《DSP原理與應(yīng)用教程（第二版）/普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材》：
　　第1章 DSP技術(shù)概要
　　隨著計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)已經(jīng)形成一門獨(dú)立的學(xué)科系統(tǒng)，并且在理論和實(shí)現(xiàn)技術(shù)兩個(gè)方面都獲得了高速的發(fā)展。數(shù)字信號處理①igital Signal Processing，DSR是采用數(shù)值計(jì)算的方法對信號進(jìn)行處理的一門學(xué)科。它研究的是怎樣對模擬信號進(jìn)行采樣，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字序列，然后對其進(jìn)行變換、濾波、增強(qiáng)、壓縮及識別等加工處理，從而提取有用信息并進(jìn)行應(yīng)用的理論和算法。而數(shù)字信號處理器①igital Signal Processors，DSR則是一種用于數(shù)字信號處理的可編程微處理器，它的誕生與快速發(fā)展，使各種數(shù)字信號處理算法得以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，為數(shù)字信號處理的研究和應(yīng)用打開了新局面，提供了低成本的實(shí)際工作環(huán)境和應(yīng)用平臺，推動了新的理論和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。目前，DSP技術(shù)在通信、航空、航天、雷達(dá)、工業(yè)控制、醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)及家用電器等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。
　　1.1 DSP系統(tǒng)和芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
　　數(shù)字信號處理圍繞著理論、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用這三個(gè)方面得到了迅速發(fā)展。在理論上，數(shù)字信號處理是把經(jīng)典理論（如數(shù)學(xué)、信號與系統(tǒng)分析等）作為基礎(chǔ)，將快速算法和各類濾波技術(shù)等應(yīng)用于各個(gè)研究領(lǐng)域，包括圖像處理、語音處理和音頻處理、信息的編解碼、信號的調(diào)制和解調(diào)、移動通信及各種智能控制等。在實(shí)現(xiàn)上是將信號處理的理論應(yīng)用于某一具體的任務(wù)中。一般根據(jù)任務(wù)的不同可分為軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)，軟件實(shí)現(xiàn)是指在通用的計(jì)算機(jī)上用軟件來仿真和研究某個(gè)算法，這種方法速度較慢，無法實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)；硬件實(shí)現(xiàn)是指采用專用DSP芯片、通用DSP芯片或者其他微處理器構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)去高速實(shí)時(shí)地完成數(shù)字信號處理的任務(wù)。
　　1.1.1 DSP系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
　　DSP系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。通過傳感器將非電物理量轉(zhuǎn)換為模擬電信號。預(yù)處理一般包括放大器和濾波器兩部分，信號經(jīng)過放大器的放大變?yōu)榫哂幸欢ǚ�值的模擬輸入信號，而濾波器（低通或帶通）的作用則是濾除輸入模擬信號中的無用頻率成分和噪聲，避免采樣后發(fā)生頻譜混疊失真。A/D轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是在滿足奈奎斯特采樣定理的條件下，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。DSP負(fù)責(zé)對輸入數(shù)字信號進(jìn)行某些算法，如卷積、相關(guān)、濾波或快速傅里葉變換（FFT）等。經(jīng)過處理之后的數(shù)字信號再進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換，由于轉(zhuǎn)換輸出的模擬信號中含有許多高頻成分，因此要通過重建濾波器濾除這些高頻信號，以獲得平滑的模擬輸出信號。
　　實(shí)際上，為了完成數(shù)字信號處理的任務(wù)，除了圖1-1所示的DSP基本結(jié)構(gòu)之外，還必須在DSP系統(tǒng)中配置人機(jī)接口、存儲器、通信接口、測試接口和電源設(shè)備等。
　　1.1.2 DSP芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
　　什么是數(shù)字信號處理器（DSP）? DSP是專為實(shí)時(shí)數(shù)字信號處理而設(shè)計(jì)的大規(guī)模集成可編程微處理器。那么，DSP究竟有哪些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特別適合于數(shù)字信號處理呢？為了搞清楚這個(gè)問題，我們先來分析下面列出的數(shù)字信號處理的典型運(yùn)算類型。
　�。�1）求兩序列信號的卷積。
　�。�2）求兩序列信號的相關(guān)函數(shù)。
　�。�3）求序列的能量。
　　（4）數(shù)字濾波器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為
　�。�5）對長度為N的輸人序列進(jìn)行快速傅里葉變換的公式為
　　通過這些典型算法可以看出，數(shù)字信號處理的基本運(yùn)算類型是乘法-累加（MAC）運(yùn)算，且在運(yùn)算過程中存在著大量的循環(huán)重復(fù)操作。因此，要提高數(shù)字信號處理的速度，達(dá)到實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求，關(guān)鍵在于提高M(jìn)AC算法及循環(huán)重復(fù)操作的速度。這就要求有一個(gè)硬件平臺及軟件開發(fā)環(huán)境，通過它可以快速、高效、實(shí)時(shí)地完成數(shù)字信號處理任務(wù)。而數(shù)字信號處理器就是這樣一個(gè)專用的實(shí)時(shí)處理平臺。它具有下列一些特別適合于數(shù)字信號處理的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
　　1.采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)
　　計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)分為：馮?諾依曼（von Neumann）結(jié)構(gòu)和哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)。
　　多數(shù)微處理器和單片機(jī)采用馮?諾依曼結(jié)構(gòu)，如圖1-2所示。在這種結(jié)構(gòu)中只含一條內(nèi)部地址總線和數(shù)據(jù)總線，CPU只能使用同一條地址總線去分時(shí)傳送程序地址和數(shù)
　　據(jù)地址，使用同一條數(shù)據(jù)總線去分別讀取程序代碼或進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫訪問，因此，對總線是分時(shí)使用，對指令的執(zhí)行也只能串行進(jìn)行，而不能并行進(jìn)行，因而處理速度慢，數(shù)據(jù)吞吐量低。
　　哈佛總線結(jié)構(gòu)如圖1-3（a）所示，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分開的，有多條獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，其中PAB、PDB和PCB分別是程序地址總線、程序數(shù)據(jù)總線和程序控制總線，DAB、DDB和DCB分別是數(shù)據(jù)地址總線、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線和數(shù)據(jù)控制總線，它們可同時(shí)對程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行尋址及讀寫，因此，使指令的執(zhí)行和對數(shù)據(jù)的訪問能夠并行進(jìn)行，使CPU的運(yùn)行速度和處理能力都得以大幅度提高。
　　DSP采用的是改進(jìn)型哈佛總線結(jié)構(gòu)，如圖1-3（b）所示。其改進(jìn)之處是：在數(shù)據(jù)總線和程序總線之間有局部的交叉連接，也就是說，在程序空間和數(shù)據(jù)空間之間有相互訪問的能力，從而增加了存儲器訪問的靈活性，提高了 DSP的運(yùn)行效率。DSP的哈佛總線改進(jìn)之處主要體現(xiàn)在下列3點(diǎn)。
　�。�1）片內(nèi)RAM可以映象至數(shù)據(jù)空間，也可以映象至程序空間。當(dāng)片內(nèi)RAM被映象至程序空間時(shí)，意味著可以利用程序總線來訪問數(shù)據(jù)。
　�。�2）片內(nèi)ROM可以映象至程序空間，也可以映象至數(shù)據(jù)空間。當(dāng)片內(nèi)ROM被映象至數(shù)據(jù)空間時(shí)，就可利用數(shù)據(jù)總線去讀取程序空間。
　　（3）具有根裝載（bootloader）功能，允許將片外的指令代碼調(diào)至片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，供OG零等待運(yùn)行。
　　以TI公司的TMS320C2000系列DSP為例，其內(nèi)部總線如圖1-4所示。CPU內(nèi)含6個(gè)16位的內(nèi)部總線，它們是相互獨(dú)立的程序讀寫地址總線（PAB）、程序讀數(shù)據(jù)總線（PRDB）、數(shù)據(jù)讀地址總線（DRAB）、數(shù)據(jù)寫地址總線（DWAB）、數(shù)據(jù)讀數(shù)據(jù)總線（DRDB）和數(shù)據(jù)寫（或程序?qū)懀��?shù)據(jù)總線（DWEB），CPU可在同一機(jī)器周期內(nèi)使用這6個(gè)總線同時(shí)完成指令代碼的讀取和數(shù)存的讀、寫訪問。另外，C2000的片內(nèi)DARAM和 SARAM可以映象至數(shù)據(jù)/程序空間，片內(nèi)Flash也可映象至程序/數(shù)據(jù)空間，體現(xiàn)了改進(jìn)型哈佛總線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。
　　2.流水線操作
　　CPU執(zhí)行一條指令通常分為4個(gè)階段。
　　⑴ F：取指（fetch）。
　�、� D：譯碼（decode）。
　　（3）O：取操作數(shù)（operand）。
　�。�4）X：執(zhí)行（execute）。
　　圖1：表示了馮?諾依曼結(jié)構(gòu)的CPU執(zhí)行指令的過程。顯然，CPU是在完成一條指令的全部4個(gè)操作階段后再去執(zhí)行另一條指令的，從時(shí)間上看是一種串行執(zhí)行的過程，因此需要花費(fèi)較多的CPU時(shí)鐘周期。
　　下面討論DSP所采用的流水線操作。
　　所謂流水線操作就是將一條指令的不同階段分配在連續(xù)的幾個(gè)周期上，通過不同的硬件去完成指令的不同執(zhí)行階段（稱為級）。例如，當(dāng)取指硬件已經(jīng)完成了取指任務(wù)，并將指令N送入了譯碼硬件后，它就可以去取下一條指令N+1，而譯碼硬件則同時(shí)對指令N進(jìn)行譯碼。
　　一個(gè)4級流水線的示意圖如圖1-6所示。假設(shè)指令1的4個(gè)操作階段分別是F1^ D1!01和E1；指令2的4個(gè)操作階段分別是F2! D2!02和E2；依次類推。那么，從圖1-6中可以看到，在時(shí)鐘周期1，指令1取指（F1）；在時(shí)鐘周期2，指令1譯碼（D1），而指令2取指（F2） 在時(shí)鐘周期4，流水線中就會有4條指令處于4個(gè)不同階段，其中，指令1已進(jìn)入執(zhí)行階段E1，指令2在取操作數(shù)階段02，指令3處于譯碼階段D3，而指令4剛進(jìn)入取指操作F4�？梢姡�雖然就一條指令而言，似乎要用4個(gè)時(shí)鐘周期才能完成全部操作，但從多條指令的角度看，則可認(rèn)為每條指令的運(yùn)行時(shí)間是單周期。這樣，就使指令的運(yùn)行速度得到了很大提高。當(dāng)然，這樣做所付出的代價(jià)是：必須有相應(yīng)的硬件支持這種多級流水線操作，且流水線的級數(shù)越高，對硬件的要求也越高。
　　在TI的TMS320系列DSP中，TMS320F24x系列采用4級流水線；TMS320F28x 系列采用8級流水線；TMS320C54x系列采用6級流水線；TMS320C6000系列定點(diǎn)芯片采用11級流水線，浮點(diǎn)芯片則采用16級流水線。
　　3.片內(nèi)集成有硬件乘法器和乘加單元
　　一般微處理器中沒有硬件乘法器，在做乘法運(yùn)算時(shí)，需要調(diào)用內(nèi)部運(yùn)算序列去執(zhí)行一系列相加和移位運(yùn)算才能完成，所以要花費(fèi)多個(gè)時(shí)鐘周期。例如，MCS-51系列單片機(jī)完成一次乘法操作需要4個(gè)機(jī)器周期，是其指令集里執(zhí)行時(shí)間最長的指令之一。而 DSP為了適應(yīng)大批量乘法運(yùn)算的需要，在其CPU內(nèi)部集成了硬件乘法器和乘加單元，從硬件結(jié)構(gòu)上為高速完成卷積、相關(guān)、FFT及數(shù)字濾波等信號處理算法提供了基礎(chǔ)。例如，TMS320C54x系列片內(nèi)集成有一個(gè)17位X 17位的硬件乘法器和40位的加法器，可以高速完成乘法-累加運(yùn)算（MAC） TMS320C6000系列片內(nèi)有2個(gè)硬件乘法器，支持在單周期內(nèi)完成16位X 16位、16位X32位的乘法，并支持雙16位X 16位和4個(gè)8位 X 8位的乘法運(yùn)算。
　　4.功能強(qiáng)大的CPU結(jié)構(gòu)
　　除了上面提到的硬件乘法器和乘加單元，DSP的CPU —般還包括：算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU）、累加器、加法器、桶型移位器、程序地址產(chǎn)生和數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生等部分。
　　DSP的累加器有很強(qiáng)的操作能力，一般會配置多個(gè)累加器，或是集成有超長字結(jié)構(gòu)的寄存器組。例如，TMS320C54x的累加器為40位，并且有2個(gè)累加器ACCA和 ACCB。TMS320C64x有64個(gè)32位的通用寄存器，每一個(gè)寄存器都可作為累加器來使用，并可被配置成寄存器對，用來進(jìn)行64位數(shù)據(jù)的訪問。
　　桶型移位器用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的移位，包括算術(shù)左移、右移和邏輯左移、右移等。通過它能夠方便地進(jìn)行定點(diǎn)定標(biāo)或其他的移位操作。
　　DSP的CPU通常含有一套獨(dú)立的程序地址產(chǎn)生邏輯和2套數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生邏輯，可以同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)程序取指地址和2個(gè)數(shù)據(jù)訪問地址，極大地提高了 CPU的尋址能力。例如，TMS320C54x有2個(gè)輔助算術(shù)邏輯單元ARAUO和ARAU1及8個(gè)輔助寄存器 ARO?AR7，可同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)數(shù)據(jù)地址供CPU使用。
　　TMS320C6000系列DSP的CPU與其他微處理器有很大不同，它采用了雙數(shù)據(jù)通道和8個(gè)功能單元的結(jié)構(gòu)，如圖1-7所示。這種特殊結(jié)構(gòu)支持CPU在單周期內(nèi)最多可同時(shí)執(zhí)行8條指令，具有強(qiáng)大的超長指令字（VLIW）操作能力。
　　5.硬件循環(huán)重復(fù)機(jī)制
　　許多DSP芯片具有重復(fù)操作指令和支持重復(fù)操作的專用硬件，通過它們可以自動地重復(fù)執(zhí)行單條指令或一段指令。例如，TMS320C54x中有重復(fù)計(jì)數(shù)器（RPTC）和重復(fù)指令（RPT），當(dāng)執(zhí)行指令RPTN時(shí)，CPU會將重復(fù)次數(shù)N賦給RPTC，則緊接RPTN后面的那條指令將被重復(fù)執(zhí)行NQ1次。每重復(fù)執(zhí)行一次，RPTC的數(shù)據(jù)會自動減1，直至減至零為止。這樣，就可以通過硬件自動完成循環(huán)操作的過程。而且，進(jìn)入重復(fù)機(jī)制的指令會自動變?yōu)閱沃芷趫?zhí)行，大大減少了執(zhí)行時(shí)間。
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