哈工大DSP精品讲义！！！（连载） 哈工大, DSP, 讲义, 精品, 连载

chuxuezhe

数字信号处理(Digital Signal Processing):信号的 数字化和数字处理。

数字信号处理器——DSP。

过去受集成电路技术和数字化器件发展水平限制，只 限于理论概念的讲授和仿真。

早期－在计算机上仿真，算法实现。 现在－在DSP上实时处理 国内常用DSP一词来指数字信号处理器。

[此贴子已经被作者于2009-6-18 18:07:12编辑过]

chuxuezhe

DSP最典型的应用——手机，可见DSP的应用市场之大。

在世界众多的DSP厂商中，德州仪器（TI）的DSP始终 占有较大的市场份额（百分之60）。 全球每10部手机中就有6部采用TI的DSP，每10部手机 中就有8部嵌进TI公司的模拟芯片。

PC时代的领袖—— Intel 信息时代的领袖——TI

2000年诺贝尔物理奖—TI公司杰克-基尔比 0.2 DSP与通用计算机、单片机的区别

数字信号处理的运算特点：乘/加，及反复相乘求和 （乘积累加）

chuxuezhe

早期的计算机或微处理器的内部乘法运算是靠加法器 反复移位相加实现的，需要数十个时钟周期。 而DSP设置了硬件乘法/累加器，能在单个指令周期内 完成乘/加运算。 为满足FFT、卷积等数字信号处理的特殊要求，目前 DSP大多在指令系统中设置了“循环寻址”及“位倒 序”寻址指令和其他特殊指令，使得寻址、排序的 速度大大提高。 1024点复数FFT所需时间:微秒量级。高速数据的传输能力是高速实时处理的关键之一。

（1）新型的DSP设置了单独的DMA总线及其控制器， 在不影响或基本不影响DSP处理速度的情况下，做 并行的数据传送，传送速率可达每秒百兆字节。

chuxuezhe

（2） DSP还在指令并行、功能单元并行、多总线、时 钟频率提高等方面不断创新和改进。

（3）DSP是专为数字信号处理所设计的。与PC机相比，体积小、成本低。且易于开发，易于实现嵌入式和便携式应用。

所以，DSP在内部功能单元并行、多DSP核并行、多总线、功耗小方面尤为突出； 通用微机（PC机）、单片机不适于用在高速数字信号处理领域中。 通用计算机（PC机）：在大容量内存、大规模多级高速缓存、极高的主频和 复杂的管理调度算法方面表现明显。

chuxuezhe

例如，奔腾PC机，目前主频已达3.2GHz，主内存1GB。 将许多大中型计算机上出现的技术应用到了芯片内部。 采用:

(1)超标量流水线结构

(2)层次化多级高速缓存

3)实现动态执行技术和分支预测功能，大大提高指 令运行的并行度，使奔腾PC机的运行速度大大提高。

chuxuezhe

PC机的设计目的：

(1)“通用”计算，方便使用，所以，它有大容量内存、 复杂的指令集和操作系统。

2) 体系结构对特殊类型的数据结构只能提供通用的 寻址操作，而DSP有专门的简捷寻址机构和辅助硬件来快速完成。

chuxuezhe

PC机通常不能高效地完成许多基本的数字处理运算。

例如，乘法累加，矢量旋转，三角函数等。

许多DSP有很好的并行性，但在单处理机系统中不能有 效地利用，例如神经网络、基本神经元。

单片机：

（1）为低成本控制领域而设计和开发的。位控能力强，I/O接口种类繁多，在片上外设和控制功能丰富、价 格低、使用方便占有一定的优势，但处理速度较慢。

（2）DSP具有高速并行结构及指令，而单片机没有。 DSP处理的算法的复杂度和大的数据处理流量更是单 片机不可企及的。

chuxuezhe

三者各有所长，技术的发展使得DSP、通用计算机、单片机相互借鉴对方的优点，互相取长补短。现在，PC机及部分单片机内部都有硬件乘法器 单片机内部也有了通用计算机和DSP内部才有的流水线 作业（但规模小些）而DSP内部也有了一定规模的高速缓存。 吸收Intel的嵌入式系统芯片和系统软件的优点。有的 DSP内部集成了高速运行的的DSP内核及控制功能丰富的嵌入式处理器内核。例如，内部集成有TI公司的C54xCPU内核和ARM公司的ARM7TDMIE内核的DSP，既具有高速的数据处理能力，又有各种类型的外设接口和位控能力，大大拓宽DSP在控制领域的应用。DSP在注重高速的同时，也在发展自己的低价位控制 芯片。 美国Cygnal公司的C8051F020 8位单片机，内部采用流水线结构，大部分指令的完成时间为1或2个时钟 周期，峰值处理能力为25MIPS。片上集成有8通道A/D，两路D/A，两路电压比较器，内置温度传感器定时器、可编程数字交叉开关和64个通用I/O口、电源监测、看门狗、多种类型的串行总线（两个UART、SPI等）。

[此贴子已经被作者于2009-6-18 17:34:29编辑过]

chuxuezhe

0.3 DSP芯片分类

0.3.1 三种方式分类

按以下三种分类：

1.按基础特性分

按工作时钟和指令类型分类。 静态DSP芯片：在某时钟频率范围内的任何时钟频率 上，DSP都能正常工作，除计算速度的变化外，性能上没有下降。

一致性芯片：两种或两种以上的DSP芯片，它们的指令集和相应的引脚结构相互兼容。

2.按数据格式分

定点和浮点之分。

定点：TMS320C2XX/C5X, TMS320C54X/C62XX等系列。

浮点：TMS320C3X/C4X。

不同的DSP的浮点格式不一定完全一样，如IEEE的标准浮点格式 （莫托罗拉的MC96002），自定义的浮点格式（TMS320C3X）。

chuxuezhe

.按用途分

通用型和专用型

通用型：适合普通的DSP应用

专用型：为特定的DSP运算而设计，如数字卷积、数字 滤波、FFT等。

chuxuezhe

DSP的应用

自20世纪70年代末诞生，得到飞速发展。已广泛应用，价格越来越低。

主要应用:

（1）信号处理:数字滤波，自适应滤波，FFT，相关运 算，谱分析，卷积，模式匹配，加密，波形产生

2）电机和机器人控制:在单片内集成多个DSP处理器,可采用先进的神经网络和模糊逻辑控制等人工智能 算法。机器人智能的视觉、听觉和四肢的灵活运动必须有 DSP技术支持才能实时实现。

3）激光打印机、扫描仪和复印机：DSP不仅仅是控制，还有繁重的数字信号处理任务，如字符识别‘ 图像增强、色彩调整等。

（4）网络控制及传输设备：网络功能和性能的不断提高，如视频信箱、交互式电视等，要求更宽、更灵活的传输带宽，实时传输和处理数据的网络控制 器、网络服务器和网关都需要DSP的支持。

（5）通讯调制解调器: , 自适应均衡,数据加密, 数据压 缩,扩频通信,纠错编码,传真,可视电话。

（6）语音处理：语音编码,语音合成,语音识别,语音邮 件,语音存储。

（7）自动测试诊断设备及仪器仪表、虚拟仪器：现代电子系统设备中，有近百分之六十的设备及资金是用于测试设备，自动测试设备集高速数据采集、 传输、存储、实时处理于一体，又一广阔应用领域。

[此贴子已经被作者于2009-6-18 17:38:38编辑过]

chuxuezhe

（8）图像处理：二维三维图形处理，图像压缩、传 输与增强，动画，机器人视觉，模式识别。

（9）军事: 保密通信，雷达处理，导航，导弹制导。 如机载空-空导弹，在有限的体积内装有红外探测 仪和相应的DSP处理部分，完成目标的自动锁与跟踪，战斗机上的目视瞄准器和步兵头盔式微光仪，需DSP完成图像的滤波与增强，智能化目 标的搜索、捕获。

（10）自动控制:机器人控制，磁盘控制，自动驾驶， 声控，发动机控制。

（11）医疗仪器: 助听、诊断工具、超声仪, CT、核磁 共振。

12）家用电器:数字电话，数字电视，音乐合成，音 调控制，玩具与游戏，高保真音响，数字收音机、数字电视。（13）汽车:防滑刹车、引擎控制、伺服控制、振动分 析、安全气囊的控制器、视像地图。

chuxuezhe

如何选择DSP

从本质上说,没有任何处理器能够满足所有的,或者 大多数应用的需要。

DSP第一类应用：大量便宜的嵌入式系统，如手机、硬盘和光盘驱动器（用于伺服控制）和便携式播放器。在这些应用中，成本和集成是极为重要的。对便携式的以电池供电的产品，功耗也极为重要

DSP第二类应用：处理专门的复杂算法的大量数据以声纳和地震探矿为例，其产品的产量并不大，但算法非常复杂，产品的设计工作量很大，也更复杂。因此设计者希望使用性能最高的、最容易使用的、 能支持多处理器配置的方案。 DSP的选取，完全取决于应用。某种DSP对于某些应用

可能是是很好的，但对于另外的应用可能很差的。

chuxuezhe

如何选择数据格式

定点格式、浮点格式。

大多数DSP使用定点运算。有的DSP使用浮点运算。浮点运算与定点运算相比，灵活性和数据的动态范围都比较大，因此，比较容易编程。因为浮点DSP电路更复杂，芯片也更大，所以成本和功耗也就比较大。

但在很多情况下，不需关注数据的动态范围和精度。 可考虑使用定点DSP。大多数批量生产的产品使用定点DSP，主要考虑其成本和功耗低。序员和算法设计者根据实际应用的要求，通过分析 和仿真来确定数据的动态范围和精度，然后在需要的时候，在代码中增加定标运算。对于需要很高动态范围和精度的应用，或在开发的容易程度比成本更重要的情况下，浮点DSP就有其优势。

chuxuezhe

数据宽度

所有浮点DSP为32位，大多数定点DSP是16位，但有的也使用20、24、32位数据字。数据字的长短是影响成本的重要因素，因为它极大地影响芯片的大小、引脚数以及DSP的片外存储器的大 小。

速度

有多种方法来衡量DSP的速度。最基本的是指令周期即用MIPS——每秒执行多少百万条指令。但问题是：不同的DSP在单个周期所完成的工作是大不相同。使用MOPS（每秒百万次运算）和MFLOPS （每秒百万次浮点运算），要十分小心。因为不同厂商的关于“运算”的概念是不同的。

其次，要注意的是，DSP的输入时钟可能和DSP的指令速率一致，也可能内部时钟加倍。 现在许多DSP是用低频的时钟，来产生片上所需的高频 时钟。