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1、1,机械工业出版社,作者：叶青 黄明 宋鹏,TMS320C54x DSP应用技术教程,2,第1章 DSP概述,1.1 数字信号处理概述 1.2 数字信号处理器 1.3 本章小结,第1章 DSP概述,3,第1章 DSP概述,内容简介,数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是20世纪60年代发展起来的一门新兴学科。在20世纪80年代以前，由于受硬件技术发展水平的限制，数字信号处理的理论还不能得到广泛的应用。直到20世纪80年代初，世界上第一片数字信号处理器（Digital Signal Processor，也简称DSP）的诞生，才使数字信号处理理论研究成果广
2、泛应用到了实际的系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。 在21世纪的今天，数字信号处理技术得到了广泛的应用。事实上，它已经来到了我们每一个人的身边。 本章主要介绍数字信号处理的基本概念、特点和实现方法以及数字信号处理器的定义、特点、分类、应用领域、国内外发展现状及发展趋势。,4,第1章 DSP概述,1.1 数字信号处理概述,数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP) ，也就是对信号的数字处理，它是从20世纪60年代发展起来的一门涉及到许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字的形式对信号进行采集、变换、滤
3、波、估值、增强、压缩、识别等处理，以便提取有用的信息并进行有效的传输与应用。 数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展；反过来，数字信号处理越来越广泛的应用需求又促进了数字信号处理理论的不断提高。,5,第1章 DSP概述,1.1 数字信号处理概述,DSP既是Digital Signal Processing（数字信号处理）的缩写，也是Digital Signal Processor（数字信号处理器）的缩写。前者指数字信号处理的理论和方法，后者则指用于数字信号处理的可编程微处理器，简称数字信号处理器。 本书中D
4、SP这一英文缩写主要用来指数字信号处理器。本书所说的DSP技术，则是指使用通用DSP处理器或基于DSP核的专用器件，来实现数字信号处理的方法和技术，完成有关的任务。,1.1.1 数字信号处理的概念及其发展,6,第1章 DSP概述,1.1 数字信号处理概述,自从20世纪70年代微处理器诞生以来，一直沿着三个方向发展: 通用CPU：微型计算机中央处理器（如使用最多的奔腾等）。 微控制器( MCU )：单片微型计算机（如MCS-51、MCS-96、MSP430系列等）。 DSP：可编程的数字信号处理器。 这三类微处理器虽然在技术上不断地相互借鉴和交融，但它们又有各自的特点和应用领域。,1.1.1 数
5、字信号处理的概念及其发展,7,第1章 DSP概述,1.1 数字信号处理概述,由于DSP实现技术在数字运算处理速度上，具有不可比拟的优势，因此，即使在整个半导体产品增长趋缓的情况下，DSP处理器还在以较快的速度增长。 DSP技术的发展是数字信号处理理论研究与应用需求相互作用的结果。,1.1.1 数字信号处理的概念及其发展,一方面是数字信号处理的理论和方法近年来得到了迅速发展。 另一方面是DSP处理器性能的提高。,DSP技术的发展在上述两方面是互相促进的，理论和算法的研究推动了应用，而应用的需求又促进了理论的发展。,8,第1章 DSP概述,1.1 数字信号处理概述,与模拟信号处理相比，数字信号处理
6、具有如下一些明显的优点： 1.精度高 2.可靠性高 3.灵活性强 4.易于大规模集成 5.可获得高性能指标 数字信号处理与模拟信号处理相比尽管具有以上诸多优点，但从根本上说，数字信号处理也有其局限性，模拟信号处理仍然不可缺少，不可能被数字信号处理完全代替。,1.1.2 数字信号处理的特点,9,信号处理方式的比较,10,第1章 DSP概述,1.1 数字信号处理概述,数字信号处理的实现方法可以分为三类：软件实现法、硬件实现法和软硬件结合实现法。具体实现方式一般有以下几种： 1. 在通用的计算机上用软件实现。 2.在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现。 3.用通用的单片机(如MCS-51、MC
7、S-96、MSP430系列等)实现。 4.用通用可编程DSP处理器实现。 5.用专用DSP处理器实现。 6.用FPGA等可编程逻辑阵列器件来实现。 7.用专用集成电路ASIC实现。 8.片上系统SoC。,1.1.3 数字信号处理的实现方法,11,第1章 DSP概述,1.2 数字信号处理器,数字信号处理器是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。,1.2.1 数字信号处理器的定义,结构上进行了优化，更适宜完成乘加累积运算 主频足够快，能实时完成各种数字信号处理,可以毫不夸张地说，DSP处理器自20世纪80年代初诞生以来，在这30年的时间里，对
8、通信、计算机、控制等各个领域的技术发展起到了十分重要的作用。,12,第1章 DSP概述,1.2 数字信号处理器,1哈佛结构和改进的哈佛结构 2多总线结构 3流水线技术 4多处理单元 5特殊的DSP指令 6指令周期短 7运算精度高 8. 硬件配置强,1.2.2 DSP处理器的特点,13,第1章 DSP概述,1.2 数字信号处理器,1哈佛结构和改进的哈佛结构,1.2.2 DSP处理器的特点,DSP处理器普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构或 改进的哈佛结构，比通用微处理器的冯诺伊曼结构有更快的指令执行速度。,(1) 冯诺伊曼结构（Von Neumann Architecture） 以奔腾为代表
9、的通用微处理器，其程序代码和数据共用一个公共的存储空间和单一的地址和数据总线，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行的，这样的结构称为冯诺伊曼结构，如图1-1(a)所示。当进行高速运算时，取指令和取操作数是分时操作的，这样很容易造成数据传输通道的瓶颈现象，其工作速度较慢。,14,第1章 DSP概述,1.2 数字信号处理器,1哈佛结构和改进的哈佛结构,1.2.2 DSP处理器的特点,(2) 哈佛结构（Harvard Architecture）和改进的哈佛结构（Modified Harvard Architecture） DSP处理器将程序代码和数据的存储空间分开，各空间有自己独立的地址总线和数
10、据总线，可独立编址和独立访问，可对程序和数据进行独立传输，这就是所谓的哈佛结构，如图1-1(b)所示。采用哈佛结构，可同时取指令和取操作数，并行地进行指令和数据的处理，从而可以大大地提高运算的速度，非常适合于实时的数字信号处理。为了进一步提高信号处理效率，在哈佛结构的基础上，又加以改进，使得程序代码和数据存储空间之间也可以进行数据的传送，称为改进的哈佛结构，如图1-1(c)所示。,15,第1章 DSP概述,1.2 数字信号处理器,1哈佛结构和改进的哈佛结构,1.2.2 DSP处理器的特点,图1-1 微处理器的结构,16,第1章 DSP概述,1.2 数字信号处理器,2多总线结构,1.2.2 DS
11、P处理器的特点,许多DSP处理器内部都采用多总线结构，这样保证在一个机器周期内可以多次访问程序空间和数据空间，大大提高了DSP的运行速度。 例如TMS320C54x DSP系列内部有P、C、D、E等4条总线，每条总线中都有地址总线和数据总线，这样在一个机器周期内可以完成如下操作： (1) 从程序存储器中取一条指令。 (2) 从数据存储器中读两个操作数。 (3) 向数据存储器写一个操作数。,17,第1章 DSP概述,1.2 数字信号处理器,3流水线技术,1.2.2 DSP处理器的特点,计算机在执行一条指令时，总要经过取指、译码、取数、执行运算等步骤，需要若干个指令周期才能完成。流水线技术是将各指
12、令的各个步骤重叠起来执行，而不是一条指令执行完成之后，才开始执行下一条指令，即第一条指令取指后，在译码时，第二条指令就取指；第一条指令取数时，第二条指令译码，而第三条指令就开始取指，依次类推，如图1-2所示。,18,第1章 DSP概述,1.2 数字信号处理器,3流水线技术,1.2.2 DSP处理器的特点,利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证数字信号处理中用的最多的乘法累加运算 可以在单个指令周期内完成。,图1-2 流水线技术示意图,19,第1章 DSP概述,1.2 数字信号处理器,4多处理单元,1.2.2 DSP处理器的特点,DSP处理器内部一般都包括多个处理单元，如算术逻辑运算单元
13、（ALU）、辅助寄存器运算单元（ARAU）、累加器（ACC）及硬件乘法器（MUL）等。它们可以在一个指令周期内同时进行运算。 DSP处理器的这种多处理单元结构，特别适用于大量乘加操作的矩阵运算、滤波、FFT、Viterbi译码等。,20,第1章 DSP概述,1.2 数字信号处理器,5特殊的DSP指令,1.2.2 DSP处理器的特点,在DSP处理器的指令系统中，设计了一些完成特殊功能的指令，以便更好地满足数字信号处理的需要。 例如，TMS320C54x DSP系列中的FIRS和LMS指令，专门用于完成系数对称的FIR滤波器和LMS算法。 为了实现FFT、卷积等运算，当前的DSP处理器大多在指令系
14、统中设置了“循环寻址” 及“位倒序寻址” 指令和其他特殊指令，使得在进行这些运算时，其寻址、排序及计算速度大大地提高。,21,第1章 DSP概述,1.2 数字信号处理器,6指令周期短,1.2.2 DSP处理器的特点,早期的DSP处理器指令周期约400ns，采用4m NMOS制造工艺，其运算速度为5MIPS。随着集成电路工艺的发展，DSP广泛地采用亚微米CMOS制造工艺，其运算速度越来越快。 例如： TMS320C54x 运算速度可达100MIPS，即100百万条/秒； TMS320C6416时钟频率超过1GHz，运行速度可达8000MIPS； DaVinci系列中的TMS320DM6446达到
15、了接近5000MMACS。,22,第1章 DSP概述,1.2 数字信号处理器,7运算精度高,1.2.2 DSP处理器的特点,早期的DSP处理器字长为8位，后来逐步提高到16位、24位、32位。为了防止溢出，累加器长达40位。此外，浮点DSP处理器则提供了更大的数据表达的动态范围，提高了运算精度。,8硬件配置强,新一代DSP处理器的接口功能越来越强，片上外设丰富，如串行口、主机接口（HPI）、DMA控制器、软件可编程等待状态发生产生器、锁相环时钟产生器以及实现片内仿真的符合IEEE 1149.1标准的测试访问口，更易于完成系统设计。许多DSP处理器都可以工作在省电模式，使得系统功耗降低。,23,
16、第1章 DSP概述,1.2 数字信号处理器,为了适应数字信号处理各种各样的实际应用，DSP厂商生产出多种类型和档次的DSP处理器。在众多的DSP处理器中，可以按照下列几种方式进行分类。,1.2.3 DSP处理器的分类,1. 按数据格式分类,根据DSP处理器工作时的数据格式划分，可以将DSP处理器分为定点DSP和浮点DSP。 定点DSP以定点数据格式工作，即数据格式用整数和小数来表示。 浮点DSP以浮点数据格式工作，即数据格式用指数和尾数的形式表示，其动态范围比用小数形式表示的定点格式要大得多。,24,第1章 DSP概述,1.2 数字信号处理器,1.2.3 DSP处理器的分类,2.按用途分类,按照DSP处理器的用途划分，可以将DSP处理器分为通用型DSP和专用型DSP。 通用型DSP处理器一般指可以用指令编程的DSP处理器，适合于普通的DSP应用，具有可编程性和强大的处理能力，可完成复杂的数字信号处理算法。 专用型DSP处理器是为特定的DSP运算而设计的，通常只针对某一种应用，相应的算法由内部硬件电路实现，适
