《夏宇闻着作：从算法设计到硬线逻辑的实现第一章.》.doc

第一章 数字信号处理、计算、程序、 算法和硬线逻辑的基本概念 引言： 现代计算机与通讯系统电子设备中广泛使用了数字信号处理专用集成电路，它们主要用于数字信号传输中所必需的滤波、变换、加密、解密、编码、解码、纠检错、压缩、解压缩等操作。这些处理工作从本质上说都是数学运算。从原则上讲，它们完全可以用计算机或微处理器来完成。这就是为什么我们常用C、Pascal或汇编语言来编写程序，以研究算法的合理性和有效性的道理。 在数字信号处理的领域内有相当大的一部分工作是可以事后处理的。我们可以利用通用的计算机系统来处理这类问题。如在石油地质调查中，我们通过钻探和一系列的爆破，记录下各种地层的回波数据，然后用计算机对这些数据进行处理，去除噪声等无用信息，最后我们可以得到地层的构造，从而找到埋藏的石油。因为地层不会在几年内有明显的变化，因此花几十天的时间把地层的构造分析清楚也能满足要求。这种类型的数字信号处理是非实时的，用通用的计算机就能满足需要。 还有一类数字信号处理必须在规定的时间内完成，如在军用无线通信系统和机载雷达系统中我们常常需要对检测到的微弱信号增强、加密、编码、压缩，在接收端必须及时地解压缩、解码和解密并重现清晰的信号。我们很难想象用一个通用的计算机系统来完成这项工作，因此，我们不得不自行设计非常轻便小巧的高速专用硬件系统来完成该任务。 有的数字信号处理对时间的要求非常苛刻，以至于用高速的通用微处理器芯片也无法在规定的时间内完成必须的运算。我们必须为这样的运算设计专用的硬线逻辑电路，这可以在高速FPGA器件上实现或制成高速专用集成电路。这是因为通用微处理器芯片是为一般目的而设计的，运算的步骤必须通过程序编译后生成的机器码指令加载到存贮器中，然后在微处理器芯片控制下，按时钟的节拍，逐条取出指令、分析指令，然后执行指令，直至程序的结束。微处理器芯片中的内部总线和运算部件也是为通用的目的而设计，即使是专为信号处理而设计的通用微处理器，因为它的通用性，也不可能为某一个特殊的算法来设计一系列的专用的运算电路，而且其内部总线的宽度也不能随意改变，只有通过改变程序，才能实现这个特殊的算法。因而其运算速度就受到限制。 本章的目的是想通过对数字信号处理、计算（Computing）、算法和数据结构、编程语言和程序、体系结构和硬线逻辑等基本概念的介绍，了解算法与硬线逻辑之间的关系从而引入利用Verilog HDL硬件描述语言设计复杂的数字逻辑系统的概念和方法。向读者展示一种九十年代才真正开始在美国等先进的工业国家逐步推广的数字逻辑系统的设计方法。借助于这种方法，在电路设计自动化仿真和综合工具的帮助下，只要我们对并行的计算结构有一定程度的了解，对有关算法有深入的研究，我们完全有能力设计并制造出有自己知识产权的DSP（数字信号处理）类和任何复杂的数字逻辑集成电路芯片，为我国的电子工业和国防现代化作出应有的贡献。 数字信号处理 大规模集成电路设计制造技术和数字信号处理技术，近三十年来，各自得到了迅速的发展。这两个表面上看来没有什么关系的技术领域实质上是紧密相关的。因为数字信号处理系统往往要进行一些复杂的数学运算和数据的处理，并且又有实时响应的要求，它们通常是由高速专用数字逻辑系统或专用数字信号处理器所构成，电路是相当复杂的。因此只有在高速大规模集成电路设计制造技术进步的基础上，才有可能实现真正有意义的实时数字信号处理系统。对实时数字信号处理系统的要求不断提高，也推动了高速大规模集成电路设计制造技术的进步。现代专用集成电路的设计是借助于电子电路设计自动化（EDA）工具完成的。学习和掌握硬件描述语言（HDL）是使用电子电路设计自动化（EDA）工具的基础。 计算（Computing） 说到数字信号处理，我们自然就会想到数学计算（或数学运算）。现代计算机和通信系统中广泛采用了数字信号处理的技术和方法。基本思路是先把信号用一系列的数字来表示，如是连续的模拟信号，则需通过采样和模拟数字转换，把信号转换成一系列的数字信号，然后对这些数字信号进行各种快速的数学运算，其目的是多种多样的，有的是为了加密，有的是通过编码来减少误码率以提高信道的通信质量，有的是为了去掉噪声等无关的信息也可以称为滤波，有的是为了数据的压缩以减少占用的频道…。有时我们也把某些种类的数字信号处理运算称为变换如离散傅利叶变换（DFT）、离散余弦变换（DCT）、小波变换（Wavelet T）等。 我们这里所说的计算是从英语Computing翻译过来的，它的含义要比单纯的数学计算广泛得多。“Computing这门学问研究怎样系统地有步骤地描述和转换信息，实质上它是一门覆盖了多个知识和技术范畴的学问，其中包括了计算的理论、分析、设计、效率和应用。它提出的最基本的问题是什么样的工作能自动完成，什么样的不能。”（摘自