DSP原理与应_第一章

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1、DSP原理与应用原理与应用教材：教材：DSP原理与应用原理与应用胡圣尧编胡圣尧编东南大学出版社东南大学出版社第第1章章DSP绪论绪论内容提要内容提要内容提要内容提要 进入进入进入进入2121世纪之后，数字化浪潮正在席卷全球，数世纪之后，数字化浪潮正在席卷全球，数世纪之后，数字化浪潮正在席卷全球，数世纪之后，数字化浪潮正在席卷全球，数字信号处理器字信号处理器字信号处理器字信号处理器DSPDSP（DigitalSignalProcessorDigitalSignalProcessor）正是正是正是正是这场数字化革命的核心，无论在其应用的广度还是这场数字化革命的核心，无论在其应用的广度还是这场数字化

2、革命的核心，无论在其应用的广度还是这场数字化革命的核心，无论在其应用的广度还是深度方面，都在以前所未有的速度向前发展。深度方面，都在以前所未有的速度向前发展。深度方面，都在以前所未有的速度向前发展。深度方面，都在以前所未有的速度向前发展。本章本章本章本章主要对数字信号处理进行简要介绍。主要对数字信号处理进行简要介绍。主要对数字信号处理进行简要介绍。主要对数字信号处理进行简要介绍。 首先对数字信号处理进行了概述，介绍了首先对数字信号处理进行了概述，介绍了首先对数字信号处理进行了概述，介绍了首先对数字信号处理进行了概述，介绍了DSPDSP的的的的基本知识；接着介绍可编程基本知识；接着介绍可编程基本

3、知识；接着介绍可编程基本知识；接着介绍可编程DSPDSP芯片，对芯片，对芯片，对芯片，对DSPDSP芯片芯片芯片芯片的发展、特点、分类、应用和发展趋势作了论述，的发展、特点、分类、应用和发展趋势作了论述，的发展、特点、分类、应用和发展趋势作了论述，的发展、特点、分类、应用和发展趋势作了论述，对对对对DSPDSP产品作了简要介绍；产品作了简要介绍；产品作了简要介绍；产品作了简要介绍； 最后介绍最后介绍最后介绍最后介绍DSPDSP系统，对系统，对系统，对系统，对DSPDSP系统的构成、特点、设计过程以及芯片的选择系统的构成、特点、设计过程以及芯片的选择系统的构成、特点、设计过程以及芯片的选择系统的

4、构成、特点、设计过程以及芯片的选择进行了详细的介绍。进行了详细的介绍。进行了详细的介绍。进行了详细的介绍。 第第1章章DSP绪论绪论知识要点知识要点知识要点知识要点 数字信号处理数字信号处理数字信号处理数字信号处理 DSPDSP芯片的特点芯片的特点芯片的特点芯片的特点 DSPDSP系统系统系统系统 DSPDSP系统的设计过程系统的设计过程系统的设计过程系统的设计过程 第第1章章DSP绪论绪论1.1DSP技术发展概况技术发展概况1.2DSP芯片简介芯片简介1.3DSP产品简介产品简介1.4TMS320C54X系列介绍系列介绍1.5DSP系统系统第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPD

5、SP绪论绪论绪论绪论1.1 1.1 DSPDSP发展概述展概述 数字信号处理（简称数字信号处理（简称DSPDSP）是一门涉及多门学科并广泛应是一门涉及多门学科并广泛应用于很多科学和工程领域的新兴学科。用于很多科学和工程领域的新兴学科。 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分析、采集、合成、变换、滤波、估算、压形式对信号进行分析、采集、合成、变换、滤波、估算、压缩、识别等加工处理，以便提取有用的信息并进行有效的传缩、识别等加工处理，以便提取有用的信息并进行有效的传输与应用。输与应用。数字信号处理是以众多学科为理论基础数字信

6、号处理是以众多学科为理论基础,它所涉及的范围它所涉及的范围极其广泛。如数学领域中的微积分、概率统计、随机过程、极其广泛。如数学领域中的微积分、概率统计、随机过程、数字分析等都是数字信号处理的基础工具。它与网络理论、数字分析等都是数字信号处理的基础工具。它与网络理论、信号与系统、控制理论、通信理论、故障诊断等密切相关。信号与系统、控制理论、通信理论、故障诊断等密切相关。第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论DSP可以代表数字信号处理技术（可以代表数字信号处理技术（DigitalSignalProcessing）,也可以代表数字信号处理器（也可以代表数字信号处理器

7、（DigitalSignalProcessor）。）。前者是理论和计算方法上的技术前者是理论和计算方法上的技术,后者是指实现这些技术的通用或专用可编程微处理器后者是指实现这些技术的通用或专用可编程微处理器芯片。芯片。 数字信号处理包括两个方面的内容数字信号处理包括两个方面的内容:1算法的研究算法的研究2数字信号处理的实现数字信号处理的实现 第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论1 1 1算法的研究算法的研究算法的研究算法的研究算法的研究算法的研究 算法的研究是指如何以最小的运算量和存储器的算法的研究是指如何以最小的运算量和存储器的算法的研究是指如何以最小的运算

8、量和存储器的算法的研究是指如何以最小的运算量和存储器的使用量来完成指定的任务，如使用量来完成指定的任务，如使用量来完成指定的任务，如使用量来完成指定的任务，如2020世纪世纪世纪世纪6060年代出现的快年代出现的快年代出现的快年代出现的快速傅里叶变换（速傅里叶变换（速傅里叶变换（速傅里叶变换（FFTFFT），），），），使数字信号处理技术发生了使数字信号处理技术发生了使数字信号处理技术发生了使数字信号处理技术发生了革命性的变化。革命性的变化。革命性的变化。革命性的变化。近几年来，数字信号处理的理论和方法得到了迅近几年来，数字信号处理的理论和方法得到了迅近几年来，数字信号处理的理论和方法得到了迅

9、近几年来，数字信号处理的理论和方法得到了迅速的发展，诸如：语音与图像的压缩编码、识别与鉴速的发展，诸如：语音与图像的压缩编码、识别与鉴速的发展，诸如：语音与图像的压缩编码、识别与鉴速的发展，诸如：语音与图像的压缩编码、识别与鉴别，信号的调制与解调、加密和解密，信道的辨识与别，信号的调制与解调、加密和解密，信道的辨识与别，信号的调制与解调、加密和解密，信道的辨识与别，信号的调制与解调、加密和解密，信道的辨识与均衡，智能天线，频谱分析等各种快速算法都成为研均衡，智能天线，频谱分析等各种快速算法都成为研均衡，智能天线，频谱分析等各种快速算法都成为研均衡，智能天线，频谱分析等各种快速算法都成为研究的热

10、点、并取得了长足的进步，为各种实时处理的究的热点、并取得了长足的进步，为各种实时处理的究的热点、并取得了长足的进步，为各种实时处理的究的热点、并取得了长足的进步，为各种实时处理的应用提供了算法基础。应用提供了算法基础。应用提供了算法基础。应用提供了算法基础。第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论2 2 2数字信号处理的实现数字信号处理的实现数字信号处理的实现数字信号处理的实现数字信号处理的实现数字信号处理的实现 数字信号处理的实现是用硬件、软件或软硬结合数字信号处理的实现是用硬件、软件或软硬结合数字信号处理的实现是用硬件、软件或软硬结合数字信号处理的实现是用硬

11、件、软件或软硬结合的方法来实现各种算法。数字信号处理的实现一般有的方法来实现各种算法。数字信号处理的实现一般有的方法来实现各种算法。数字信号处理的实现一般有的方法来实现各种算法。数字信号处理的实现一般有以下几种方法：以下几种方法：以下几种方法：以下几种方法：在通用计算机（在通用计算机（PC机）上用软件（如机）上用软件（如Fortran、C语言）实现，但速度慢，不适合实时数字信号处语言）实现，但速度慢，不适合实时数字信号处理，只用于算法的模拟；理，只用于算法的模拟；在通用计算机系统中加入专用的加速处理机实在通用计算机系统中加入专用的加速处理机实现，用以增强运算能力和提高运算速度。不适合于现，用以

12、增强运算能力和提高运算速度。不适合于嵌入式应用，专用性强，应用受到限制；嵌入式应用，专用性强，应用受到限制；第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论用单片机实现，用于不太复杂的数字信号处理。不用单片机实现，用于不太复杂的数字信号处理。不适合于以乘法适合于以乘法-累加运算为主的密集型累加运算为主的密集型DSP算法；算法；用通用的可编程用通用的可编程DSP芯片实现，具有可编程性和强芯片实现，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的算法，大的处理能力，可完成复杂的数字信号处理的算法，在实时在实时DSP领域中处于主导地位；领域中处于主导地位；用专用的用专

13、用的DSP芯片实现，可用在要求信号处理速度芯片实现，可用在要求信号处理速度极快的特殊场合，如专用于极快的特殊场合，如专用于FFT、数字滤波、卷积、数字滤波、卷积、相关算法的相关算法的DSP芯片，相应的信号处理算法由内部硬芯片，相应的信号处理算法由内部硬件电路实现。用户无需编程，但专用性强，应用受到件电路实现。用户无需编程，但专用性强，应用受到限制；限制；第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论用基于通用用基于通用DSP核的核的ASIC芯片实现。随着芯片实现。随着专用集成电路专用集成电路ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircu

14、it)的广泛使用的广泛使用,可以将可以将DSP的的功能集成到功能集成到ASlC中。一般说来，中。一般说来，DSP核是通核是通用用DSP器件中的器件中的CPU部分，再配上用户所需的部分，再配上用户所需的存储器存储器(包括包括Cache、RAM、ROM、flash、EPROM)和外设和外设(包括串口、并口、主机接口、包括串口、并口、主机接口、DMA、定时器等、定时器等)，组成用户的，组成用户的ASIC。第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论1.2 1.2 可可编程程DSPDSP芯片芯片 数字信号处理器（数字信号处理器（DSPDSP）是一种特别适合于进行是一种特别适

15、合于进行数字信号处理运算的微处理器，主要用于实时快速实数字信号处理运算的微处理器，主要用于实时快速实现各种数字信号处理的算法。现各种数字信号处理的算法。在在20世纪世纪80年代以前，由于受实现方法的限制年代以前，由于受实现方法的限制,数字信号处理的理论还不能得到广泛的应用。直到数字信号处理的理论还不能得到广泛的应用。直到20世纪世纪80年代初，世界上第一块单片可编程年代初，世界上第一块单片可编程DSP芯片的芯片的诞生，才使理论研究成果广泛应用到实际的系统中，诞生，才使理论研究成果广泛应用到实际的系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸

16、张地讲，张地讲，DSP芯片的诞生及发展对近芯片的诞生及发展对近20年来通信、计年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。 第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论1 1. .2.1 2.1 DSPDSP芯片的发展概况芯片的发展概况 DSP芯片诞生于芯片诞生于20世纪世纪70年代末，至今已经得到年代末，至今已经得到了突飞猛进的发展，并经历了以下三个阶段。了突飞猛进的发展，并经历了以下三个阶段。第一阶段，第一阶段，DSP的雏形阶段（的雏形阶段（1980年前后）年前后）1978年年AMI公司生产出第一片公司

17、生产出第一片DSP芯片芯片S2811。1979年美国年美国Intel公司发布了商用可编程公司发布了商用可编程DSP器件器件Intel2920,由于内部没有单周期的硬件乘法器，使芯片的运算速度、数据由于内部没有单周期的硬件乘法器，使芯片的运算速度、数据处理能力和运算精度受到了很大的限制。运算速度大约为单指处理能力和运算精度受到了很大的限制。运算速度大约为单指令周期令周期200250ns，应用领域仅局限于军事或航空航天部门。应用领域仅局限于军事或航空航天部门。这个时期的代表性器件主要有：这个时期的代表性器件主要有：Intel2920（Intel）、）、 PD7720（NEC）、）、TMS32010

18、（TI）、）、DSP16（AT&T）、）、S2811（AMI）、）、ADSP21（AD）等。等。第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论第二阶段，第二阶段，第二阶段，第二阶段，DSPDSP的成熟阶段（的成熟阶段（的成熟阶段（的成熟阶段（19901990年前后）年前后）年前后）年前后）这个时期的这个时期的DSP器件在硬件结构上更适合数字信号处理的器件在硬件结构上更适合数字信号处理的要求，能进行硬件乘法、硬件要求，能进行硬件乘法、硬件FFT变换和单指令滤波处理，其变换和单指令滤波处理，其单指令周期为单指令周期为80100ns。如如TI公司的公司的TMS320C20，

19、它是该公司的第二代它是该公司的第二代DSP器件器件,采用了采用了CMOS制造工艺，其存储容量和运算速度成倍提高，为制造工艺，其存储容量和运算速度成倍提高，为语音处理、图像硬件处理技术的发展奠定了基础。语音处理、图像硬件处理技术的发展奠定了基础。20世纪世纪80年代后期，以年代后期，以TI公司的公司的TMS320C30为代表的第为代表的第三代三代DSP芯片问世，伴随着运算速度的进一步提高，其应用范芯片问世，伴随着运算速度的进一步提高，其应用范围逐步扩大到通信、计算机领域。围逐步扩大到通信、计算机领域。这个时期的器件主要有这个时期的器件主要有:TI公司的公司的TMS320C20、30、40、50系

20、列，系列，Motorola公司的公司的DSP5600、9600系列，系列，AT&T公司的公司的DSP32等。等。第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论第三阶段，第三阶段，第三阶段，第三阶段，DSPDSP的完善阶段（的完善阶段（的完善阶段（的完善阶段（20002000年以后）年以后）年以后）年以后）这一时期各这一时期各DSP制造商不仅使信号处理能力更加完善制造商不仅使信号处理能力更加完善,而而且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步降低、成本不断下降。尤其是各种通用外设集成到片上降低、成本不断下

21、降。尤其是各种通用外设集成到片上,大大大大地提高了数字信号处理能力。这一时期的地提高了数字信号处理能力。这一时期的DSP运算速度可达到运算速度可达到单指令周期单指令周期10ns左右，可在左右，可在Windows环境下直接用环境下直接用C语言编程语言编程,使用方便灵活，使使用方便灵活，使DSP芯片不仅在通信、计算机领域得到了广芯片不仅在通信、计算机领域得到了广泛的应用，而且逐渐渗透到人们日常消费领域。泛的应用，而且逐渐渗透到人们日常消费领域。目前目前,DSP芯片的发展非常迅速。硬件方面主要是向多处理芯片的发展非常迅速。硬件方面主要是向多处理器的并行处理结构、便于外部数据交换的串行总线传输、大容器

22、的并行处理结构、便于外部数据交换的串行总线传输、大容量片上量片上RAM和和ROM、程序加密、增加程序加密、增加I/O驱动能力、外围电路驱动能力、外围电路内装化、低功耗等方面发展。软件方面主要是综合开发平台的内装化、低功耗等方面发展。软件方面主要是综合开发平台的完善，使完善，使DSP的应用开发更加灵活方便。的应用开发更加灵活方便。第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论1.2.2 1.2.2 DSPDSP芯片的特点芯片的特点 数字信号处理不同于普通的科学计算与分析，它强调运数字信号处理不同于普通的科学计算与分析，它强调运算的实时性。算的实时性。DSP芯片的特点主要

23、由它的内部构造决定，除芯片的特点主要由它的内部构造决定，除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制能力外了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制能力外,针对实针对实时数字信号处理的特点时数字信号处理的特点,在处理器的结构、指令系统、指令流在处理器的结构、指令系统、指令流程上作了很大的改进，其主要特点如下：程上作了很大的改进，其主要特点如下：第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论1采用哈佛结构采用哈佛结构DSP芯片普遍采用数据总线和程序总线分离的哈芯片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佛结构或改进的哈佛结构,比传统处理器的冯比传统处理器的冯

24、诺伊曼诺伊曼结构有更快的指令执行速度。结构有更快的指令执行速度。 (1)(1)冯冯冯冯 诺伊曼（诺伊曼（诺伊曼（诺伊曼（VonVonNeumanNeuman）结构结构结构结构该结构采用单存储空间，即程序指令和数据共用一个该结构采用单存储空间，即程序指令和数据共用一个存储空间，使用单一的地址和数据总线，取指令和取操作存储空间，使用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。数都是通过一条总线分时进行。当进行高速运算时，不但不能同时进行取指令和取操当进行高速运算时，不但不能同时进行取指令和取操作数，而且还会造成数据传输通道的瓶颈现象，其工作速作数，而且还会造成数据传输通道的瓶颈

25、现象，其工作速度较慢。度较慢。 第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论图图图图1.2.1 1.2.1 1.2.1 1.2.1 冯冯冯冯诺伊曼结构诺伊曼结构诺伊曼结构诺伊曼结构CPUCPUI/OI/O口口口口ROMROM串行接口串行接口串行接口串行接口RAMRAM并行接口并行接口并行接口并行接口外部存储外部存储外部存储外部存储器接口器接口器接口器接口地址总线地址总线地址总线地址总线ABAB数据总线数据总线数据总线数据总线DBDB第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论 （2 2）哈佛（）哈佛（）哈佛（）哈佛（HarvardHarv

26、ard）结构结构结构结构 该结构采用双存储空间，程序存储器和数据存储器分该结构采用双存储空间，程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的程序总线和数据总线，可独立编址和独开，有各自独立的程序总线和数据总线，可独立编址和独立访问，可对程序和数据进行独立传输，使取指令操作、立访问，可对程序和数据进行独立传输，使取指令操作、指令执行操作、数据吞吐并行完成，大大地提高了数据处指令执行操作、数据吞吐并行完成，大大地提高了数据处理能力和指令的执行速度，非常适合于实时的数字信号处理能力和指令的执行速度，非常适合于实时的数字信号处理。微处理器的哈佛结构如图所示。理。微处理器的哈佛结构如图所示。第第第第1 1 1

27、 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论外部管理数据总线外部管理数据总线外部管理地址总线外部管理地址总线数据总线数据总线数据地址总线数据地址总线程序数据总线程序数据总线程序地址总线程序地址总线CPUCPUCPUCPUI/OI/O口口口口ROMROM串行接口串行接口串行接口串行接口RAMRAM并行接口并行接口外部存储外部存储外部存储外部存储器接口器接口器接口器接口图图1.2.2 1.2.2 哈佛结构哈佛结构外部管理数据总线外部管理数据总线外部管理数据总线外部管理数据总线外部管理地址总线外部管理地址总线外部管理地址总线外部管理地址总线数据总线数据总线数据总线数据总线数据地址总线数据地

28、址总线数据地址总线数据地址总线程序数据总线程序数据总线程序数据总线程序数据总线程序地址总线程序地址总线程序地址总线程序地址总线第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论 （3 3）改进型的哈佛结构）改进型的哈佛结构）改进型的哈佛结构）改进型的哈佛结构 改进型的哈佛结构是采用双存储空间和数条总线，即改进型的哈佛结构是采用双存储空间和数条总线，即一条程序总线和多条数据总线。其特点如下：一条程序总线和多条数据总线。其特点如下： 允许在程序空间和数据空间之间相互传送数据允许在程序空间和数据空间之间相互传送数据,使这使这些数据可以由算术运算指令直接调用些数据可以由算术运算指

29、令直接调用,增强芯片的灵活性；增强芯片的灵活性； 提供了存储指令的高速缓冲器（提供了存储指令的高速缓冲器（cache）和相应的指和相应的指令令,当重复执行这些指令时当重复执行这些指令时,只需读入一次就可连续使用，不只需读入一次就可连续使用，不需要再次从程序存储器中读出需要再次从程序存储器中读出,从而减少了指令执行作需要从而减少了指令执行作需要的时间。如：的时间。如：TI公司公司TMS320C6200系列的系列的DSP,整个片内程整个片内程序存储器都可以配制成高速缓冲结构。序存储器都可以配制成高速缓冲结构。 第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论2 2采用多总线

30、结构采用多总线结构采用多总线结构采用多总线结构 DSP芯片都采用多总线结构，可同时进行取指令和多个芯片都采用多总线结构，可同时进行取指令和多个数据存取操作，并由辅助寄存器自动增减地址进行寻址，使数据存取操作，并由辅助寄存器自动增减地址进行寻址，使CPU在一个机器周期内可多次对程序空间和数据空间进行访在一个机器周期内可多次对程序空间和数据空间进行访问，大大地提高了问，大大地提高了DSP的运行速度。如：的运行速度。如：TMS320C54x系列系列内部有内部有P、C、D、E等等4组总线，每组总线中都有地址总线和组总线，每组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：数据总线，

31、这样在一个机器周期内可以完成如下操作： 从程序存储器中取一条指令；从程序存储器中取一条指令；从数据存储器中读两个操作数；从数据存储器中读两个操作数；向数据存储器写一个操作数。向数据存储器写一个操作数。 第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论3 3采用流水线技术采用流水线技术采用流水线技术采用流水线技术 每条指令可通过片内多功能单元完成取指、译码、取操每条指令可通过片内多功能单元完成取指、译码、取操作数和执行等多个步骤，实现多条指令的并行执行，从而在作数和执行等多个步骤，实现多条指令的并行执行，从而在不提高系统时钟频率的条件下减少每条指令的执行时间。其不提高系统

32、时钟频率的条件下减少每条指令的执行时间。其过程如图所示。过程如图所示。 时钟时钟时钟时钟时钟时钟取指令取指令取指令取指令取指令取指令指令译码指令译码指令译码指令译码指令译码指令译码取操作数取操作数取操作数取操作数取操作数取操作数执行指令执行指令执行指令执行指令执行指令执行指令T1T1T1T1T1T1T2T2T2T2T2T2T3T3T3T3T3T3T4T4T4T4T4T4N N N NN NN-1N-1N-1N-1N-1N-1N-2N-2N-2N-2N-2N-2N-3N-3N-3N-3N-3N-3N+1N+1N+1N+1N+1N+1N N N NN NN-1N-1N-1N-1N-1N-1N-2N

33、-2N-2N-2N-2N-2N+2N+2N+2N+2N+2N+2N+1N+1N+1N+1N+1N+1N N N NN NN-1N-1N-1N-1N-1N-1N+3N+3N+3N+3N+3N+3N+2N+2N+2N+2N+2N+2N+1N+1N+1N+1N+1N+1N N N NN N图图图图1.2.3 1.2.3 1.2.3 1.2.3 四级流水线操作四级流水线操作四级流水线操作四级流水线操作第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论4. 4. 配有专用的硬件乘法配有专用的硬件乘法配有专用的硬件乘法配有专用的硬件乘法- - - -累加器累加器累加器累加器 为了适应

34、数字信号处理的需要，当前的为了适应数字信号处理的需要，当前的DSP芯片都配有芯片都配有专用的硬件乘法专用的硬件乘法-累加器，可在一个周期内完成一次乘法和累加器，可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作，从而可实现数据的乘法一次累加操作，从而可实现数据的乘法-累加操作。如矩阵累加操作。如矩阵运算、运算、FIR和和IIR滤波、滤波、FFT变换等专用信号的处理。变换等专用信号的处理。 5.5.具有特殊的具有特殊的具有特殊的具有特殊的DSPDSP指令指令指令指令 为了满足数字信号处理的需要，在为了满足数字信号处理的需要，在DSP的指令系统中，的指令系统中，设计了一些完成特殊功能的指令。设计了一些完成特

35、殊功能的指令。如：如：TMS320C54x中的中的FIRS和和LMS指令，专门用于完指令，专门用于完成系数对称的成系数对称的FIR滤波器和滤波器和LMS算法。算法。第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论6 6快速的指令周期快速的指令周期快速的指令周期快速的指令周期 由于采用哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、由于采用哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的指令以及集成电路的优化设计，使指令周期可在特殊的指令以及集成电路的优化设计，使指令周期可在20ns以下。如：以下。如：TMS320C54x的运算速度为的运算速度为100MIPS，即即100百百万条万

36、条/秒。秒。7 7硬件配置强硬件配置强硬件配置强硬件配置强 新一代的新一代的DSP芯片具有较强的接口功能，除了具有串行芯片具有较强的接口功能，除了具有串行口、定时器、主机接口（口、定时器、主机接口（HPI）、）、DMA控制器、软件可编程控制器、软件可编程等待状态发生器等片内外设外，还配有中断处理器、等待状态发生器等片内外设外，还配有中断处理器、PLL、片内存储器、测试接口等单元电路，可以方便地构成一个嵌片内存储器、测试接口等单元电路，可以方便地构成一个嵌入式自封闭控制的处理系统。入式自封闭控制的处理系统。 第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论8 8支持多处理

37、器结构支持多处理器结构支持多处理器结构支持多处理器结构 为为了了满满足足多多处处理理器器系系统统的的设设计计，许许多多DSP芯芯片片都都采采用用支支持持多多处处理理器器的的结结构构。如如：TMS320C40提提供供了了6个个用用于于处处理理器器间间高高速速通通信信的的32位位专专用用通通信信接接口口，使使处处理理器器之之间间可可直直接接对对通，应用灵活、使用方便；通，应用灵活、使用方便；9 9省电管理和低功耗省电管理和低功耗省电管理和低功耗省电管理和低功耗 DSP功耗一般为功耗一般为0.54W，若采用低功耗技术可使功耗降若采用低功耗技术可使功耗降到到0.25W，可用电池供电，适用于便携式数字终

38、端设备。可用电池供电，适用于便携式数字终端设备。第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论1.2.3 1.2.3 DSPDSP芯片的分类芯片的分类 为为了了适适应应数数字字信信号号处处理理各各种种各各样样的的实实际际应应用用，DSP厂厂商商生生产产出出多多种种类类型型和和档档次次的的DSP芯芯片片。在在众众多多的的DSP芯芯片片中中，可以按照下列可以按照下列3种方式进行分类。种方式进行分类。1.按基础特性分类按基础特性分类2.按用途分类按用途分类3.按数据格式分类按数据格式分类第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论1 1按基础特性

39、分类按基础特性分类按基础特性分类按基础特性分类 这种分类是依据这种分类是依据DSP芯片的工作时钟和指令类型进行的。芯片的工作时钟和指令类型进行的。可分为静态可分为静态DSP芯片和一致性芯片和一致性DSP芯片。芯片。如果如果DSP芯片在某时钟频率芯片在某时钟频率范围内的任何频率上都能正常工范围内的任何频率上都能正常工作，除计算速度有变化外，没有作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类性能的下降，这类DSP芯片一般芯片一般称之为静态称之为静态DSP芯片。例如，芯片。例如，TI公司的公司的TMS320系列芯片、日本系列芯片、日本OKI电气公司的电气公司的DSP芯片都属于芯片都属于这一类芯片。这一

40、类芯片。 如果有两种或两种以如果有两种或两种以上的上的DSP芯片，它们的指芯片，它们的指令集和相应的机器代码及令集和相应的机器代码及管脚结构相互兼容，则这管脚结构相互兼容，则这类类DSP芯片被称之为一致芯片被称之为一致性的性的DSP芯片。例如，芯片。例如，TI公司的公司的TMS320C54x。 第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论2. 2.按用途分类按用途分类按用途分类按用途分类 按照用途，可将按照用途，可将按照用途，可将按照用途，可将DSPDSP芯片分为通用型和专用型两大类。芯片分为通用型和专用型两大类。芯片分为通用型和专用型两大类。芯片分为通用型和专用型

41、两大类。通用型通用型通用型通用型DSPDSP芯片：芯片：芯片：芯片：一般是指可以用指令编程的一般是指可以用指令编程的一般是指可以用指令编程的一般是指可以用指令编程的DSPDSP芯片，芯片，芯片，芯片，适合于普通的适合于普通的适合于普通的适合于普通的DSPDSP应用，具有可编程性和强大的处理能力，可应用，具有可编程性和强大的处理能力，可应用，具有可编程性和强大的处理能力，可应用，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的算法。完成复杂的数字信号处理的算法。完成复杂的数字信号处理的算法。完成复杂的数字信号处理的算法。 专用型专用型专用型专用型DSPDSP芯片：芯片：芯片：芯片：是为特

42、定的是为特定的是为特定的是为特定的DSPDSP运算而设计，通常只针运算而设计，通常只针运算而设计，通常只针运算而设计，通常只针对某一种应用，相应的算法由内部硬件电路实现，适合于数字对某一种应用，相应的算法由内部硬件电路实现，适合于数字对某一种应用，相应的算法由内部硬件电路实现，适合于数字对某一种应用，相应的算法由内部硬件电路实现，适合于数字滤波、滤波、滤波、滤波、FFTFFT、卷积和相关算法等特殊的运算。主要用于要求信卷积和相关算法等特殊的运算。主要用于要求信卷积和相关算法等特殊的运算。主要用于要求信卷积和相关算法等特殊的运算。主要用于要求信号处理速度极快的特殊场合。号处理速度极快的特殊场合。

43、号处理速度极快的特殊场合。号处理速度极快的特殊场合。第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论3 3按数据格式分类按数据格式分类按数据格式分类按数据格式分类 根根根根据据据据芯芯芯芯片片片片工工工工作作作作的的的的数数数数据据据据格格格格式式式式，按按按按其其其其精精精精度度度度或或或或动动动动态态态态范范范范围围围围，可可可可将将将将通用通用通用通用DSPDSP划分为定点划分为定点划分为定点划分为定点DSPDSP和浮点和浮点和浮点和浮点DSPDSP两类。两类。两类。两类。若数据以定点格式工作的若数据以定点格式工作的若数据以定点格式工作的若数据以定点格式工作的定点

44、定点定点定点DSPDSP芯片。芯片。芯片。芯片。若数据以浮点格式工作的若数据以浮点格式工作的若数据以浮点格式工作的若数据以浮点格式工作的浮点浮点浮点浮点DSPDSP芯片。芯片。芯片。芯片。 不同的浮点不同的浮点不同的浮点不同的浮点DSPDSP芯片所采用的浮点格式有所不同，有的芯片所采用的浮点格式有所不同，有的芯片所采用的浮点格式有所不同，有的芯片所采用的浮点格式有所不同，有的DSPDSP芯片采用自定义的浮点格式，有的芯片采用自定义的浮点格式，有的芯片采用自定义的浮点格式，有的芯片采用自定义的浮点格式，有的DSPDSP芯片则采用芯片则采用芯片则采用芯片则采用IEEEIEEE的的的的标准浮点格式。

45、标准浮点格式。标准浮点格式。标准浮点格式。 第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论1.2.4 1.2.4 DSPDSP芯片的应用芯片的应用 随着随着DSP芯片价格的下降，性能价格比的提高，芯片价格的下降，性能价格比的提高，DSP芯片芯片具有巨大的应用潜力。具有巨大的应用潜力。主要应用：主要应用：主要应用：主要应用： 1.1.信号处理信号处理信号处理信号处理 2.2.通通通通信信信信3.3.语语语语音音音音4.4.图像处理图像处理图像处理图像处理5.5.军军军军事事事事6.6.仪器仪表仪器仪表仪器仪表仪器仪表7.7.自动控制自动控制自动控制自动控制8.8.医疗工

46、程医疗工程医疗工程医疗工程9.9.家用电器家用电器家用电器家用电器10.10.计计计计 算算算算 机机机机如：数字滤波、自适应滤波、如：数字滤波、自适应滤波、快速傅氏变换、快速傅氏变换、Hilbert变换、变换、相关运算、频谱分析、相关运算、频谱分析、卷卷积、模式匹配、积、模式匹配、窗函数、波形产生等；窗函数、波形产生等； 如：调制解调器、自适应均衡、如：调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、传真、扩频通信、移动通信、纠错编译码、移动通信、纠错编译码、可视电话、路由器等；可视电话、路由器等；如：语音编码、语音合成

47、、如：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音识别、语音增强、语音邮件、语音存储、语音邮件、语音存储、文本文本语音转换等；语音转换等；如：二维和三维图形处理、如：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像压缩与传输、图像鉴别、图像增强、图像鉴别、图像增强、图像转换、模式识别、图像转换、模式识别、动画、电子地图、动画、电子地图、机器人视觉等；机器人视觉等；如：保密通信如：保密通信雷达处理雷达处理声纳处理声纳处理导航导航导弹制导导弹制导电子对抗电子对抗全球定位全球定位GPS搜索与跟踪搜索与跟踪情报收集与处理等情报收集与处理等如：频谱分析、函数发生、如：频谱分析、函数发生、数据采集、锁相环、数据采

48、集、锁相环、模态分析、暂态分析、模态分析、暂态分析、石油石油/地质勘探、地质勘探、地震预测与处理等；地震预测与处理等；如：引擎控制如：引擎控制声声控控发动机控制发动机控制自动驾驶自动驾驶机器人控制机器人控制磁盘磁盘/光盘伺服控制光盘伺服控制神经网络控制等神经网络控制等如：助听器如：助听器X-射线扫描射线扫描心电图心电图/脑电图脑电图超声设备超声设备核磁共振核磁共振诊断工具诊断工具病人监护等病人监护等如：高保真音响如：高保真音响音乐合成音乐合成音调控制音调控制玩具与游戏玩具与游戏数字电话数字电话/电视电视高清晰度电视高清晰度电视HDTV变频空调变频空调机顶盒等机顶盒等如：震裂处理器如：震裂处理器

49、图形加速器图形加速器工作站工作站多媒体计算机等多媒体计算机等第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论1.2.5 1.2.5 DSPDSP芯片的发展现状和趋势芯片的发展现状和趋势 1 1DSPDSP芯片的现状芯片的现状芯片的现状芯片的现状 （1 1）制造工艺）制造工艺）制造工艺）制造工艺 早期早期DSP采用采用4 m的的NMOS工艺。现在的工艺。现在的DSP芯片普遍芯片普遍采用采用0.25 m或或0.18 m亚微米的亚微米的CMOS工艺。芯片引脚从原工艺。芯片引脚从原来的来的40个增加到个增加到200个以上，需要设计的外围电路越来越少，个以上，需要设计的外围电路越

50、来越少，成本、体积和功耗不断下降。成本、体积和功耗不断下降。 （2 2）存储器容量）存储器容量）存储器容量）存储器容量 早期的早期的DSP芯片，其片内程序存储器和数据存储器只有芯片，其片内程序存储器和数据存储器只有几百个单元。目前，片内程序和数据存储器可达到几十几百个单元。目前，片内程序和数据存储器可达到几十K字，字，而片外程序存储器和数据存储器可达到而片外程序存储器和数据存储器可达到16M 48位和位和4G 40位以上。位以上。 第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论1.2.5 1.2.5 DSPDSP芯片的发展现状和趋势芯片的发展现状和趋势 1 1DSPD

51、SP芯片的现状芯片的现状芯片的现状芯片的现状 （3 3）内部结构）内部结构）内部结构）内部结构 目前，目前，DSP内部均采用多总线、多处理单元和多级流水内部均采用多总线、多处理单元和多级流水线结构，加上完善的接口功能，使线结构，加上完善的接口功能，使DSP的系统功能、数据处的系统功能、数据处理能力和与外部设备的通信功能都有了很大的提高。理能力和与外部设备的通信功能都有了很大的提高。 （4 4）运算速度）运算速度）运算速度）运算速度 近近20年的发展，使年的发展，使DSP的指令周期从的指令周期从400ns缩短到缩短到10ns以以下，其相应的速度从下，其相应的速度从2.5MIPS提高到提高到200

52、0MIPS以上。如以上。如TMS320C6201执行一次执行一次1024点复数点复数FFT运算的时间只有运算的时间只有66 S。 第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论1.2.5 1.2.5 DSPDSP芯片的发展现状和趋势芯片的发展现状和趋势 3 3DSPDSP技术的发展趋势技术的发展趋势技术的发展趋势技术的发展趋势 （5 5）DSPDSP和和和和FPGAFPGA的融合的融合的融合的融合 FPGA是现场可编程门阵列器件。它和是现场可编程门阵列器件。它和DSP集成在一块集成在一块芯片上，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度。芯片上，可实现宽带信号处理，大大

53、提高信号处理速度。 （6 6）实时操作系统）实时操作系统）实时操作系统）实时操作系统RTOSRTOS与与与与DSPDSP的结合的结合的结合的结合 随随着着DSP处处理理能能力力的的增增强强，DSP系系统统越越来来越越复复杂杂，使使得得软软件件的的规规模模越越来来越越大大，往往往往需需要要运运行行多多个个任任务务，各各任任务务间间的的通信、同步等问题就变得非常突出。通信、同步等问题就变得非常突出。随随着着DSP性性能能和和功功能能的的日日益益增增强强，对对DSP应应用用提提供供RTOS的支持已成为必然的结果。的支持已成为必然的结果。 第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪

54、论绪论绪论1.2.5 1.2.5 DSPDSP芯片的发展现状和趋势芯片的发展现状和趋势 3 3DSPDSP技术的发展趋势技术的发展趋势技术的发展趋势技术的发展趋势 （7 7）DSPDSP的并行处理结构的并行处理结构的并行处理结构的并行处理结构 为了提高为了提高DSP芯片的运算速度，各芯片的运算速度，各DSP厂商纷纷在厂商纷纷在DSP芯片中引入并行处理机制。这样，可以在同一时刻将不同的芯片中引入并行处理机制。这样，可以在同一时刻将不同的DSP与不同的任一存储器连通，大大提高数据传输的速率。与不同的任一存储器连通，大大提高数据传输的速率。（8 8）功耗越来越低）功耗越来越低）功耗越来越低）功耗越来

55、越低 随着超大规模集成电路技术和先进的电源管理设计技术随着超大规模集成电路技术和先进的电源管理设计技术的发展，的发展，DSP芯片内核的电源电压将会越来越低。芯片内核的电源电压将会越来越低。 第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论1.3 1.3 DSPDSP产品品简介介 目前，世界上较为著名的目前，世界上较为著名的DSP芯片生产厂商有芯片生产厂商有AD公司（公司（AnalogDevicesInc.美国模拟器件公司）美国模拟器件公司）AT&T公司（现在的公司（现在的Lucent朗讯公司）朗讯公司）Motorola公司公司TI公司（美国德州仪器公司）公司（美国德州仪

56、器公司）NEC公司公司第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论1 1ADAD公司公司 定点定点DSP：ADSP21xx系列系列16bit40MIPS；浮点浮点DSP：ADSP21020系列系列32bit25MIPS；并行浮点并行浮点DSP：ADSP2106x系列系列32bit40MIPS；超高性能超高性能DSP：ADSP21160系列系列32bit100MIPS。 2 2AT&TAT&T公司公司 定点定点DSP：DSP16系列系列16bit40MIPS；浮点浮点DSP：DSP32系列系列32bit12.5MIPS。 第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPD

57、SPDSP绪论绪论绪论绪论3 3MotorolaMotorola公司公司 定点定点DSP：DSP56000系列系列24bit16MIPS；浮点浮点DSP：DSP96000系列系列32bit27MIPS。4 4NECNEC公司公司 定点定点DSP： PD77Cxx系列系列16bit； PD770xx系列系列16bit； PD772xx系列系列24bit或或32bit。 第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论5 5TITI公司公司 定点定点DSP：TMS320C1x系列系列16bit第一代第一代1982年前后；年前后；TMS320C2x系列系列16bit第二代第二

58、代1987年前后；年前后；TMS320C5x系列系列16bit第五代第五代1993年；年；TMS320C54x系列系列16bit第七代第七代1996年；年；TMS320C24x系列系列16bit第七代第七代1996年；年；TMS320C6x系列系列32bit第七代第七代1997年；年；TMS320C55x系列系列16bit第七代第七代2000年。年。第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论浮点浮点DSP： TMS320C3xTMS320C3x系列系列系列系列 3232bitbit第三代第三代第三代第三代 19901990年；年；年；年； TMS320C4xTMS

59、320C4x系列系列系列系列 3232bitbit第四代第四代第四代第四代 19901990年；年；年；年； TMS320C67x系列系列系列系列 6464bitbit第七代第七代第七代第七代 19981998年。年。年。年。 多处理器多处理器DSP：TMS320C8x系列系列32bit第六代第六代1994年。年。C2xC2x、C24xC24x称为称为称为称为C2000C2000系列，主要用于数字控制系统；系列，主要用于数字控制系统；系列，主要用于数字控制系统；系列，主要用于数字控制系统； C54xC54x、C55xC55x称称称称为为为为C5000C5000系系系系列列列列，主主主主要要要要

60、用用用用于于于于功功功功耗耗耗耗低低低低、便便便便于于于于携携携携带的通信终端；带的通信终端；带的通信终端；带的通信终端； C62xC62x、C64xC64x和和和和C67xC67x称称称称为为为为C6000C6000系系系系列列列列，主主主主要要要要用用用用于于于于高高高高性性性性能能能能复复复复杂的通信系统，如移动通信基站。杂的通信系统，如移动通信基站。杂的通信系统，如移动通信基站。杂的通信系统，如移动通信基站。 第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论1.4 1.4 TMS320C54XTMS320C54X系列系列 TI公公司司是是世世界界上上应应用用最最

61、广广、品品种种最最多多的的DSP芯芯片片生生产产厂厂之之一一。该该公公司司自自1982年年推推出出第第一一款款定定点点DSP芯芯片片以以来来，相相继继推推出出定定点点、浮浮点点和和多多处处理理器器三三类类运运算算特特性性不不同同的的DSP芯芯片片，共共计计已已发发展展了了七七代代产产品品。其其中中，定定点点运运算算单单处处理理器器的的DSP有有七七个个系系列列，浮浮点点运运算算单单处处理理器器的的DSP有有三三个个系系列列，多多处处理理器器的的DSP有有一一个个系系列列。主主要要按按照照DSP的的处处理理速速度度、运运算算精精度度和和并并行行处处理理能能力力分分类类，每每一一类类产产品品的的结

62、结构构相相同同，只只是是片片内内存存储储器和片内外设配置不同。器和片内外设配置不同。第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论TMS320TMS320系列系列产品命名方法：品命名方法：产品系列可以表示为产品系列可以表示为TMS320NX-ZTMS320-产品分类名产品分类名-外设配置外设配置（C：COMS工工艺艺；E：带带EPROM；P：带带OTP；LC：低低功功耗耗；BC：自动加载；：自动加载；LBC：低功耗自动加载；：低功耗自动加载；VC：极低电压）：极低电压）NX-产品代名产品代名-Z-时钟频率时钟频率第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP

63、绪论绪论绪论绪论例例如如：TMS320C240表表明明这这个个芯芯片片的的制制造造工工艺艺为为CMOS，第第七七代代产产品品，其其时时钟钟频频率率可可调调，所所以以没没有有固固定定时时钟后缀。钟后缀。TMS320C54X（简简称称C54X）是是TI公公司司于于1992年年推推出出的的第第七七代代定定点点DSP芯芯片片，采采用用的的COMS制制造造工工艺艺，时时钟钟频频率率可可调调。这这一一系系列列采采用用了了修修正正的的增增强强型型哈哈弗弗结结构构，片片内内有有CPU、8条总线、条总线、RAM、ROM以及片内外设等硬件配置。以及片内外设等硬件配置。第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPD

64、SPDSP绪论绪论绪论绪论TMS320C54XTMS320C54XTMS320C54XTMS320C54X系列的特点系列的特点系列的特点系列的特点 （1）集成度高）集成度高片片上上集集成成了了最最大大192KB的的存存储储空空间间，全全双双工工串串口口、8位位并并行行主主机机接接口口、可可编编程程逻逻辑辑电电路路、锁锁相相环环PLL时时钟钟发发生生器器等等等等片片内内结结构构以以及及外外部部总总线线关关断断保保护护电电路路。在在许许多多应应用用中中只只要要一一片就可满足数据处理及控制要求片就可满足数据处理及控制要求（2）结构简单）结构简单芯芯片片内内部部为为模模块块化化结结构构，增增加加或或者

65、者更更换换一一个个片片上上外外设设模模块电路是可以替代指令系统，同时引脚全兼容。块电路是可以替代指令系统，同时引脚全兼容。第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论TMS320C54XTMS320C54XTMS320C54XTMS320C54X系列的特点系列的特点系列的特点系列的特点 （3）扩展方便）扩展方便具具有有外外扩扩最最大大1Mb16bit的的ROM、64KbRAM及及I/O的的能能力力，可可方方便便进进行行系系统统扩扩展展。各各大大公公司司的的通通用用存存储储芯芯片片及及I/O接接口芯片可以和它直接相连进行扩展。口芯片可以和它直接相连进行扩展。（4）可靠

66、性强）可靠性强芯芯片片集集成成度度高高，结结构构简简单单，其其应应用用系系统统体体积积小小，片片内内干干扰扰小小，容容易易采采取取屏屏蔽蔽措措施施。适适用用范范围围宽宽，在在各各种种恶恶劣劣环环境境下下都可以可靠工作。同时有军品和民用级别之分。都可以可靠工作。同时有军品和民用级别之分。第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论TMS320C54XTMS320C54XTMS320C54XTMS320C54X系列的特点系列的特点系列的特点系列的特点 （5）处理能力强）处理能力强高高速速多多总总线线结结构构，可可以以完完成成并并行行指指令令操操作作。单单周周期期定定点点

67、指令的执行时间达到指令的执行时间达到25/10ns（40/1MIPS）（6）低功耗、容易产品化）低功耗、容易产品化芯芯片片自自带带功功耗耗控控制制指指令令，工工作作于于省省电电模模式式。同同时时集集成成度度高高、功功能能强强、可可靠靠性性高高、价价格格低低，可可以以装装入入各各种种仪仪器器仪仪表表及及控制设备形成产品。控制设备形成产品。第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论1.5 1.5 DSPDSP系系统 1.5.11.5.1DSPDSP系统的构成系统的构成系统的构成系统的构成 一一一一个典型的个典型的DSP系统应包括抗混叠滤波器、数据系统应包括抗混叠滤波器

68、、数据采集采集A/D转换器、数字信号处理器转换器、数字信号处理器DSP、D/A转换器和转换器和低通滤波器等组成。低通滤波器等组成。x(t)抗混叠抗混叠滤波器滤波器A/D转换器转换器x(n)y(n)y(t)数字信号数字信号处理器处理器D/A转换器转换器低通低通滤波器滤波器第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论DSPDSP系统的处理过程：系统的处理过程：系统的处理过程：系统的处理过程： 将输入信号将输入信号x(t)进行抗混叠滤波，滤掉高于进行抗混叠滤波，滤掉高于折叠频率的分量，以防止信号频谱的混叠；折叠频率的分量，以防止信号频谱的混叠； 经采样和经采样和A/D转换

69、器，将滤波后的信号转换转换器，将滤波后的信号转换为数字信号为数字信号x(n)； 数字信号处理器对数字信号处理器对x(n)进行处理，得数字信进行处理，得数字信号号y(n)；经经D/A转换器，将转换器，将y(n)转换成模拟信号；转换成模拟信号； 经低通滤波器，滤除高频分量，得到平滑的经低通滤波器，滤除高频分量，得到平滑的模拟信号模拟信号y(t)。 第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论1.5.21.5.2DSPDSP系统的特点系统的特点系统的特点系统的特点 （1）接口方便）接口方便（2）编程方便）编程方便（3）具有高速性）具有高速性（4）稳定性好）稳定性好（5）精

70、度高）精度高（6）可重复性好）可重复性好（7）集成方便）集成方便第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论1.5.31.5.3DSPDSP系统的设计过程系统的设计过程系统的设计过程系统的设计过程 DSPDSP应用系统的设计过程如图所示。应用系统的设计过程如图所示。应用系统的设计过程如图所示。应用系统的设计过程如图所示。 根据需求写出任务书根据需求写出任务书确定设计目标确定设计目标算法研究和系统模拟实现算法研究和系统模拟实现定义系统性能指标定义系统性能指标选择选择DSP芯片芯片和外围芯片和外围芯片硬件设计硬件设计硬件调试硬件调试软件设计软件设计软件调试软件调试系统集

71、成和测试系统集成和测试设计步骤分几个阶段：设计步骤分几个阶段： （1）明确设计任务，确定设计目标）明确设计任务，确定设计目标（2）算法模拟，确定性能指标）算法模拟，确定性能指标（3）选择）选择DSP芯片和外围芯片芯片和外围芯片（4）设计实时的）设计实时的DSP应用系统应用系统（5）硬件和软件调试）硬件和软件调试（6）系统集成和测试）系统集成和测试 第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论1.5.41.5.4DSPDSP芯片的选择芯片的选择芯片的选择芯片的选择 在进行在进行DSP系统设计时，选择合适的系统设计时，选择合适的DSP芯片是非常重要的芯片是非常重要的一个

72、环节。通常依据系统的运算速度、运算精度和存储器的需一个环节。通常依据系统的运算速度、运算精度和存储器的需求等来选择求等来选择DSP芯片。芯片。一般来说，选择一般来说，选择DSP芯片时应考虑如下一些因素。芯片时应考虑如下一些因素。 1DSP芯片的运算速度芯片的运算速度2DSP芯片的价格芯片的价格3DSP芯片的运算精度芯片的运算精度4DSP芯片的硬件资源芯片的硬件资源5DSP芯片的开发工具芯片的开发工具6DSP芯片的功耗芯片的功耗7其它因素其它因素第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论 2 2DSPDSP芯片的价格芯片的价格芯片的价格芯片的价格 DSP芯片的价格也

73、是选择芯片的价格也是选择DSP芯片所需考虑的一个重要芯片所需考虑的一个重要因素。在系统的设计过程中，应根据实际系统的应用情况来因素。在系统的设计过程中，应根据实际系统的应用情况来选择一个价格适中的选择一个价格适中的DSP芯片。芯片。 3 3DSPDSP芯片的运算精度芯片的运算精度芯片的运算精度芯片的运算精度 运算精度取决于运算精度取决于DSP芯片的字长。芯片的字长。定点定点DSP芯片的字长通常为芯片的字长通常为16位和位和24位。位。浮点浮点DSP芯片的字长一般为芯片的字长一般为32位。位。 1 1DSPDSP芯片的速度芯片的速度芯片的速度芯片的速度 运算速度是一个关键指标，通过指令周期、运算

74、速度是一个关键指标，通过指令周期、MAC时间时间和和MIPS等进行衡量。等进行衡量。第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论 4 4DSPDSP芯片的硬件资源芯片的硬件资源芯片的硬件资源芯片的硬件资源 DSPDSP芯片的硬件资源主要包括：片内芯片的硬件资源主要包括：片内芯片的硬件资源主要包括：片内芯片的硬件资源主要包括：片内RAMRAM、ROMROM的数量，的数量，的数量，的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口，I/OI/O接口等。接口等。接口

75、等。接口等。不同的不同的不同的不同的DSPDSP芯片所提供的硬件资源是不相同的，应根据系芯片所提供的硬件资源是不相同的，应根据系芯片所提供的硬件资源是不相同的，应根据系芯片所提供的硬件资源是不相同的，应根据系统的实际需要，考虑芯片的硬件资源。统的实际需要，考虑芯片的硬件资源。统的实际需要，考虑芯片的硬件资源。统的实际需要，考虑芯片的硬件资源。 5 5DSPDSP芯片的开发工具芯片的开发工具芯片的开发工具芯片的开发工具 快捷、方便的开发工具和完善的软件支持是开发大型、复快捷、方便的开发工具和完善的软件支持是开发大型、复快捷、方便的开发工具和完善的软件支持是开发大型、复快捷、方便的开发工具和完善的

76、软件支持是开发大型、复杂杂杂杂DSPDSP应用系统的必备条件。应用系统的必备条件。应用系统的必备条件。应用系统的必备条件。 在选择在选择在选择在选择DSPDSP芯片的同时必须注意开发工具对芯片的支持，芯片的同时必须注意开发工具对芯片的支持，芯片的同时必须注意开发工具对芯片的支持，芯片的同时必须注意开发工具对芯片的支持，包括软件和硬件的开发工具等。包括软件和硬件的开发工具等。包括软件和硬件的开发工具等。包括软件和硬件的开发工具等。 第第第第1 1 1 1章章章章 DSPDSPDSPDSP绪论绪论绪论绪论 6 6DSPDSP芯片的功耗芯片的功耗芯片的功耗芯片的功耗 在某些在某些在某些在某些DSPD

77、SP应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问题。如便携式的题。如便携式的题。如便携式的题。如便携式的DSPDSP设备、手持设备、野外应用的设备、手持设备、野外应用的设备、手持设备、野外应用的设备、手持设备、野外应用的DSPDSP设备设备设备设备等都对功耗有特殊的要求。等都对功耗有特殊的要求。等都对功耗有特殊的要求。等都对功耗有特殊的要求。 7 7其它因素其它因素其它因素其它因素 选择选择选择选择DSPDSP芯片还应考虑封装的形式、质量标准、供货情芯片还应考虑封装的形式、质量标准、供货

78、情芯片还应考虑封装的形式、质量标准、供货情芯片还应考虑封装的形式、质量标准、供货情况、生命周期等。况、生命周期等。况、生命周期等。况、生命周期等。 DSP与单片机的区别与单片机的区别单片机单片机所谓单片机就是在一块芯片上集成了所谓单片机就是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM(EPROM或或EEPROM)、时钟、定时、时钟、定时/计数器、多种功计数器、多种功能的串行和并行能的串行和并行I/O口。单片机的开发环境完备，开发工具口。单片机的开发环境完备，开发工具齐全，应用资料众多，后备人才充足。齐全，应用资料众多，后备人才充足。 DSPDSP是一种独特的微处理器，有自己的完整指令系统，是是一种

79、独特的微处理器，有自己的完整指令系统，是以数字信号来处理大量信息的器件。芯片内包括有控制单以数字信号来处理大量信息的器件。芯片内包括有控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元等，元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元等，在其外围还可以连接若干存储器，并可以与一定数量的外在其外围还可以连接若干存储器，并可以与一定数量的外部设备互相通信，有软、硬件的全面功能，本身就是一个部设备互相通信，有软、硬件的全面功能，本身就是一个微型计算机。微型计算机。 DSP与单片机的区别与单片机的区别存储器结构不同存储器结构不同单片机使用冯单片机使用冯.诺依曼存储器结构。这种结构中，只有一个诺依曼存

80、储器结构。这种结构中，只有一个存储器空间通过一组总线（一个地址总线和一个数据总线）存储器空间通过一组总线（一个地址总线和一个数据总线）连接到处理器核连接到处理器核 。 大多数大多数DSP采用了哈佛结构，将存储器空间划分成两个，采用了哈佛结构，将存储器空间划分成两个，分别存储程序和数据。提高运行速度，突破指令执行瓶颈。分别存储程序和数据。提高运行速度，突破指令执行瓶颈。定点计算定点计算单片机采用浮点计算，而单片机采用浮点计算，而DSP大多数采用定点计算，相对大多数采用定点计算，相对于浮点计算速度快，效率高。为了不使用浮点机器而又保于浮点计算速度快，效率高。为了不使用浮点机器而又保证数字的准确，证

81、数字的准确，DSP处理器在指令集和硬件方面都支持饱处理器在指令集和硬件方面都支持饱和计算、舍入和移位。和计算、舍入和移位。DSP与单片机的区别与单片机的区别寻址方式不同寻址方式不同单片机使用普通的寻址方式，包括直接寻址、寄存器寻址单片机使用普通的寻址方式，包括直接寻址、寄存器寻址和相对寻址等。和相对寻址等。DSP处理器往往都支持专门的寻址模式，处理器往往都支持专门的寻址模式，例如，模块（循环）寻址、位倒序寻址。这些非常专门的例如，模块（循环）寻址、位倒序寻址。这些非常专门的寻址模式在单片机内部是不常使用的，只有用软件来实现。寻址模式在单片机内部是不常使用的，只有用软件来实现。特殊的寻址方式主要

82、为了提高傅里叶变换特殊的寻址方式主要为了提高傅里叶变换FFT和滤波器运算和滤波器运算的运算速度。的运算速度。乘法和加法运算乘法和加法运算单片机采用普通硬件乘法器，完成一次乘法运算要多条指单片机采用普通硬件乘法器，完成一次乘法运算要多条指令；而令；而DSP内置高速硬件乘法器，用单指令就能完成一次内置高速硬件乘法器，用单指令就能完成一次乘法运算，大大节省了指令周期的时间开销。乘法运算，大大节省了指令周期的时间开销。DSP处理器处理器还增加了累加器寄存器来处理多个乘积的和。累加器寄存还增加了累加器寄存器来处理多个乘积的和。累加器寄存器通常比其他寄存器宽，来避免计算结果的溢出。器通常比其他寄存器宽，来

83、避免计算结果的溢出。DSP与单片机的区别与单片机的区别指令运行方式不同指令运行方式不同单片机使用普通的顺序指令执行方式，执行完一条指令再单片机使用普通的顺序指令执行方式，执行完一条指令再执行下一条。执行下一条。DSP处理器采用流水线指令执行方式，允许处理器采用流水线指令执行方式，允许多条指令同时运行，同时访问指令和数据存储器，在单指多条指令同时运行，同时访问指令和数据存储器，在单指令执行时间相同的情况下，达到并行处理加快运算执行速令执行时间相同的情况下，达到并行处理加快运算执行速度的目的。度的目的。有无复合指令有无复合指令复合指令指通过专用的运算器，使一条指令可以在寄存器、复合指令指通过专用的

84、运算器，使一条指令可以在寄存器、运算单元处理变量的同时，使用指针访问数据存储器运算单元处理变量的同时，使用指针访问数据存储器。复。复合指令就是为了达到并行处理的目的，合指令就是为了达到并行处理的目的，DSP采用了这样的采用了这样的复合指令，而单片机没有。复合指令，而单片机没有。DSP与单片机的区别与单片机的区别循环控制的不同循环控制的不同单片机使用单独的机器时间对循环进行控制操作指令，而单片机使用单独的机器时间对循环进行控制操作指令，而DSP处理器采用硬件循环结构控制，在不消耗多余的机器处理器采用硬件循环结构控制，在不消耗多余的机器周期的前提下，对循环进行控制操作，较好的解决了高速周期的前提下

85、，对循环进行控制操作，较好的解决了高速运行与程序精简的矛盾。运行与程序精简的矛盾。有无专用指令集有无专用指令集DSP提供了专业化的同步机制的互锁指令集，专门为信号提供了专业化的同步机制的互锁指令集，专门为信号处理算法中计算结果的完整性和独立性提供保证。而单片处理算法中计算结果的完整性和独立性提供保证。而单片机没有这样的特殊指令集合。此外，机没有这样的特殊指令集合。此外，DSP器件提供器件提供JTAG接接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便，开发口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何资源。工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何资源。结

86、论结论单片机一般用于要求低的场合，善长于控制场合应用，而单单片机一般用于要求低的场合，善长于控制场合应用，而单片机主要面向系统控制应用设计，如片机主要面向系统控制应用设计，如4/8位的单片机。位的单片机。DSP适适合于要求较高的场合，合于要求较高的场合，善长于信号分析运算，主要面向数字善长于信号分析运算，主要面向数字信号处理设计。信号处理设计。DSP是单片机的一个分支。它有专门的是单片机的一个分支。它有专门的FFT算法需要的特殊指令，流水线指令处理，能以较高的速度进算法需要的特殊指令，流水线指令处理，能以较高的速度进行运算。与单片机相比，行运算。与单片机相比，DSP器件具有较高的集成度。器件具

87、有较高的集成度。目前看来，目前看来，DSP比单片机功能更强大，但是一个产品的设计比单片机功能更强大，但是一个产品的设计要考虑，在满足需求的情况下它的性价比。如果你作一个遥要考虑，在满足需求的情况下它的性价比。如果你作一个遥控器，选用控器，选用DSP就没优势了。因为很多其他的用于遥控的单就没优势了。因为很多其他的用于遥控的单片机比他更适合用来作遥控器。二者本身针对了不同的需求，片机比他更适合用来作遥控器。二者本身针对了不同的需求，应该不存在互相替代的问题，就实用性来说单片机比应该不存在互相替代的问题，就实用性来说单片机比DSP的的应该更广泛。不过目前这两者特点互相融合的趋势倒是越来应该更广泛。不

88、过目前这两者特点互相融合的趋势倒是越来越明显，这也将是单片机与越明显，这也将是单片机与DSP的发展趋势。的发展趋势。DSP/FPGA/ARM的区别的区别ARMARM(AdvancedRISCMachines)是微处理器行业的一家是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理处理器、相关技术及软器、相关技术及软件。件。ARM架构是面向低预算市场设计的架构是面向低预算市场设计的第一款第一款RISC微处理器，微处理器，基本是基本是32位单片机位单片机的行业标准，它的行业标准，它提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案，提供

89、一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案，四四个功能模块可供生产厂商根据不同用户的要求来配置生个功能模块可供生产厂商根据不同用户的要求来配置生产。由于所有产品均采用一个通用的软件体系，所以相同产。由于所有产品均采用一个通用的软件体系，所以相同的软件可在所有产品中运行。的软件可在所有产品中运行。RISC（reducedinstructionsetcomputer，精简指令，精简指令集计算机）是一种执行较少类型计算机指令的微处理器。集计算机）是一种执行较少类型计算机指令的微处理器。 DSP/FPGA/ARM的区别的区别FPGAFPGA是英文是英文FieldProgrammableGateArr

90、ay（现场可编程（现场可编程门阵列）的缩写，它是在门阵列）的缩写，它是在PAL、PLD等可编程器件的基础上进等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成电路（一步发展的产物，是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的）中集成度最高的一种。一种。FPGA采用了逻辑单元阵列采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB、输出输入模、输出输入模块块IOB和内部连线三个部分。用户可对和内部连线三个部分。用户可对FPGA内部的逻辑模块内部的逻辑模块和和I/O模块重新配置。它还具有静态可重复编程和动态在系统模块重

91、新配置。它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。FPGA是一种比半定制还方便的是一种比半定制还方便的ASIC设计技术，设计技术，FPGA既解决既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。可以毫不夸张的讲，缺点。可以毫不夸张的讲，FPGA能完成任何数字器件的功能，能完成任何数字器件的功能，上至高性能上至高性能CPU,下至简单的下至简单的74电路，都可以用电路，都可以用FPGA来实现。来实现。 DSP/FPGA/ARM

92、的区别的区别区别区别 ARM具有比较强的事务管理功能，可以用来跑界面具有比较强的事务管理功能，可以用来跑界面以及应用程序等，其优势主要体现在控制方面，而以及应用程序等，其优势主要体现在控制方面，而DSP主要是用来计算的，比如进行加密解密、调制解主要是用来计算的，比如进行加密解密、调制解调等，优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度。调等，优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度。FPGA可以用可以用VHDL或或verilogHDL来编程，灵活性强，来编程，灵活性强，由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作，因此由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作，因此可以充分地进行设计开发和验证。当电路有少量改动可以充分地进行设计开发和验证。当电路有少量改动时，更能显示出时，更能显示出FPGA的优势，其现场编程能力可以的优势，其现场编程能力可以延长产品在市场上的寿命，而这种能力可以用来进行延长产品在市场上的寿命，而这种能力可以用来进行系统升级或除错。系统升级或除错。