第1章-DSP绪论.ppt

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2023年5月21日,DSP原理及应用,1,第1章DSP绪论,内容提要进入21世纪之后，数字化浪潮正在席卷全球，数字信号处理器DSP（DigitalSignalProcessor）正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。

本章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DSP的基本知识；接着介绍了可编程DSP芯片，对DSP芯片的发展、特点、分类、应用和发展趋势作了论述；然后介绍DSP系统，对DSP系统的构成、特点、设计过程以及芯片的选择进行了详细的介绍；最后对DSP产品作了简要介绍。

2023年5月21日,DSP原理及应用,2,第1章DSP绪论,知识要点,数字信号处理,DSP芯片的特点,DSP系统,DSP系统的设计过程,2023年5月21日,DSP原理及应用,3,第1章DSP绪论,1.1数字信号处理概述1.2可编程DSP芯片1.3DSP系统1.4DSP产品简介,2023年5月21日,DSP原理及应用,4,第1章DSP绪论,1.1数字信号处理概述,数字信号处理（简称DSP）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。

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。

数字信号处理是以众多学科为理论基础,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、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。

2023年5月21日,DSP原理及应用,5,第1章DSP绪论,DSP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（DigitalSignalProcessor）。

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芯片。

数字信号处理包括两个方面的内容:

1算法的研究2数字信号处理的实现,2023年5月21日,DSP原理及应用,6,第1章DSP绪论,1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使用量来完成指定的任务，如20世纪60年代出现的快速傅里叶变换（FFT），使数字信号处理技术发生了革命性的变化。

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、并取得了长足的进步，为各种实时处理的应用提供了算法基础。

2023年5月21日,DSP原理及应用,7,第1章DSP绪论,2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：

在通用计算机（PC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现，用以增强运算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；,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-累加运算为主的密集型DSP算法；,用通用的可编程DSP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，在实时DSP领域中处于主导地位；,用专用的DSP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FFT、数字滤波、卷积、相关算法的DSP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，应用受到限制；,用基于通用DSP核的ASIC芯片实现。

随着专用集成电路ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）的广泛使用,可以将DSP的功能集成到ASlC中。

一般说来，DSP核是通用DSP器件中的CPU部分，再配上用户所需的存储器（包括Cache、RAM、ROM、flash、EPROM）和外设（包括串口、并口、主机接口、DMA、定时器等），组成用户的ASIC。

2023年5月21日,DSP原理及应用,8,第1章DSP绪论,1.2可编程DSP芯片,数字信号处理器（DSP）是一种特别适合于进行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。

在20世纪80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20世纪80年代初，世界上第一块单片可编程DSP芯片的诞生，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。

可以毫不夸张地讲，DSP芯片的诞生及发展对近20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。

2023年5月21日,DSP原理及应用,9,第1章DSP绪论,1.2.1DSP芯片的发展概况,DSP芯片诞生于20世纪70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。

第一阶段，DSP的雏形阶段（1980年前后）。

1978年AMI公司生产出第一片DSP芯片S2811。

1979年美国Intel公司发布了商用可编程DSP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200250ns，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：

Intel2920（Intel）、PD7720（NEC）、TMS32010（TI）、DSP16（AT&T）、S2811（AMI）、ADSp21（AD）等。

2023年5月21日,DSP原理及应用,10,第1章DSP绪论,1.2.1DSP芯片的发展概况,第二阶段，DSP的成熟阶段（1990年前后）。

这个时期的DSP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FFT变换和单指令滤波处理，其单指令周期为80100ns。

如TI公司的TMS320C20，它是该公司的第二代DSP器件,采用了CMOS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。

20世纪80年代后期，以TI公司的TMS320C30为代表的第三代DSP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。

这个时期的器件主要有:

TI公司的TMS320C20、30、40、50系列，Motorola公司的DSP5600、9600系列，AT&T公司的DSP32等。

2023年5月21日,DSP原理及应用,11,第1章DSP绪论,1.2.1DSP芯片的发展概况,第三阶段，DSP的完善阶段（2000年以后）。

这一时期各DSP制造商不仅使信号处理能力更加完善,而且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步降低、成本不断下降。

尤其是各种通用外设集成到片上,大大地提高了数字信号处理能力。

这一时期的DSP运算速度可达到单指令周期10ns左右，可在Windows环境下直接用C语言编程,使用方便灵活，使DSP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。

目前,DSP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、大容量片上RAM和ROM、程序加密、增加I/O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完善，使DSP的应用开发更加灵活方便。

2023年5月21日,DSP原理及应用,12,第1章DSP绪论,1.2.2DSP芯片的特点,数字信号处理不同于普通的科学计算与分析，它强调运算的实时性。

除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制能力外,针对实时数字信号处理的特点,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：

1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佛结构或改进的哈佛结构,比传统处理器的冯诺伊曼结构有更快的指令执行速度。

2023年5月21日,DSP原理及应用,13,第1章DSP绪论,1采用哈佛结构,

（1）冯诺伊曼（VonNeuman）结构,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作数，而且还会造成数据传输通道的瓶颈现象，其工作速度较慢。

2023年5月21日,DSP原理及应用,14,第1章DSP绪论,1采用哈佛结构,

（1）冯诺伊曼（VonNeuman）结构,2023年5月21日,DSP原理及应用,15,第1章DSP绪论,1采用哈佛结构,

（2）哈佛（Harvard）结构,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1.2.2所示。

2023年5月21日,DSP原理及应用,16,第1章DSP绪论,1采用哈佛结构,

（2）哈佛（Harvard）结构,外部管理数据总线,外部管理地址总线,数据总线,数据地址总线,程序数据总线,程序地址总线,外部管理数据总线,外部管理地址总线,数据总线,数据地址总线,程序数据总线,程序地址总线,2023年5月21日,DSP原理及应用,17,第1章DSP绪论,1采用哈佛结构,（3）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,使这些数据可以由算术运算指令直接调用,增强芯片的灵活性；,提供了存储指令的高速缓冲器（cache）和相应的指令,当重复执行这些指令时,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,从而减少了指令执行作需要的时间。

如：

TMS320C6200系列的DSP,整个片内程序存储器都可以配制成高速缓冲结构。

2023年5月21日,DSP原理及应用,18,第1章DSP绪论,1.2.2DSP芯片的特点,2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问，大大地提高了DSP的运行速度。

如：

TMS320C54x系列内部有P、C、D、E等4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：

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；,向数据存储器写一个操作数。

2023年5月21日,DSP原理及应用,19,第1章DSP绪论,1.2.2DSP芯片的特点,3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。

其过程如图1.2.3所示。

利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证在单指令周期内完成数字信号处理中用得最多的乘法-累加运算。

如：

2023年5月21日,DSP原理及应用,20,第1章DSP绪论,1.2.2DSP芯片的特点,4.配有专用的硬件乘法-累加器,为了适应数字信号处理的需要，当前的DSP芯片都配有专用的硬件乘法-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-累加操作。

如矩阵运算、FIR和IIR滤波、FFT变换等专用信号的处理。

5.具有特殊的DSP指令,为了满足数字信号处理的需要，在DSP的指令系统中，设计了一些完成特殊功能的指令。

如：

TMS320C54x中的FIRS和LMS指令，专门用于完成系数对称的FIR滤波器和LMS算法。

2023年5月21日,DSP原理及应用,21,第1章DSP绪论,1.2.2DSP芯片的特点,6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、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：

TMS320C54x的运算速度为100MIPS，即100百万条/秒。

7硬件配置强,新一代的DSP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（HPI）、DMA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、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入式自封闭控制的处理系统。

2023年5月21日,DSP原理及应用,22,第1章DSP绪论,1.2.2DSP芯片的特点,8支持多处理器结构,为了满足多处理器系统的设计，许多DSP芯片都采用支持多处理器的结构。

如：

TMS320C40提供了6个用于处理器间高速通信的32位专用通信接口，使处理器之间可直接对通，应用灵活、使用方便；,9省电管理和低功耗,DSP功耗一般为0.54W，若采用低功耗技术可使功耗降到0.25W，可用电池供电，适用于便携式数字终端设备。

2023年5月21日,DSP原理及应用,23,第1章DSP绪论,1.2.3DSP芯片的分类,为了适应数字信号处理各种各样的实际应用，DSP厂商生产出多种类型和档次的DSP芯片。

在众多的DSP芯片中，可以按照下列3种方式进行分类。

1.按基础特性分类2.按用途分类3.按数据格式分类,2023年5月21日,DSP原理及应用,24,第1章DSP绪论,1.2.3DSP芯片的分类,1按基础特性分类,这种分类是依据DSP芯片的工作时钟和指令类型进行的。

可分为静态DSP芯片和一致性DSP芯片。

如果DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率上都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称之为静态DSP芯片。

例如，TI公司的TMS320系列芯片、日本OKI电气公司的DSP芯片都属于这一类芯片。

如果有两种或两种以上的DSP芯片，它们的指令集和相应的机器代码及管脚结构相互兼容，则这类DSP芯片被称之为一致性的DSP芯片。

例如，TI公司的TMS320C54x。

2023年5月21日,DSP原理及应用,25,第1章DSP绪论,1.2.3DSP芯片的分类,2.按用途分类,按照用途，可将DSP芯片分为通用型和专用型两大类。

通用型DSP芯片：

一般是指可以用指令编程的DSP芯片，适合于普通的DSP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。

专用型DSP芯片：

是为特定的DSP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，适合于数字滤波、FFT、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。

2023年5月21日,DSP原理及应用,26,第1章DSP绪论,1.2.3DSP芯片的分类,3按数据格式分类,根据芯片工作的数据格式，按其精度或动态范围，可将通用DSP划分为定点DSP和浮点DSP两类。

若数据以定点格式工作的定点DSP芯片。

若数据以浮点格式工作的浮点DSP芯片。

不同的浮点DSP芯片所采用的浮点格式有所不同，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式。

2023年5月21日,DSP原理及应用,27,第1章DSP绪论,1.2.4DSP芯片的应用,随着DSP芯片价格的下降，性能价格比的提高，DSP芯片具有巨大的应用潜力。

主要应用：

1.信号处理2.通信3.语音4.图像处理5.军事,6.仪器仪表7.自动控制8.医疗工程9.家用电器10.计算机,如：

数字滤波、自适应滤波、快速傅氏变换、Hilbert变换、相关运算、频谱分析、卷积、模式匹配、窗函数、波形产生等；,如：

调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、移动通信、纠错编译码、可视电话、路由器等；,如：

语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音存储、文本语音转换等；,如：

二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像鉴别、图像增强、图像转换、模式识别、动画、电子地图、机器人视觉等；,如：

保密通信雷达处理声纳处理导航导弹制导电子对抗全球定位GPS搜索与跟踪情报收集与处理等,如：

频谱分析、函数发生、数据采集、锁相环、模态分析、暂态分析、石油/地质勘探、地震预测与处理等；,如：

引擎控制声控发动机控制自动驾驶机器人控制磁盘/光盘伺服控制神经网络控制等,如：

助听器X-射线扫描心电图/脑电图超声设备核磁共振诊断工具病人监护等,如：

高保真音响音乐合成音调控制玩具与游戏数字电话/电视高清晰度电视HDTV变频空调机顶盒等,如：

震裂处理器图形加速器工作站多媒体计算机等,2023年5月21日,DSP原理及应用,28,第1章DSP绪论,1.2.5DSP芯片的发展现状和趋势,1DSP芯片的现状,

（1）制造工艺,早期DSP采用4m的NMOS工艺。

现在的DSP芯片普遍采用0.25m或0.18m亚微米的CMOS工艺。

芯片引脚从原来的40个增加到200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。

（2）存储器容量,早期的DSP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K字，而片外程序存储器和数据存储器可达到16M48位和4G40位以上。

2023年5月21日,DSP原理及应用,29,第1章DSP绪论,1.2.5DSP芯片的发展现状和趋势,1DSP芯片的现状,（3）内部结构,目前，DSP内部均采用多总线、多处理单元和多级流水线结构，加上完善的接口功能，使DSP的系统功能、数据处理能力和与外部设备的通信功能都有了很大的提高。

（4）运算速度,近20年的发展，使DSP的指令周期从400ns缩短到10ns以下，其相应的速度从2.5MIPS提高到2000MIPS以上。

如TMS320C6201执行一次1024点复数FFT运算的时间只有66S。

2023年5月21日,DSP原理及应用,30,第1章DSP绪论,1.2.5DSP芯片的发展现状和趋势,1DSP芯片的现状,（5）高度集成化,集滤波、A/D、D/A、ROM、RAM和DSP内核于一体的模拟混合式DSP芯片已有较大的发展和应用。

（6）运算精度和动态范围,DSP的字长从8位已增加到32位，累加器的长度也增加到40位，从而提高了运算精度。

同时，采用超长字指令字（VLIW）结构和高性能的浮点运算，扩大了数据处理的动态范围。

2023年5月21日,DSP原理及应用,31,第1章DSP绪论,1.2.5DSP芯片的发展现状和趋势,1DSP芯片的现状,（7）开发工具,具有较完善的软件和硬件开发工具，如：

软件仿真器Simulator、在线仿真器Emulator、C编译器和集成开发环境CCS等，给开发应用带来很大方便。

CCS是TI公司针对本公司的DSP产品开发的集成开发环境。

它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且支持C/C+和汇编的混合编程。

开放式的结构允许外扩用户自身的模块。

2023年5月21日,DSP原理及应用,32,第1章DSP绪论,1.2.5DSP芯片的发展现状和趋势,2国内DSP的发展现状,进入21世纪以后，中国新兴的数字消费类电子产品进入增长期，市场呈现高增长态势，普及率大幅度提高，从而带动了DSP市场的高速发展。

此外，计算机、通信和消费类电子产品的数字化融合也为DSP提供了进一步的发展机会。

随着中国数字消费类产品需求的大幅增长，以及DSP对数字信号高速运算与同步处理能力的提高，DSP的应用领域将逐渐从移动电话领域扩展到新型数字消费类领域。

应用：

用于图像压缩与传输等图像信号的处理，语音的编码、合成、识别和高保真等语音信号的处理以及通信信号的调制解调、加密、多路复用、扩频、纠错编码等处理。

2023年5月21日,DSP原理及应用,33,第1章DSP绪论,1.2.5DSP芯片的发展现状和趋势,3DSP技术的发展趋势,未来的10年，全球DSP产品将向着高性能、低功耗、加强融合和拓展多种应用的趋势发展，DSP芯片将越来越多地渗透到各种电子产品当中，成为各种电子产品尤其是通信类电子产品的技术核心。

DSP技术将会有以下一些发展趋势：

（1）DSP的内核结构将进一步改善,多通道结构和单指令多重数据（SIMD）、特大指令字组（VLIM）将在新的高性能处理器中占主导地位，如AD公司的ADSP-2116x。

2023年5月21日,DSP原理及应用,34,第1章DSP绪论,1.2.5DSP芯片的发展现状和趋势,3DSP技术的发展趋势,

（2）DSP和微处理器的融合,微处理器MPU：

是一种执行智能定向控制任务的通用处理器，它能很好地执行智能控制任务，但是对数字信号的处理功能很差。

DSP处理器：

具有高速的数字信号处理能力。

在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种功能。

将DSP和微处理器结合起来，可简化设计，加速产品的开发，减小PCB体积，降低功耗和整个系统的成本。

2023年5月21日,DSP原理及应用,35,第1章DSP绪论,1.2.5DSP芯片的发展现状和趋势,3DSP技术的发展趋势,（3）DSP和高档CPU的融合,大多数高档MCU，如Pentium和PowerPC都是SIMD指令组的超标量结构，速度很快。

在DSP中融入高档CPU的分支预示和动态缓冲技术，具有结构规范，利于编程，不用进行指令排队，使DSP性能大幅度提高。

（4）DSP和SOC的融合,SOC是指把一个系统集成在一块芯片上。

这个系统包括DSP和系统接口软件等。

2023年5月21日,DSP原理及应用,36,第1章DSP绪论,1.2.5DSP芯片的发展现状和趋势,3DSP技术的发展趋势,（5）DSP和FPGA的融合,FPGA是现场可编程门阵列器件。

它和DSP集成在一块芯片上，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度。

（6）实时操作系统RTOS与DSP的结合,随着DSP处理能力的增强，DSP系统越来越复杂，使得软件的规模越来越大，往往需要运行多个任务，各任务间的通信、同步等问题就变得非常突出。

随着DSP性能和功能的日益增强，对DSP应用提供RTOS的支持已成为必然的结果。

2023年5月21日,DSP原理及应用,37,第1章DSP绪论,1.2.5DSP芯片的发展现状和趋势,3DSP技术的发展趋势,（7）DSP的并行处理结构,为了提高DSP芯片的运算速度，各DSP厂商纷纷在DSP芯片中引入并行处理机制。

这样，可以在同一时刻将不同的DSP与不同的任一存储器连通，大大提高数据传输的速率。

（8）功耗越来越低,随着超大规模集成电路技术和先进的电源管理设计技术的发展，DSP芯片内核的电源电压将会越来越低。

2023年5月21日,DSP原理及应用,38,第1章DSP绪论,1.3DSP系统,1.3.1DSP系统的构成,一个典型的DSP系统应包括抗混叠滤波器、数据采集A/D转换器、数字信号处理器DSP、D/A转换器和低通滤波器等组成。

2023年5月21日,DSP原理及应用,39,第1章DSP绪论,DSP系统的处理过程：

将输入信号x（t）进行抗混叠滤波，滤掉高于折叠频率的分量，以防止信号频谱的混叠；,经采样和A/D转换器，将滤波后的信号转换为数字信号x（n）；,数字信号处理器对x（n）进行处理，得数字信号y（n）；,经D/A转换器，将y（n）转换成模拟信号；,经低通滤波器，滤除高频分量，得到平滑的模拟信号y（t）。

2023年5月21日,DSP原理及应用,40,第1章DSP绪论,1.3.2DSP系统的特点,

（1）接口方便

（2）编程方便（3）具有高速性（4）稳定性好（5）精度高（6）可重复性好（7）集成方便,2023年5月21日,DSP原理及应用,41,第1章DSP绪论,1.3.3DSP系统的设计过程,DSP