DSP介绍(一)

引言

数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)是20世纪60年代发展起来的一门新兴学科。

在20世纪80年代以前，由于受硬件技术发展水平的限制，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，世界上第一片数字信号处理器(Digital Signal Processor，也简称DSP)的诞生，才使数字信号处理理论研究成果广泛应用到了实际的系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。

在21世纪的今天，数字信号处理技术得到了广泛的应用。事实上，它已经来到了我们每个人身边。

概述

数字信号处理：利用计算机或专用处理设备，以数字的形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以便提取有用信息并进行有效的传输与应用。

数字信号处理器：进行数字信号处理的专用芯片，是伴随着微电子学、数字信号处理技术、计算机技术的发展而产生的新器件。

优点

哈佛结构和改进的哈佛结构：DSP处理器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，比通用微处理器的冯·诺伊曼结构有更快的指令执行速度。

采用多总线结构：DSP芯片采用多总线结构，可同时进行取指令和多个数据存取操作，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

流水线技术：计算机在执行一条指令时，总要经过取指、译码、取数、执行运算等步骤，需要若干个机器周期才能完成。
流水线技术是将各指令的各个步骤重叠起来执行，而不是一条指令执行完成之后，才开始执行下一条指令。

硬件乘法累加单元：通用计算机的乘法用软件实现，用若干个机器周期。DSP有硬件乘法器，用MAC指令（取数、乘法、累加）在单周期内完成。

高效的特殊指令：在DSP处理器的指令系统中，设计了一些完成特殊功能的指令，以便更好地满足数字信号处理的需要。
例如，TMS320C55xx中的FIRSADD指令等一些特殊的DSP指令，分别用于FIR滤波算法

零开销循环：数字处理中有大量的循环运算，因此多数DSP都有专门支持循环结构的硬件。所谓“零开销”（zero overhead）是指循环计数、条件转移等循环机制由专门硬件控制，而处理器不用花费任何时间。通常通用处理器GPP的循环控制是用软件来实现的。

丰富的片内外设：DSP有丰富的片内外设，如串行口、主机接口（HPI）、DMA控制器、软件可编程等待状态发生产生器、锁相环时钟产生器以及JTAG仿真测试接口，更易于完成系统设计

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。

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。

发展概况

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200~250ns，应用领域仅局限于军事或航空航天部门。

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80~100ns。如TI公司的TMS320C20，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。

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。 这一时期的DSP运算速度可达到单指令周期10ns以下，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。