Digital Signal Processing 數(shù)字信號處理

作為一個案例研究,我們來考慮數(shù)字領域里最通常的功能:濾波.簡單地說,濾波就是對信號進行處理,以改善其特性.例如,濾波可以從信號里清除噪聲或靜電干擾,從而改善其信噪比.為什么要用微處理器,而不是模擬器件來對信號做濾波呢?我們來看看其優(yōu)越性:
模擬濾波器(或者更一般地說,模擬電路)的性能要取決于溫度等環(huán)境因素.而數(shù)字濾波器則基本上不受環(huán)境的影響.
數(shù)字濾波易于在非常小的寬容度內(nèi)進行復制,因為其性能并不取決于性能已偏離正常值的器件的組合.
一個模擬濾波器一旦制造出來,其特性(例如通帶頻率范圍)是不容易改變的.使用微處理器來實現(xiàn)數(shù)字濾波器,就可以通過對其重新編程來改變?yōu)V波的特性.

信號處理方式的比較

比較因素 模擬方式 數(shù)字方式
修改設計的靈活性 修改硬件設計,或調(diào)整硬件參數(shù) 改變軟件設置
精度 元器件精度 A/D的位數(shù)和計算機字長,算法
可靠性和可重復性 受環(huán)境溫度、濕度、噪聲、 不受這些因素的影響
電磁場等的干擾和影響大
大規(guī)模集成 盡管已有一些模擬集成電路, 但品種較少、集成度不高、價格較高DSP器件體積小、功能強、功耗小、一致性好、使用方便、性能/價格比高
實時性 除開電路引入的延時外,處理是實時的 由計算機的處理速度決定
高頻信號的處理 可以處理包括微波毫米波乃至光波信號 按照奈準則的要求,受S/H、A/D和 處理速度的限制

Digital Signal Processor 數(shù)字信號處理器

微處理器(Microprocessor)的分類
通用處理器(GPP)
采用馮.諾依曼結(jié)構,程序和數(shù)據(jù)的存儲空間合二而一
8-bit Apple(6502),NEC PC-8000(Z80)
8086/286/386/486/Pentium/Pentium II/ Pentium III
PowerPc 64-bit CPU(SUN Sparc,DEC Alpha, HP)
CISC 復雜指令計算機, RISC 精簡指令計算機
采取各種方法提高計算速度,提高時鐘頻率,高速總線,多級Cashe,協(xié)處理器等
Single Chip Computer/ Micro Controller Unit(MCU)
除開通用CPU所具有的ALU和CU,還有存儲器(RAM/ROM)寄存器,時鐘,計數(shù)器,定時器,串/并口,有的還有A/D,D/A
INTEL MCS/48/51/96(98)
MOTOROLA HCS05/011
DSP
采用哈佛結(jié)構,程序和數(shù)據(jù)分開存儲
采用一系列措施保證數(shù)字信號的處理速度,如對FFT的專門優(yōu)化
MCU與DSP的簡單比較
MCU DSP
低檔 高檔 低檔 高檔
指令周期(ns) 600 40 50 5
乘加時間(ns) 1900 80 50 5
US$/MIPS 1.5 0.5 0.15 0.1

DSP處理器與通用處理器的比較
考慮一個數(shù)字信號處理的實例,比如有限沖擊響應濾波器(FIR).用數(shù)學語言來說,FIR濾波器是做一系列的點積.取一個輸入量和一個序數(shù)向量,在系數(shù)和輸入樣本的滑動窗口間作乘法,然后將所有的乘積加起來,形成一個輸出樣本.

類似的運算在數(shù)字信號處理過程中大量地重復發(fā)生,使得為此設計的器件必須提供專門的支持,促成了了DSP器件與通用處理器(GPP)的分流:

1 對密集的乘法運算的支持

GPP不是設計來做密集乘法任務的,即使是一些現(xiàn)代的GPP,也要求多個指令周期來做一次乘法.而DSP處理器使用專門的硬件來實現(xiàn)單周期乘法.DSP處理器還增加了累加器寄存器來處理多個乘積的和.累加器寄存器通常比其他寄存器寬,增加稱為結(jié)果bits的額外bits來避免溢出.
同時,為了充分體現(xiàn)專門的乘法-累加硬件的好處,幾乎所有的DSP的指令集都包含有顯式的MAC指令.

2 存儲器結(jié)構

傳統(tǒng)上,GPP使用馮.諾依曼存儲器結(jié)構.這種結(jié)構中,只有一個存儲器空間通過一組總線(一個地址總線和一個數(shù)據(jù)總線)連接到處理器核.通常,做一次乘法會發(fā)生4次存儲器訪問,用掉至少四個指令周期.

大多數(shù)DSP采用了哈佛結(jié)構,將存儲器空間劃分成兩個,分別存儲程序和數(shù)據(jù).它們有兩組總線連接到處理器核,允許同時對它們進行訪問.這種安排將處理器存貯器的帶寬加倍,更重要的是同時為處理器核提供數(shù)據(jù)與指令.在這種布局下,DSP得以實現(xiàn)單周期的MAC指令.

還有一個問題,即現(xiàn)在典型的高性能GPP實際上已包含兩個片內(nèi)高速緩存,一個是數(shù)據(jù),一個是指令,它們直接連接到處理器核,以加快運行時的訪問速度.從物理上說,這種片內(nèi)的雙存儲器和總線的結(jié)構幾乎與哈佛結(jié)構的一樣了.然而從邏輯上說,兩者還是有重要的區(qū)別.

GPP使用控制邏輯來決定哪些數(shù)據(jù)和指令字存儲在片內(nèi)的高速緩存里,其程序員并不加以指定(也可能根本不知道).與此相反,DSP使用多個片內(nèi)存儲器和多組總線來保證每個指令周期內(nèi)存儲器的多次訪問.在使用DSP時,程序員要明確地控制哪些數(shù)據(jù)和指令要存儲在片內(nèi)存儲器中.程序員在寫程序時,必須保證處理器能夠有效地使用其雙總線.

此外,DSP處理器幾乎都不具備數(shù)據(jù)高速緩存.這是因為DSP的典型數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)流.也就是說,DSP處理器對每個數(shù)據(jù)樣本做計算后,就丟棄了,幾乎不再重復使用.

3 零開銷循環(huán)

如果了解到DSP算法的一個共同的特點,即大多數(shù)的處理時間是花在執(zhí)行較小的循環(huán)上,也就容易理解,為什么大多數(shù)的DSP都有專門的硬件,用于零開銷循環(huán).所謂零開銷循環(huán)是指處理器在執(zhí)行循環(huán)時,不用花時間去檢查循環(huán)計數(shù)器的值、條件轉(zhuǎn)移到循環(huán)的頂部、將循環(huán)計數(shù)器減1.

與此相反,GPP的循環(huán)使用軟件來實現(xiàn).某些高性能的GPP使用轉(zhuǎn)移預報硬件,幾乎達到與硬件支持的零開銷循環(huán)同樣的效果.

4 定點計算

大多數(shù)DSP使用定點計算,而不是使用浮點.雖然DSP的應用必須十分注意數(shù)字的精確,用浮點來做應該容易的多,但是對DSP來說,廉價也是非常重要的.定點機器比起相應的浮點機器來要便宜(而且更快).為了不使用浮點機器而又保證數(shù)字的準確,DSP處理器在指令集和硬件方面都支持飽和計算、舍入和移位.

5 專門的尋址方式

DSP處理器往往都支持專門的尋址模式,它們對通常的信號處理操作和算法是很有用的.例如,模塊(循環(huán))尋址(對實現(xiàn)數(shù)字濾波器延時線很有用)、位倒序?qū)ぶ?對FFT很有用).這些非常專門的尋址模式在GPP中是不常使用的,只有用軟件來實現(xiàn).

6 執(zhí)行時間的預測

大多數(shù)的DSP應用(如蜂窩電話和調(diào)制解調(diào)器)都是嚴格的實時應用,所有的處理必須在指定的時間內(nèi)完成.這就要求程序員準確地確定每個樣本需要多少處理時間,或者,至少要知道,在最壞的情況下,需要多少時間.

如果打算用低成本的GPP去完成實時信號處理的任務,執(zhí)行時間的預測大概不會成為什么問題,應為低成本GPP具有相對直接的結(jié)構,比較容易預測執(zhí)行時間.然而,大多數(shù)實時DSP應用所要求的處理能力是低成本GPP所不能提供的.

這時候,DSP對高性能GPP的優(yōu)勢在于,即便是使用了高速緩存的DSP,哪些指令會放進去也是由程序員(而不是處理器)來決定的,因此很容易判斷指令是從高速緩存還是從存儲器中讀取.DSP一般不使用動態(tài)特性,如轉(zhuǎn)移預測和推理執(zhí)行等.因此,由一段給定的代碼來預測所要求的執(zhí)行時間是完全直截了當?shù)?從而使程序員得以確定芯片的性能限制.

7 定點DSP指令集

定點DSP指令集是按兩個目標來設計的:

使處理器能夠在每個指令周期內(nèi)完成多個操作,從而提高每個指令周期的計算效率.
將存貯DSP程序的存儲器空間減到最小(由于存儲器對整個系統(tǒng)的成本影響甚大,該問題在對成本敏感的DSP應用中尤為重要).
為了實現(xiàn)這些目標,DSP處理器的指令集通常都允許程序員在一個指令內(nèi)說明若干個并行的操作.例如,在一條指令包含了MAC操作,即同時的一個或兩個數(shù)據(jù)移動.在典型的例子里,一條指令就包含了計算FIR濾波器的一節(jié)所需要的所有操作.這種高效率付出的代價是,其指令集既不直觀,也不容易使用(與GPP的指令集相比).

GPP的程序通常并不在意處理器的指令集是否容易使用,因為他們一般使用象C或C++等高級語言.而對于DSP的程序員來說,不幸的是主要的DSP應用程序都是用匯編語言寫的(至少部分是匯編語言優(yōu)化的).這里有兩個理由:首先,大多數(shù)廣泛使用的高級語言,例如C,并不適合于描述典型的DSP算法.其次,DSP結(jié)構的復雜性,如多存儲器空間、多總線、不規(guī)則的指令集、高度專門化的硬件等,使得難于為其編寫高效率的編譯器.

即便用編譯器將C源代碼編譯成為DSP的匯編代碼,優(yōu)化的任務仍然很重.典型的DSP應用都具有大量計算的要求,并有嚴格的開銷限制,使得程序的優(yōu)化必不可少(至少是對程序的最關鍵部分).因此,考慮選用DSP的一個關鍵因素是,是否存在足夠的能夠較好地適應DSP處理器指令集的程序員.

8 開發(fā)工具的要求

因為DSP應用要求高度優(yōu)化的代碼,大多數(shù)DSP廠商都提供一些開發(fā)工具,以幫助程序員完成其優(yōu)化工作.例如,大多數(shù)廠商都提供處理器的仿真工具,以準確地仿真每個指令周期內(nèi)處理器的活動.無論對于確保實時操作還是代碼的優(yōu)化,這些都是很有用的工具.

GPP廠商通常并不提供這樣的工具,主要是因為GPP程序員通常并不需要詳細到這一層的信息.GPP缺乏精確到指令周期的仿真工具,是DSP應用開發(fā)者所面臨的的大問題:由于幾乎不可能預測高性能GPP對于給定任務所需要的周期數(shù),從而無法說明如何去改善代碼的性能.

DSP硬件結(jié)構的特點和軟件的特點
硬件結(jié)構的特點

1 Harvard結(jié)構


程序與數(shù)據(jù)存儲空間分開,各有獨立的地址總線和數(shù)據(jù)總線,取指和讀數(shù)可以同時進行,從而提高速度,目前的水平已達到90億次浮點運算/秒(9000MFLOPS)

2 采用流水作業(yè)(pipline)

3 獨立的硬件乘法器

乘法指令在單周期內(nèi)完成,優(yōu)化卷積、數(shù)字濾波、FFT、相關、矩陣運算等算法中的大量重復乘法

4 循環(huán)尋址(Circular addressing),位倒序(bit-reversed)等特殊指令

使FFT、卷積等運算中的尋址、排序及計算速度大大提高.1024點FFT的時間已小于1μs

5 獨立的DMA總線和控制器

有一組或多組獨立的DMA總線,與CPU的程序、數(shù)據(jù)總線并行工作,在不影響CPU工作的條件下,DMA速度已達800Mbyte/s以上

6 多處理器接口

使多個處理器可以很方便的并行或串行工作以提高處理速度

7 JTAG(Joint Test Action Group)標準測試接口(IEEE 1149標準接口)

便于對DSP作片上的在線仿真和多DSP條件下的調(diào)試



軟件的特點
1 立即數(shù)尋址

2 直接尋址

TI公司的TMS320系列芯片將數(shù)據(jù)存儲器分為512頁,每頁128字.設置一個數(shù)據(jù)頁指針DP(Data Pointer),用9-bit指向一個數(shù)據(jù)頁,再加上一個7-bit的頁內(nèi)偏移地址,形成16-bit的數(shù)據(jù)地址.這樣有利于大大加快尋址速度.

3 間接尋址

8個輔助寄存器(AR0--AR7),由一個輔助寄存器指針(ARP 3-bit)來指定一個輔助寄存器算術單元(ARAU)作16-bit無符號數(shù)運算,決定一個新的地址,裝入輔助寄存器中的一個

AR0--AR7的內(nèi)容相當靈活,可以裝入立即數(shù),加上立即數(shù),減去立即數(shù);也可以從數(shù)據(jù)存儲器裝入地址;還可以作以下的變址尋址:

將該AR的內(nèi)容加1或減1,再尋址(循環(huán)常用)
將該AR的內(nèi)容加上或減去AR0的內(nèi)容,再尋址
將該AR的內(nèi)容逆向進位加上或減去AR0的內(nèi)容,再尋址

由于采用反向進位,得以實現(xiàn)位倒序?qū)ぶ?

原序 原地址 位倒序后地址 位倒序
0 000 000 0
1 001 100 4
2 010 010 2
3 011 110 6
4 100 001 1
5 101 101 5
6 110 011 3
7 111 111 7
例:MAC X0,Y0,A X:(R0)+,X0 Y:(R4)+N4,Y0
這條指令命令DSP56300:

將寄存器X0和Y0中的數(shù)相乘
結(jié)果加到Acc A中
將寄存器R0所指的X存儲器地址中的值裝入寄存器X0
將寄存器R4所指的Y存儲器地址中的值裝入寄存器Y0 R0的值加1
寄存器N4的值加給R4


可以看到,運算后的次序符合FFT的蝶形運算的要求

采用循環(huán)尋址實現(xiàn)零開銷的循環(huán),大大增進了如卷積、相關、矩陣運算、FIR等算法的實現(xiàn)速度

4 獨特的乘法指令

DSP開發(fā)工具
1 代碼生成工具

C 優(yōu)化編譯器

匯編語言工具
匯編器(Assembler)
連接器(Linker)
歸檔器(Archiver)
交叉引用列表器(Cross-Reference Lister)
2 系統(tǒng)集成及調(diào)試環(huán)境與工具(以TI為例)

調(diào)試器接口(C/Assembly source debugger)

為嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)提供了豐富的功能與靈活性.該調(diào)試器是下面要討論的軟仿真器、評估模塊、在線仿真器等的標準接口.

該調(diào)試器可以運行在PC或SPARC等平臺上,對用C 或匯編語言寫的程序提供完全的控制.其代碼分析功能通過快速確認最費時的程序段,提示應該將開發(fā)時間集中在什么地方

軟仿真器(Simulator)
TMS320軟件仿真器是一個軟件程序,使用主機的處理器和存儲器來仿真TMS320 DSP的微處理器和微計算機模式,從而進行軟件開發(fā)和非實時的程序驗證.在PC機上,典型的仿真速度為每秒幾百條指令

DSP入門套件(DSK,DSP Starter Kit)
為初學者設計和生產(chǎn)的DSK是一種用以評價DSP平臺的廉價的開發(fā)工具.在PC機的DOS或Windows下,用戶可以使用DSK來作DSP的實驗,進行諸如控制系統(tǒng)、語音處理等應用;也可以用來編寫和運行實時源代碼,并對其作評估;還可以用來調(diào)試用戶自己的系統(tǒng)

銀杏開發(fā)、實驗系統(tǒng)(DES,Dsp Expirement System)
銀杏DES含有TMS320C542-40及相關接口,還特別內(nèi)置了信號源,附帶虛擬示波器和頻譜儀軟件.采用這套系統(tǒng)使用戶對外設的依賴降到最低,僅僅需要一張卡和一套軟件就可以進行DSP的開發(fā)或?qū)嶒?

標準評估模塊(EVM)
TMS320的評估模塊(EVM)是廉價的開發(fā)板,用于器件評估、標準程序檢查、以及有限的系統(tǒng)調(diào)試.EVM是一個PC插件,包括目標處理器、一個小容量的存儲器、和有限的外設.EVM可以用來實時運行代碼,并與外部系統(tǒng)接口

TMS320硬件仿真器(Emulators)

擴展開發(fā)系統(tǒng)(XDS,extended development system)是功能強大的全速仿真器,用以作系統(tǒng)級的集成與調(diào)試.

掃描式仿真(Scan-Based Emulator)是一種獨特的、非插入式的系統(tǒng)仿真、集成、調(diào)試方法.使用這種方法,程序可以從片內(nèi)或片外的目標存儲器實時執(zhí)行,在任何時鐘速度下都不會引入額外的等待狀態(tài)

3 實時操作系統(tǒng)

對于簡單的DSP任務,用前面介紹的開發(fā)工具已能滿足開發(fā)任務的需要,往往不需要操作系統(tǒng)就可以進行.但當DSP的任務增加和任務的復雜性提高,例如對實時性要求很高的多DSP并行操作的多任務系統(tǒng),可能就需要某種操作系統(tǒng)來管理系統(tǒng)的資源,安排多任務的執(zhí)行和任務間的信息交換等

DSP的操作系統(tǒng)SPOX
SPOX是專為DSP系統(tǒng)設計和軟件開發(fā)而設計的實時多任務操作系統(tǒng).它提供一組由C語言調(diào)用的功能,與所開發(fā)的硬件平臺無關,從而將DSP的實時應用部分從許多低層的硬件細節(jié)中隔離出來.它作為DSP實時應用開發(fā)的一個集成環(huán)境,完成從新的算法概念出發(fā),直到把應用軟件裝入產(chǎn)品硬件的整個開發(fā)任務




DSP芯片介紹
1 什么是DSP芯片
DSP芯片,也稱數(shù)字信號處理器,是一種具有特殊結(jié)構的微處理器.DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構,具有專門的硬件乘法器,廣泛采用流水線操作,提供特殊的DSP 指令,可以用來快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法.根據(jù)數(shù)字信號處理的要求,DSP芯片一般具有如下的一些主要特點:


(1) 在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法.

(2) 程序和數(shù)據(jù)空間分開,可以同時訪問指令和數(shù)據(jù).

(3) 片內(nèi)具有快速RAM,通常可通過獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問.

(4) 具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持.

(5) 快速的中斷處理和硬件I/O支持.

(6) 具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器.

(7) 可以并行執(zhí)行多個操作.

(8) 支持流水線操作,使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行.

與通用微處理器相比,DSP芯片的其他通用功能相對較弱些.

2 DSP芯片的發(fā)展

世界上第一個單片DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811,1979年美國Iintel公司發(fā)布的商用可編程期間2920是DSP芯片的一個主要里程碑.這兩種芯片內(nèi)部都沒有現(xiàn)代DSP芯片所必須的單周期芯片. 1980年.日本NEC公司推出的μPD7720是第一個具有乘法器的商用DSP 芯片.第一個采用CMOS工藝生產(chǎn)浮點DSP芯片的是日本的Hitachi 公司,它于1982年推出了浮點DSP芯片.1983年,日本的Fujitsu公司推出的MB8764,其指令周期為120ns ,且具有雙內(nèi)部總線,從而處理的吞吐量發(fā)生了一個大的飛躍.而第一個高性能的浮點DSP芯片應是AT&T公司于1984年推出的DSP32.

在這么多的DSP芯片種類中,最成功的是美國德克薩斯儀器公司(Texas Instruments,簡稱TI)的一系列產(chǎn)品.TI公司災982年成功推出啟迪一代DSP芯片TMS32010及其系列產(chǎn)品TMS32011、TMS32C10/C14/C15/C16/C17等,之后相繼推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28,第三代DSP芯片TMS32C30/C31/C32,第四代DSP芯片TMS32C40/C44,第五代DSP芯片TMS32C50/C51/C52/C53以及集多個DSP于一體的高性能DSP芯片TMS32C80/C82等.

自1980年以來,DSP芯片得到了突飛猛進的發(fā)展,DSP芯片的應用越來越廣泛.從運算速度來看,MAC(一次乘法和一次加法)時間已經(jīng)從80年代初的400ns(如TMS32010)降低到40ns(如TMS32C40),處理能力提高了10多倍.DSP芯片內(nèi)部關鍵的乘法器部件從1980年的占模區(qū)的40左右下降到5以下,片內(nèi)RAM增加一個數(shù)量級以上.從制造工藝來看,1980年采用4μ的N溝道MOS工藝,而現(xiàn)在則普遍采用亞微米CMOS工藝.DSP芯片的引腳數(shù)量從1980年的最多64個增加到現(xiàn)在的200個以上,引腳數(shù)量的增加,意味著結(jié)構靈活性的增加.此外,DSP芯片的發(fā)展,是DSP系統(tǒng)的成本、體積、重量和功耗都有很大程度的下降.

3 DSP芯片的分類

DSP的芯片可以按照以下的三種方式進行分類.

1. 按基礎特性分

這是根據(jù)DSP芯片的工作時鐘和指令類型來分類的.如果DSP芯片在某時鐘頻率范圍內(nèi)的任何頻率上能正常工作,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.

如果有兩種或兩種以上的DSP芯片,它們的指令集和相應的機器代碼機管腳結(jié)構相互兼容,則這類DSP芯片稱之為一致性的DSP芯片.

2. 按數(shù)據(jù)格式分

這是根據(jù)DSP芯片工作的數(shù)據(jù)格式來分類的.數(shù)據(jù)以定點格式工作的DSP芯片稱之為定點DSP芯片.以浮點格式工作的稱為DSP芯片.不同的浮點DSP芯片所采用的浮點格式不完全一樣,有的DSP芯片采用自定義的浮點格式,有的DSP芯片則采用IEEE的標準浮點格式.

3. 按用途分

按照DSP芯片的用途來分,可分為通用型DSP芯片和專用型的DSP芯片.通用型DSP芯片適合普通的DSP應用,如TI公司的一系列DSP芯片.專用型DSP芯片市為特定的DSP運算而設計,更適合特殊的運算,如數(shù)字濾波,卷積和FFT等.

4 DSP芯片的選擇

設計DSP應用系統(tǒng),選擇DSP芯片時非常重要的一個環(huán)節(jié).只有選定了DSP芯片才能進一步設計外圍電路集系統(tǒng)的其它電路.總的來說,DSP芯片的選擇應根據(jù)實際的應用系統(tǒng)需要而確定.一般來說,選擇DSP芯片時考慮如下諸多因素.

1． DSP芯片的運算速度.運算速度是DSP芯片的一個最重要的性能指標,也是選擇DSP芯片時所需要考慮的一個主要因素.DSP芯片的運算速度可以用以下幾種性能指標來衡量:

(1) 指令周期.就是執(zhí)行一條指令所需要的時間,通常以ns為單位.

(2) MAC時間.即一次乘法加上一次加法的時間.

(3) FFT執(zhí)行時間.即運行一個N點FFT程序所需的時間.

(4) MIPS.即每秒執(zhí)行百萬條指令.

(5) MOPS.即每秒執(zhí)行百萬次操作.

(6) MFLOPS.即每秒執(zhí)行百萬次浮點操作.

(7) BOPS.即每秒執(zhí)行十億次操作.

2． DSP芯片的價格.根據(jù)一個價格實際的應用情況,確定一個價格適中的DSP芯片.

3． DSP芯片的硬件資源.

4． DSP芯片的運算速度.

5． DSP芯片的開發(fā)工具.

6． DSP 芯片的功耗.

7． 其它的因素,如封裝的形式、質(zhì)量標準、生命周期等.

DSP應用系統(tǒng)的運算量是確定選用處理能力多大的DSP芯片的基礎.那么如何確定DSP系統(tǒng)的運算量以選擇DSP芯片呢?

1． 按樣點處理

按樣點處理就是DSP算法對每一個輸入樣點循環(huán)一次.例如;一個采用LMS算法的256抽頭德的自適應FIR濾波器,假定每個抽頭的計算需要3個MAC周期,則256抽頭計算需要256*3=768個MAC周期.如果采樣頻率為8KHz,即樣點之間的間隔為125μs的時間,DSP芯片的MAC周期為200μs,則768個周期需要153.6μs的時間,顯然無法實時處理,需要選用速度更快的芯片.

2． 按幀處理

有些數(shù)字信號處理算法不是每個輸入樣點循環(huán)一次,而是每隔一定的時間間隔(通常稱為幀)循環(huán)一次.所以選擇DSP芯片應該比較一幀內(nèi)DSP芯片的處理能力和DSP算法的運算量.假設DSP芯片的指令周期為P(ns),一幀的時間為⊿τ(ns),則該DSP芯片在一幀內(nèi)所提供的最大運算量為⊿τ/ P 條指令.

5 DSP芯片的基本結(jié)構

DSP芯片的基本結(jié)構包括:

(1)哈佛結(jié)構;

(2)流水線操作;

(3)專用的硬件乘法器;

(4)特殊的DSP指令;

(5)快速的指令周期.

哈佛結(jié)構

哈佛結(jié)構的主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中,即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器,每個存儲器獨立編址,獨立訪問.與兩個存儲器相對應的是系統(tǒng)中設置了程序總線和數(shù)據(jù)總線,從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍.由于程序和存儲器在兩個分開的空間中,因此取指和執(zhí)行能完全重疊.

流水線與哈佛結(jié)構相關,DSP芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行的時間,從而增強了處理器的處理能力.處理器可以并行處理二到四條指令,每條指令處于流水線的不同階段.入圖示出一個三級流水線操作的例子.

CLLOUT1

取指 N N-1 N-2

譯碼 N-1 N N-2

執(zhí)行 N-2 N-1 N

圖4-1 三級流水線操作

專用的硬件乘法器

乘法速度越快,DSP處理器的性能越高.由于具有專用的應用乘法器,乘法可在一個指令周期內(nèi)完成.

特殊的DSP指令DSP芯片是采用特殊的指令.

快速的指令周期哈佛結(jié)構、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成電路的優(yōu)化設計可使DSP芯片的指令周期在200ns以下.

6 DSP系統(tǒng)的特點

數(shù)字信號處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎,因此具有數(shù)字處理的全部特點:

(1) 接口方便.DSP系統(tǒng)與其它以現(xiàn)代數(shù)字技術為基礎的系統(tǒng)或設備都是相互兼容,這樣的系統(tǒng)接口以實現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易的多.

(2) 編程方便.DSP系統(tǒng)種的可編程DSP芯片可使設計人員在開發(fā)過程中靈活方便地對軟件進行修改和升級.

(3) 穩(wěn)定性好.DSP系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎,受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小,可靠性高.

(4) 精度高.16位數(shù)字系統(tǒng)可以達到的精度.

(5) 可重復性好.模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化比較大,而數(shù)字系統(tǒng)基本上不受影響,因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試,調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn).

(6) 集成方便.DSP系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性,便于大規(guī)模集成.

7 DSP芯片的應用

自從DSP芯片誕生以來,DSP芯片得到了飛速的發(fā)展.DSP芯片高速發(fā)展,一方面得益于集成電路的發(fā)展,另一方面也得益于巨大的市場.在短短的十多年時間,DSP芯片已經(jīng)在信號處理、通信、雷達等許多領域得到廣泛的應用.目前,DSP芯片的價格也越來越低,性能價格比日益提高,具有巨大的應用潛力.DSP芯片的應用主要有:

(1) 信號處理--如,數(shù)字濾波、自適應濾波、快速傅里葉變換、相關運算、頻譜分析、卷積等.

(2) 通信--如,調(diào)制解調(diào)器、自適應均衡、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、回坡抵消、多路復用、傳真、擴頻通信、糾錯編碼、波形產(chǎn)生等.

(3) 語音--如語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、說話人辨認、說話人確認、語音郵件、語音儲存等.

(4) 圖像/圖形--如二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像增強、動畫、機器人視覺等.

(5) 軍事--如保密通信、雷達處理、聲納處理、導航等.

(6) 儀器儀表--如頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、鎖相環(huán)、地震處理等.

(7) 自動控制--如引擎控制、深空、自動駕駛、機器人控制、磁盤控制.

(8) 醫(yī)療--如助聽、超聲設備、診斷工具、病人監(jiān)護等.

(9) 家用電器--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/電視等

DSP芯片開發(fā)和產(chǎn)品應用
一、DSP程序開發(fā)

為了使DSP有效運行、必須要用能充分考慮DSP內(nèi)部并行性的匯編語言進行編制DSP程序.前面提到,美國TI公司的DSP推銷員說DSP編程容易,實際上他是指DSP的匯編語言相對于計算機的匯編語言而言,比較容易一些,因為沒有像計算機匯編語言那樣復雜.但是,對于習慣用高級語言編

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