第2章高速数字信号处理概述祥解.ppt

第二章 数字信号处理技术概述 §2.1 数字信号处理器的特点 §2.2 数字信号处理器的应用领域 §2.3 数字信号处理器的选择和发展 §2.4 数字信号处理系统的构成 §2.5 数字信号处理系统的设计 §2.1 数字信号处理器的特点 高速实时数字信号处理技术的核心和标志是数字信号处理器(DSP)。自第一个DSP（TI的TMS32010）问世以来，处理器技术水平得到了十分迅速的提高，而快速付立叶变换等实用算法的提出促进了专门实现数字信号处理的一类微处理器的分化和发展。数字信号处理有别于普通的科学计算与分析。它强调运算处理的高速实时性，因此DSP除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外，针对高速实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统、指令流程上做了很大的改动，其结构特点如下： ①DSP普遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结构，比传统处理器的冯·诺依曼结构有更高的指令执行速度； ②DSP大多采用流水技术，即每条指令都由片内多个功能单元分别完成取指、译码、取数、执行等多个步骤，从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令的执行时间； ③片内有多条总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，并且有辅助寄存器用于寻址，它们可以在寻址访问前或访问后自动修改内容，以指向下一个要访问的地址； ④针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘法累加运算的特点，DSP大都配有独立的乘法器和加法器，使得同一时钟周期内可以完成相乘、累加两个运算，许多DSP可以同时进行乘、加、减运算，大大加快了FFT的蝶形运算速度； 图2.1 冯·诺依曼结构 图2.2 哈佛结构及改进的哈佛结构 ⑤许多DSP带有DMA通道控制器，以及串行通信口等，配合片内多总线结构，数据块传送速度大大提高； ⑥配有中断处理器和定时控制器，可以很方便地构成一个小规模系统； ⑦具有软、硬件等待功能，能与各种存储器接口。 ? 数字信号处理器（DSP）、通用微处理器（MPU）、微控制器（MCU）三者的区别在于：DSP面向高性能、重复性、数值运算密集型的高速实时处理；MPU大量应用于计算机；MCU则适用于以控制为主的处理过程。 DSP本身具有以下功能，支持其高速实时数字信号处理应用： ①单指令周期的乘、加操作； ②特殊的高速寻址方式，可以在其它操作进行的同时完成地址寄存器指针的修改，并具有循环寻址、位反序寻址功能。循环寻址用于FIR滤波器，可以省去相当于迟延线功能的大量数据移动，用于FFT则可以紧凑地存放旋转因子表；位反序利于FFT的快速完成； ③针对高速实时处理所设计的存储器接口，能在单指令时间内完成多次存储器或I/O设备访问； ④专门的指令流控制，具有无附加开销的循环功能以及延迟跳转（相当于预跳转）指令； ⑤专门的指令集和较长的指令字，一个指令字同时控制片内多个功能单元的操作； ⑥单片系统，易于小型化设计； ⑦低功耗，一般为 0.5～4W，采用低功耗技术的DSP只有 0.1W，可用电池供电如TI的TMS320C54X系列，对嵌入式系统很适合；而新型MPU，如 Pentium等功耗达20～50W。 因此，DSP的运算速度要高得多，以FFT、相关为例，高性能DSP不仅处理速度是MPU的4～10倍，而且可以流水无间断地完成数据的高速实时输入／输出。 DSP结构相对单一，普遍采用汇编语言编程，其任务完成时间的可预测性比结构和指令复杂（超标量指令）、严重依赖于编译系统的MPU强得多。以一个FIR滤波器实现为例，每输入一个数据，对应每阶滤波器系数需要一次乘、一次加、一次取指、二次取数，有时还需要专门的数据移动操作，DSP可以单周期完成乘加并行操作以及3～4次数据存取操作，而普通MPU至少需要4个指令周期，因此，在相同的指令周期和片内指令缓存条件下，DSP是MPU运算速度的4倍以上。 正是基于DSP的这些优势，在新推出的高性能通用微处理器（如 Pentium MMX、PentiumⅢ、Pentium 4等）片内已经融入了 DSP的功能，而以这种通用微处理器构成的计算机在网络通信、语音图像处理、高速实时数据分析等方面的效率大大提高。 不同类型DSP适用于不同场合。早先DSP都是定点的，可以胜任大多数数字信号处理应用，但在某些场合，如雷达、声纳信号处理中，数据的动态范围很大，按定点处理会发生数据溢出或下溢出，严重时处理无法进行。如果用移位定标或用定点模拟浮点运算，程序执行速度将大大降低。浮点DSP的出现解决了这些问题，它拓展了数据动态范围，常见的16bit定点DSP动态范围仅96