié)果。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用37第1章DSP緒論1.2.5DSP芯片的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢3．DSP技術(shù)的發(fā)展趨勢（7）DSP的并行處理結(jié)構(gòu)為了提高DSP芯片的運(yùn)算速度，各DSP廠商紛紛在DSP芯片中引入并行處理機(jī)制。這樣，可以在同一時刻將不同的DSP與不同的任一存儲器連通，大大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。?）功耗越來越低

隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)和先進(jìn)的電源管理設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，DSP芯片內(nèi)核的電源電壓將會越來越低。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用38第1章DSP緒論1.3DSP系統(tǒng)1.3.1DSP系統(tǒng)的構(gòu)成

一個典型的DSP系統(tǒng)應(yīng)包括抗混疊濾波器、數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器DSP、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器等組成。

x(t)抗混疊濾波器A/D轉(zhuǎn)換器x(n)y(n)y(t)數(shù)字信號處理器D/A轉(zhuǎn)換器低通濾波器2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用39第1章DSP緒論

DSP系統(tǒng)的處理過程：

①將輸入信號x(t)進(jìn)行抗混疊濾波，濾掉高于折疊頻率的分量，以防止信號頻譜的混疊；

②經(jīng)采樣和A/D轉(zhuǎn)換器，將濾波后的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號x(n)；

③數(shù)字信號處理器對x(n)進(jìn)行處理，得數(shù)字信號y(n)；

④經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器，將y(n)轉(zhuǎn)換成模擬信號；

⑤經(jīng)低通濾波器，濾除高頻分量，得到平滑的模擬信號y(t)。2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用40第1章DSP緒論1.3.2DSP系統(tǒng)的特點

（1）接口方便（2）編程方便（3）具有高速性（4）穩(wěn)定性好（5）精度高（6）可重復(fù)性好（7）集成方便2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用41第1章DSP緒論1.3.3DSP系統(tǒng)的設(shè)計過程

DSP應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計過程如圖所示。

根據(jù)需求寫出任務(wù)書確定設(shè)計目標(biāo)算法研究和系統(tǒng)模擬實現(xiàn)定義系統(tǒng)性能指標(biāo)選擇DSP芯片和外圍芯片硬件設(shè)計硬件調(diào)試軟件設(shè)計軟件調(diào)試系統(tǒng)集成和測試設(shè)計步驟分幾個階段：

（1）明確設(shè)計任務(wù)，確定設(shè)計目標(biāo)（2）算法模擬，確定性能指標(biāo)（3）選擇DSP芯片和外圍芯片（4）設(shè)計實時的DSP應(yīng)用系統(tǒng)（5）硬件和軟件調(diào)試（6）系統(tǒng)集成和測試

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用42第1章DSP緒論1.3.4DSP芯片的選擇

在進(jìn)行DSP系統(tǒng)設(shè)計時，選擇合適的DSP芯片是非常重要的一個環(huán)節(jié)。通常依據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)算速度、運(yùn)算精度和存儲器的需求等來選擇DSP芯片。

一般來說，選擇DSP芯片時應(yīng)考慮如下一些因素。

1．DSP芯片的運(yùn)算速度2．DSP芯片的價格

3．DSP芯片的運(yùn)算精度

4．DSP芯片的硬件資源

5．DSP芯片的開發(fā)工具6．DSP芯片的功耗7．其它因素

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用43第1章DSP緒論1.3.4DSP芯片的選擇

2．DSP芯片的價格

DSP芯片的價格也是選擇DSP芯片所需考慮的一個重要因素。

在系統(tǒng)的設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)實際系統(tǒng)的應(yīng)用情況來選擇一個價格適中的DSP芯片。

3．DSP芯片的運(yùn)算精度

運(yùn)算精度取決于DSP芯片的字長。

定點DSP芯片的字長通常為16位和24位。

浮點DSP芯片的字長一般為32位。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用44第1章DSP緒論

4．DSP芯片的硬件資源

DSP芯片的硬件資源主要包括：片內(nèi)RAM、ROM的數(shù)量，外部可擴(kuò)展的程序和數(shù)據(jù)空間，總線接口，I/O接口等。

不同的DSP芯片所提供的硬件資源是不相同的，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實際需要，考慮芯片的硬件資源。

5．DSP芯片的開發(fā)工具

快捷、方便的開發(fā)工具和完善的軟件支持是開發(fā)大型、復(fù)雜DSP應(yīng)用系統(tǒng)的必備條件。

在選擇DSP芯片的同時必須注意開發(fā)工具對芯片的支持，包括軟件和硬件的開發(fā)工具等。2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用45第1章DSP緒論

6．DSP芯片的功耗

在某些DSP應(yīng)用場合，功耗也是一個需要特別注意的問題。如便攜式的DSP設(shè)備、手持設(shè)備、野外應(yīng)用的DSP設(shè)備等都對功耗有特殊的要求。

7．其它因素

選擇DSP芯片還應(yīng)考慮封裝的形式、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、供貨情況、生命周期等。

2023年2月4日DSP原理及應(yīng)用46第1章DSP緒論1.4DSP產(chǎn)品簡介目前，在生產(chǎn)通用DSP的廠家中，最有影響的公司有：

AD公司AT&T公司（現(xiàn)在的Lucent公司）Motorola公司TI公司（美國德州儀器公司）NEC公