第8章数字信号处理的实现及应用g.ppt

第 8 章 数字信号处理的实现及应用 数字信号处理及应用 主要内容 8.1 概述 8.2 DSP系统 8.3 DSP产品简介 8.4 DSP的硬件结构 8.5 DSP的软件体系 8.6 DSP应用举例 8.1 概述 8.1.1 数字信号处理的实现 数字信号处理的基础是算法，算法一旦确立，设计者就要寻找适当的途径加以实现。数字信号处理的实现方法一般有以下几种。 （1）在通用计算机上用软件实现 （2）用单片机来实现 （3）用通用的可编程DSP芯片来实现 （4）在通用计算机系统中加上加速卡来实现 （5）利用专用的DSP芯片来实现 在上述几种实现方法中，第（1）种方法速度太慢，不能用于实时系统，只能用于教学与仿真研究。但对非实时或准实时系统来说是很有吸引力的；第（2）种方法由于单片机采用的是冯·诺依曼总线结构，单片机系统复杂，尤其是乘法运算速度慢，在运算量大的实时信号处理系统中很难有所作为；第（4）种和第（5）种方法专用性强，应用受到很大限制，且第（4）种方法也不便于系统独立运行；只有第（3）种方法为信号处理技术应用于工程实际提供了可能。 8.1.2 DSP芯片及其主要特点 1. 什么是DSP DSP从字面上来说有两种解释：一是狭义的理解，英文是Digital Signal Processor，译为数字信号处理器；二是广义的理解，英文是Digital Signal Processing，译为数字信号处理技术。 本章主要涉及前者，即数字信号处理器，又称为DSP芯片。 美国TI公司从20世纪80年代初推出了第一款数字信号处理器TMS32010后，强调运算处理的实时性，因此除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外，主要针对实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统和数据流程上做了大的改动。 2. DSP的主要特点 DSP是一种专门用于对数字信号进行快速、实时处理的微处理器，其特点如下： （1）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。 哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间，即程序存储器和数据存储器是两个互相独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问，如图8.1所示。 现在的DSP普遍采用改进的哈佛结构，其结构、特点是： ① 允许数据存放在程序存储器中，并被算术指令运算指令直接使用，增强了灵活性。 ② 指令存储在高速缓冲器（Cache）中，当执行本指令时，不需要再从存储器中读取指令，节省一个机器周期的时间。 （2）大多采用流水线以减少指令执行时间，从而增强处理器的处理能力。 TMS320系列芯片的流水线深度为2~6级不等。 图8.2所示为一个三级流水线操作示意图。 （3）专门的硬件乘法器和乘-累加指令MAC。 在数字信号处理的算法中，大量的运算是乘法和累加，要占用绝大部分的处理时间。 例如，数字滤波、卷积、相关、向量和矩阵运算中，有大量的乘法和累加运算。 个人计算机计算乘法需要多个周期用软件实现，而DSP则设置了硬件乘法器以及MAC指令，在单周期内取两个操作数一次完成乘-累加运算。 （4）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。 （5）大多带有DMA通道控制器和串行通信口等，配合片内总线结构，数据块传送速度会大大提高。 （6）配有中断处理器和定时控制器，可以方便地构成一个小规模系统。 （7）具有软、硬件等待功能，能与各种存取速度的存储器接口。 （8）低功耗，DSP功耗一般为0.5～4 W，而采用低功耗技术的DSP只有0.1 W。 8.1.3 DSP芯片的分类 1. 按照数据格式分类 根据芯片工作的数据格式，按其精度或动态范围，分为定点DSP和浮点DSP。 定点DSP：数据以定点格式参加运算，其数据长度通常为16位、24位、32位。 定点DSP的特点是体积小、成本低、功耗小、对存储器的要求不高。但数值表示范围较窄，必须使用定点定标的方法，并要防止结果的溢出。 浮点DSP：数据以浮点格式参加运算，其数据长度通常为32位、40位。 由于浮点数的数据表示动态范围宽，运算中不必顾及小数点的位置，因此开发较容易。 2. 按照使用用途分类 按照用途，可将DSP分为通用型和专用型两大类。 通用芯片：通用型DSP一般指可用指令编程的、适合于普通的DSP应用，具有很强的处理功能，可完成复杂的数字信号处理的算法。 专用芯片：专用DSP是为特定的数字信号处理运算而专门设计芯片，更适合特殊的运算，如数字滤波、卷积和FFT、卷积和相关算法等特