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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知
3、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构成
4、、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 DSPDSPDSPDSP绪
5、论绪论绪论绪论1.1 1.1 DSPDSP发发展概述展概述 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号处理
6、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（Di
7、gitalSignalProcessor）。）。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量和存储
8、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近几年来
9、，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点、并取
10、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件、软件
11、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，用以增强运算
12、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；用专用的用专用的DS
13、P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(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)的
14、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合于进
15、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。可以毫不夸张地讲
16、，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生产出第一片
17、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（TI）、）、
18、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，它是该公司的第
19、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系列，系列，Mo
20、torola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、成本不断下降。尤其是各种
21、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、大容器的并行处理结构
22、、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芯片的特点主要由它的内部构造
23、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诺伊曼诺伊曼结
24、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现象，其工作速度
25、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（HarvardHarvard）结构结构结构
26、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 1章章章章 DSP
27、DSPDSPDSP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址总线数据地址总线数
28、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令直接调用,增强芯片的灵
29、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采用多总线结构采用多总线结构采用多总线
30、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，这样在一个机器周期内可以完成
31、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。其不提高系统时钟频率的条件下减少每条指令的执
32、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-2N-2N-2N-2N-2N+2
33、N+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 为了适应数字信号处理的需要，当前的为了适应数字信号处理的需
34、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。设计了一些完成特殊功能的指令。如：如：TMS320C54x中的中的F
35、IRS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100百百万条万条/秒。秒。7 7硬件配置强硬件配置强硬件配置强硬件
36、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
37、 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端设备。可用电池供电，适用于便携式数字终端设备。第第第
38、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
39、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D
40、SP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两大类。通用型通用型通用型通用型DSPDSP芯片：芯片：芯片
41、：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
42、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。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
43、 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定点定点定点DSPDSP芯片。芯片。芯片。芯片。若数据以浮点格
44、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。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
45、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1
46、0.10.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、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
47、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
48、、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
49、 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
50、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 1DSPDSP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