第一章dsp绪论

第一章绪论主要内容：DSP相关概念及应用领域数字信号处理的优势DSP芯片的结构特点DSP芯片的评价DSP芯片的选择第一章绪论引言：CPU一直沿着这几个方向发展：通用型CPU用在电脑中的CPU，内核复杂，功能强大这主要是因为它们的侧重点不同导致在设计上结构有所区别。ARM：内核比较复杂，可嵌入操作系统，面向任务管理。MCU：内核比较简单，功能比较简单，面向工业控制，集成少量外设。DSP：内核比较复杂，着重于信号信息、数据处理，集成大量外设。§1.1DSP技术的概念与发展§1.1.1概念DigitalSignalProcessing数字信号处理的理论和方法DigitalSignalProcessor用于数字信号处理的微处理器DSP技术用通用或专用的DSP处理器来完成数字信号处理的方法与技术§1.1.2DSP芯片应用经典信号处理：数字滤波、FFT、卷积等。现代信号处理：小波分析等。语音处理：编码、合成、识别、存储等。图像/图形处理：压缩、识别、传输等。军事仪器仪表自动控制医疗家用电器通讯、网络手机已不仅仅是通话的工具VOIPADSL（AsymmetricDigitalSubscriberLine)数字照相机高清晰度电视（HDTV）雷达/声纳§1.1.2DSP芯片发展现代信号处理的标志：1965年FFT变换的问世作为这一新兴学科的开端。信号分析：加深对信号特性的了解。信号处理：改变信号的某些性能。1978年第一块DSPS2811芯片问世。经20多年的发展，DSP性能突飞猛进，时钟达到1.1GHz，处理速度达每秒90亿次浮点运算，数据吞吐比率达2Gbyte/s，体积越来越小，功耗、成本越来越低。§1.2数字信号处理的优势§1.2.1与模拟信号处理相比具有的优势一、灵活性若要求改变系统功能或性能时：模拟系统：必须修改硬件设计或调整硬件系统。数字系统：只需改变软件设置。例如：模拟滤波器、数字滤波器等。二、精度模拟系统：元器件精度。数字系统：A/D的位数和计算机字长，算法。三、可靠性好模拟系统：受环境温度、湿度、噪声、电磁场等的干扰和影响大。数字系统：受环境影响小。四、可重复性好模拟：同一个模拟系统，用同样信号在不同时刻、不同环境下输入，得到的结果将不同。数字：不存在这种问题。五、抗干扰性能好例如：噪声干扰，模拟信号受噪声干扰后要完全去除噪声非常困难，而数字信号0、1受干扰后，只要能正确识别0、1，就能将信号再生，消除噪声影响。六、实现自适应算法模拟：只有改变系统的设计和元器件的参数，才能改变系统的特性，很难实现自适应。数字：可采用自适应算法，算法可根据确定原则，实时改变系统参数，实现自适应。七、数据压缩模拟：可进行压缩，但信号质量会受到比较大的影响。数字：采用压缩算法，对原信号的影响较小。八、大规模集成模拟：尽管已有一些模拟集成电路，但品种较少、集成度不高、价格较高数字：DSP体积小、功能强、功耗小、一致性好、使用方便、性能/价格比高§1.2.2模拟信号处理不可缺少一、自然界信号大多数是模拟信号现实世界的信号绝大多数是模拟的（温度、速度、压力等），转换成的电信号也是模拟的（电流、电压等）。要实现数字处理，就必须进行转换。二、实时性模拟系统：除开电路引入的延时外，处理是实时的。数字系统：由计算机的处理速度决定。三、高频信号的处理模拟系统：可以处理包括微波毫米波乃至光波信号。数字系统：按照奈奎斯特准则的要求，受S/H、A/D和处理速度的限制。§1.3DSP处理器的主要结构特点一、哈佛结构和改善的哈佛结构1、传统通用CPU：冯·诺依曼结构。片内程序空间和数据空间是合在一起的，即统一编址，这样取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行的，容易造成传输通道的瓶颈现象。2、DSP：哈佛或改进的哈佛结构。哈佛结构：程序空间和数据空间分开编址，允许同时取指令（来自程序存储器）和取操作数（来自数据存储器），效率高。改进的哈佛结构：允许程序存储器与数据存储器之间进行数据传送。二、多总线结构大部分DSP芯片都采用多总线结构，总线越多，可完成的功能就越复杂。例如：C54X系列DSP，共有P、C、D、E四条总线（每条总线又包括地址、数据总线），大大提高了处理速度.三、流水线技术四、多处理单元ALU：算术逻辑运算单元ARAU：辅助寄存器运算单元ACC：累加器MUL：硬件乘法器大大增强了DSP的处理能力。五、特殊的指令数字信号处理算法中，乘法和累加是基本运算，例如：FFT、卷积、FIR、IIR，DSP专门设置了一些特殊指令，运用于这些算法，比如MAC指令，大大提高了DSP处理速度。六、DMA总线及其控制器DMA：能够在没有CPU参与情况下，由DMA控制器完成存储器映射区的数据传输。数据传输可以在片内、片外存储器及其它外CPU程序/数据存储器总线CPU数据存储器程序存储器总线1总线2CPU数据存储器程序存储器总线1总线2时钟取指译码取操作数执行NN+1N+2N+3N-1N-2N-3NNNN+1N+1N+2N-1N-1N-2设之间进行。这样，在数据传输时完全不影响CPU及其相关总线的工作，提高了DSP的工作效率。七、数据地址发生器（DAG）通用CPU：数据地址产生和数据处理都由ALU来完成。DSP：专设DAG来产生所需的数据地址、数据地址产生与CPU工作是并行的，从而节省了CPU的时间，提高效率。八、丰富的外设普通MCU：只集成了一些通用的外设。DSP：时钟发生器TIMER等待状态发生器通用I/O接口同步串口（SSP），异步串口（ASP）主机接口（HIP），JTAG扫描接口九、定点与浮点DSP普通MCU：定点。DSP：有定点与浮点两种。定点：数据格式用整数和小数表示。大多是16位的，要考虑溢出范围，小数点的位置。浮点：数据格式用尾数和指数表示。一般都是32位的，表示范围大，不需要考虑溢出，精度高，处理速度更快。定点数据表示：Qn.mn：整数位数。m：小数位数。例：Q0.15浮点数据表示：数的值＝(－1)S2(e-127)(1.D22~D0)例如：01000011001100100010000000000000的值为：(-1)02(134-127)(1+2-2+2-3+2-6+2-10)=178.125总之，DSP处理器实现高速运算处理的途径有以下几方面：硬件乘法器及乘加运算单元多执行单元高效的存储器访问数据格式零开销循环数据流的线性I/O专门的指令§1.4DSP处理器的评价评价：对处理器性能的好坏作出判断比较。主要从处理器的处理速度来评价。一、传统的性能评价方法MIPS：每秒执行百万条指令MOPS：每秒执行百万次操作MACS：每秒执行乘－累加次数二、应用型评价指标使用完整的应用或一组应用来评价处理器的性能。如语音编码、调制解调器应用。三、核心算法评价指标使用核心算法应来评价处理器的性能。如FFT算法、滤波器算法等。§1.5DSP处理器的选择数据格式数据宽度速度存储器容易开发支持多处理器功耗与电源管理价格总之，用户应根据具体应用具体情况综合考虑以上因素来选择性价比最高、最适合的DSP芯片。D31D30~D23D22~D0符号位S指数位E尾数位P