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DSP微处理器

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DSP微处理器

DSP(digital singnal processor)是一种独特的微处理器,是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号,转换为0或1的数字信号,再对数字信号进行修改、删除、强化,并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性,而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序,远远超过通用微处理器,是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度,是最值得称道的两大特色。

DSP - 信号处理

现代社会对数据通信需求正向多样化、个人化方向发展。而无线数据通信作为向社会公众迅速、准确、安全、灵活、高效地提供数据交流的有力手段,其市场需求也日益迫切。正是在这种情况下,3G、4G通信才会不断地被推出,但是无论是3G还是4G,未来通信都将离不开DSP技术(数字信号处理器),DSP作为一种功能强大的特种微处理器,主要应用在数据、语音、视像信号的高速数学运算和实时处理方面,可以说DSP将在未来通信领域中起着举足轻重的作用。

DSP - 信号处理
图题:DSP - 信号处理

为了确保未来的通信能在各种环境下自由高效地工作,这就要求组成未来通信的DSP要具有非常高的处理信号的运算速度,才能实现各种繁杂的计算、解压缩和编译码。而目前DSP按照功能的侧重点不一样,可以分为定点DSP和浮点DSP,定点DSP以成本低见长,浮点DSP以速度快见长。如果单一地使用一种类型的DSP,未来通信的潜能就不能得到最大程度的发挥。为了能将定点与浮点的优势集于一身,突破 DSP技术上的瓶颈,人们又推出了一种高级多重处理结构--VLIW结构,该结构可以在不提高时钟速度的情况下,实现很强的数字信号处理能力,而且它能同时具备定点DSP和浮点DSP所有的优点。为了能推出一系列更高档的新技术平台,人们又开始注重DSP的内核技术的开发,因为DSP的内核就相当于计算机的CPU一样,被誉为DSP的心脏,大量的算法和操作都得通过它来完成,因此该内核结构的质量如何,将会直接影响整个DSP芯片的性能、 功耗和成本。

考虑到未来无线访问Internet因特网和开展多媒体业务的需要,现在美国的Sun公司又开始准备准将该公司的拳头产品--PersonalJava语言嵌入到DSP中,以便能进一步提高DSP在处理信号方面的自动化程度和智能化程度。当然,在以前DSP中也潜入了其他软件语言,例如高级C语言,但这种语言在处理网络资源以及多媒体信息方面无能为力;而PersonalJava是一种适合个人网络连接和应用的Java环境,基于该环境的个人通信系统可以从网络和Internet网上下载数据和图像。此外,人们还在研究开发符合MPEG-4无线解压缩标准DSP,该压缩标准将为未来通信传输各种多媒体信息提供了依据。

作为一个案例研究,我们来考虑数字领域里最通常的功能:滤波。简单地说,滤波就是对信号进行处理,以改善其特性。例如,滤波可以从信号里清除噪声或静电干扰,从而改善其信噪比。为什么要用微处理器,而不是模拟器件来对信号做滤波呢?我们来看看其优越性:模拟滤波器(或者更一般地说,模拟电路)的性能要取决于温度等环境因素。而数字滤波器则基本上不受环境的影响。数字滤波易于在非常小的宽容度内进行复制,因为其性能并不取决于性能已偏离正常值的器件的组合。一个模拟滤波器一旦制造出来,其特性(例如通带频率范围)是不容易改变的。使用微处理器来实现数字滤波器,就可以通过对其重新编程来改变滤波的特性。

DSP - 架构

数字信号处理是一种将现实世界中的真实信号(专业术语称之为连续信号)转换为计算机能够处理的信息的过程。比如人们说话的声音,这就是一个连续信号,除此之外,现实生活中还有很多这样的信号,比如光、压力、温度等等。这些信号通过一个模拟向数字的转换过程(称之为AD),变成数字信号送给处理器,进行数字计算,处理结束后,再把结果通过数字向模拟的转换过程重新变成连续信号(称之为DA)。用一般的通用微处理器可以完成这些工作,但是面临的问题是满足如此高的计算速度,就很难保证耗电量很低,更难保证价格足够便宜。因此,另一种微处理器应运而生:数字信号处理器,简称DSP。

DSP是微处理器的一种,这种微处理器具有极高的处理速度.因为应用这类处理器的场合要求具有很高的实时性(Real Time)。比如通过移动电话进行通话,如果处理速度不快就只能等待对方停止说话,这一方才能通话。如果双方同时通话,因为数字信号处理速度不够,就只能关闭信号连接.在DSP出现之前数字信号处理只能依靠MPU(微处理器)来完成。但MPU较低的处理速度无法满足高速实时的要求。因此,直到70年代,有人才提出了DSP的理论和算法基础。那时的DSP仅仅停留在教科书上,即便是研制出来的DSP系统也是由分立元件组成的,其应用领域仅局限於军事、航空航天部门。

90年代DSP发展最快,相继出现了第四代和第五代DSP器件。现在的DSP属於第五代产品,它与第四代相比,系统集成度更高,将DSP芯核及外围元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手,而且逐渐渗透到人们日常消费领域。

DSP芯片特点

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,比传统的冯۰诺依曼结构有更快的指令执行速度。

1)冯۰诺依曼 
采用单存储空间,即程序指令和数据指令公用一个存储空间,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的。

2)哈佛结构
采用双存储空间,程序存储和数据存储分开,有各自独立的程序总线和数据总线,可独立的编址和独立访问,可对程序和数据进行独立的传输,使取指令操作、指令执行操作、数据吞吐并行完成,大大的提高了数据处理的能力和指令执行的速度,非常适合于实时的数字信号处理。

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:
①允许在程序空间和数据空间传送数据,使这些数据可以由算术运算指令直接调用,增强了芯片的灵活性。
②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所需要的时间。

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,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,大大提高了DSP的运行速度。

3 采用流水线技术

每一条指令可通过片内多功能单元完成指令、译码、取操作数和执行等多个步骤,实现多条指令并行执行,从而在不提高时钟频率的条件下减少每条指令执行的时间。

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芯片都配有硬件乘法-累加器,可以一个周期内完成一次乘法和一次累加操作,从而可实现数据的硬件乘法-累加操作。如矩阵运算、FIR、IIR、FFT变换等专用信号处理。

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,专门完成系数对称的FIR滤波器和IIR滤波器。

6 快速的指令周期

由于采用哈佛结构、流水线操作、硬件乘法-累加器、特殊指令和集成的优化设计,使指令周期可在20ns以下。如TMS320C54x的运算速度为100MIPS

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、主机接口音(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的处理器。

8 支持多处理器结构

尽管当前的DSP芯片已达到了较高的水平,但一些实时性要求很高的场合,单片DSP的处理能力还不能满足要求。如在图象压缩、雷达定位等应用中,若采用单处理器将无法胜任。因此,支持多处理器系统就成为提高DSP应用性能的重要途径之一。

9 省电管理和低功耗

DSP功耗一般为0.5-4W,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.[2]

DSP优点

对元件值的容限不敏感,受温度、环境等外部因素影响小;
容易实现集成;VLSI
可以分时复用,共享处理器;
方便调整处理器的系数实现自适应滤波;
可实现模拟处理不能实现的功能:线性相位、多抽样率处理、级联、易于存储等;
可用于频率非常低的信号。

DSP缺点

需要模数转换;
受采样频率的限制,处理频率范围有限;
数字系统由耗电的有源器件构成,没有无源设备可靠。

但是其优点远远超过缺点。
 

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