數字信號處理器（DSP）的概述

2014-04-29 00:44:03汪揚埔

電腦迷 2014年19期

汪揚埔

摘要數字信號處理器（Digital Signal Processor，簡稱DSP）它是為獨立快速地實現各種數字信號處理、運算而專門設計的一種處理器件，它擁有極其強大的數值運算能力，其內部采用指令和數據分開的哈佛結構，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。

關鍵詞數字信號處理器 DSP 電子技術

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A

經過幾十年的發展，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、生物醫藥和消費電子等領域。21世紀后，數字化浪潮席卷全球，超大規模集成電路技術和計算機技術的高速發展，特別是網絡化和數字化信息市場的巨大需求，促使數字信號處理器成為這場數字化革命的核心，在未來數字化技術發展過程中，數字信號處理器將以其獨特的數字信號處理優勢得到更加廣泛的應用和普及。數字信號處理系統中，DSP芯片的主要功能是實時快速地實現各種數字信號處理的算法，為了實現各種不同數字信號的處理要求以及實時地進行系統控制，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字信號處理器（簡稱DSP）的結構和特點。

1 哈佛結構

傳統的微處理器內部大多采用馮？諾依曼結構，即片內程序空間和數據空間共用一個公共的存儲空間并使用單一的程序和數據總線。將指令、數據存儲在同一存儲器中統一編址，依靠指令計數器提供的地址對指令、數據信息進行區分。這種總線結構使得CPU在執行指令時，取值和存取數據必須共享內部總線，因此程序指令只能串行執行。

DSP芯片普遍采用數據總線和程序總線分離的哈佛結構或改進的哈佛結構。其特點是把程序代碼和數據存儲在不同的存儲空間，即程序存儲器和數據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中設置了程序和數據兩條總線，從而使數據的吞吐率提高了一倍。

改進的哈佛結構除了哈佛結構的特征外，程序的存儲空間和數據的存儲空間之間還可以進行數據交換，這種結構可以并行數據交換。改進的哈佛結構還可以從程序存儲空間來初始化數據存儲空間，或把數據存儲空間的內容轉移到程序存儲空間，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構和內部多總線結構為基礎的。DSP執行每條指令時，都需要劃分成取指、譯碼、取數、執行等若干階段，每個階段稱為一級流水，各階段可由片內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行分解成多個階段，在多條指令同時執行過程中，每個指令的執行階段可以相互重疊進行。通常指令重疊數也稱為流水線深度。在執行第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，而第N-3個指令正在執行。

3 專用的硬件乘法器

在數字信號處理算法中，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，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及跳轉的硬件支持、快速的中斷處理和硬件I/O支持，并具有在單周期內操作的多個硬件地址發生器。為更好地滿足數字信號處理的需要，在DSP指令系統中設計了一些特殊的DSP指令，以充分發揮DSP算法及各系列芯片的特殊設計功能。在DSP的指令系統中，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 豐富的片內外存

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

（1）時鐘發生器（振蕩器與鎖相環PLL）；

（2）定時器（timer）；

（3）軟件可編程等待狀態發生器，以便使較快的片內功能模塊與較慢的片外電路及存儲器協調；

（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處理器條件下的調試。

6 快速的指令周期

哈佛結構、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP指令、豐富的片內外存再加上集成電路的優化設計，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。