數(shù)字信號處理器（DSP）的概述

汪揚埔

摘 要 數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor， 簡稱DSP）它是為獨立快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理、運算而專門設計的一種處理器件，它擁有極其強大的數(shù)值運算能力，其內(nèi)部采用指令和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器。廣泛采用流水線操作，提供了特殊的專用DSP指令以加速快速傅立葉變換和卷積等常用DSP算法。

關鍵詞 數(shù)字信號處理器 DSP 電子技術

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，DSP已被廣泛應用于電器控制、通信、信號處理、儀器儀表、航天航空、生物醫(yī)藥和消費電子等領域。21世紀后，數(shù)字化浪潮席卷全球，超大規(guī)模集成電路技術和計算機技術的高速發(fā)展，特別是網(wǎng)絡化和數(shù)字化信息市場的巨大需求，促使數(shù)字信號處理器成為這場數(shù)字化革命的核心，在未來數(shù)字化技術發(fā)展過程中，數(shù)字信號處理器將以其獨特的數(shù)字信號處理優(yōu)勢得到更加廣泛的應用和普及。數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，DSP芯片的主要功能是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理的算法，為了實現(xiàn)各種不同數(shù)字信號的處理要求以及實時地進行系統(tǒng)控制，DSP芯片一般都采取了一些特殊的軟硬件設計。下面本文將詳細的介紹數(shù)字信號處理器（簡稱DSP）的結(jié)構(gòu)和特點。

1 哈佛結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的微處理器內(nèi)部大多采用馮？諾依曼結(jié)構(gòu)，即片內(nèi)程序空間和數(shù)據(jù)空間共用一個公共的存儲空間并使用單一的程序和數(shù)據(jù)總線。將指令、數(shù)據(jù)存儲在同一存儲器中統(tǒng)一編址，依靠指令計數(shù)器提供的地址對指令、數(shù)據(jù)信息進行區(qū)分。這種總線結(jié)構(gòu)使得CPU在執(zhí)行指令時，取值和存取數(shù)據(jù)必須共享內(nèi)部總線，因此程序指令只能串行執(zhí)行。

DSP芯片普遍采用數(shù)據(jù)總線和程序總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)或改進的哈佛結(jié)構(gòu)。其特點是把程序代碼和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問。與兩個存儲器相對應的是系統(tǒng)中設置了程序和數(shù)據(jù)兩條總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。

改進的哈佛結(jié)構(gòu)除了哈佛結(jié)構(gòu)的特征外，程序的存儲空間和數(shù)據(jù)的存儲空間之間還可以進行數(shù)據(jù)交換，這種結(jié)構(gòu)可以并行數(shù)據(jù)交換。改進的哈佛結(jié)構(gòu)還可以從程序存儲空間來初始化數(shù)據(jù)存儲空間，或把數(shù)據(jù)存儲空間的內(nèi)容轉(zhuǎn)移到程序存儲空間，這樣可以復用存儲器、降低成本、提高存儲器使用效率。

2 流水線技術

流水技術是以哈佛結(jié)構(gòu)和內(nèi)部多總線結(jié)構(gòu)為基礎的。DSP執(zhí)行每條指令時，都需要劃分成取指、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行等若干階段，每個階段稱為一級流水，各階段可由片內(nèi)多個功能單元分別完成，從而大大提高了運算速度。流水線操作就是將一條指令的執(zhí)行分解成多個階段，在多條指令同時執(zhí)行過程中，每個指令的執(zhí)行階段可以相互重疊進行。通常指令重疊數(shù)也稱為流水線深度。在執(zhí)行第N條指令取指令時，前一條指令即第N-1個指令正在譯碼，第N-2個指令正在取數(shù)，而第N-3個指令正在執(zhí)行。

3 專用的硬件乘法器

在數(shù)字信號處理算法中，大量的運算是累加和乘。在DSP中具有硬件連線邏輯的高速“與或”運算器（乘法器和累加器），取兩個操作數(shù)到乘法器中進行乘法運算，并將乘積加到累加器中，這些操作都可以在單個周期內(nèi)完成。乘法速度越快，DSP性能就越高。在通用的微處理器中，乘法指令是由一系列加法來實現(xiàn)，故需要多個指令周期來完成。相比而言，DSP芯片的特征就是有一個專用的硬件乘法器。

4 特殊的DSP指令

在DSP中通常設有無開銷或低開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持、快速的中斷處理和硬件I/O支持，并具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址發(fā)生器。為更好地滿足數(shù)字信號處理的需要，在DSP指令系統(tǒng)中設計了一些特殊的DSP指令，以充分發(fā)揮DSP算法及各系列芯片的特殊設計功能。在DSP的指令系統(tǒng)中，大多是多功能指令，即一條指令可以完成多種不同的操作，或者說一條指令具有幾條指令的功能。

5 豐富的片內(nèi)外存

DSP處理器為了自身工作的需要和與外部環(huán)境的協(xié)調(diào)工作，往往都設置了豐富的片內(nèi)外設（on-chip peripherals）。一般來說，DSP處理器的外設主要包括：

（1）時鐘發(fā)生器（振蕩器與鎖相環(huán)PLL）；

（2）定時器（timer）；

（3）軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器，以便使較快的片內(nèi)功能模塊與較慢的片外電路及存儲器協(xié)調(diào)；

（4）可配置的多種外部存儲控制器（EMIF）；

（5）通用I/O；

（6）同步串口（SSP）與異步串口（ASP）；

（7）主機接口（可配置主機并行接口）；

（8）JTAG邊界掃描邏輯電路（IEEE1149.1標準），便于對DSP處理器作片上的在線仿真，以及多DSP處理器條件下的調(diào)試。

6 快速的指令周期

哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP指令、豐富的片內(nèi)外存再加上集成電路的優(yōu)化設計，大大縮短了DSP芯片的指令周期。快速的指令周期使得DSP芯片滿足了高實時性場合的需要。

在近20多年時間里，由于電子技術和計算機技術的不斷發(fā)展，目前DSP芯片的價格越來越低，性能價格比不斷提高。無論是高端電子產(chǎn)品，還是普通的家用電器，都與DPS芯片的應用息息相關。概括起來DSP芯片的典型應用主要集中在信號處理、通信、語音、圖形/圖像、軍事、儀器儀表、自動控制、醫(yī)療、家用電器等領域。

參考文獻

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