dsp課程設(shè)計(jì)---dsp芯片簡(jiǎn)介

1、<p><b>　　DSP課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　學(xué) 院 物理電子工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) </p><p>　　年 級(jí)

2、 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　論文題目 DSP芯片簡(jiǎn)介 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 副教授 </p><p>　　2012 年 0

3、1月 09日</p><p><b>　　DSP芯片簡(jiǎn)介</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱DSP)是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理

4、技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號(hào)處理是一種通過(guò)使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來(lái)處理現(xiàn)實(shí)信號(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示。在過(guò)去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實(shí)力。</p><p>　　1. DSP微處理器</p><p>　　DSP（digital signal processor）是

5、一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)。再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。 </p><p>　　1.1

6、DSP微處理器的主要特點(diǎn)</p><p>　　DSP微處理器（芯片）一般具有如下主要特點(diǎn)： </p><p>　　（1）在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法； </p><p>　　（2）程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)； </p><p>　?。?）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問(wèn)； </p&

7、gt;<p>　?。?）具有低開(kāi)銷或無(wú)開(kāi)銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持； </p><p>　?。?）快速的中斷處理和硬件I/O支持； </p><p>　?。?）具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器； </p><p>　?。?）可以并行執(zhí)行多個(gè)操作； </p><p>　?。?）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行

8、。 </p><p>　　當(dāng)然，與通用微處理器相比，DSP微處理器（芯片）的其他通用功能相對(duì)較弱些。 </p><p><b>　　1.2 DSP優(yōu)點(diǎn)</b></p><p>　　對(duì)元件值的容限不敏感，受溫度、環(huán)境等外部因素影響??； </p><p><b>　　容易實(shí)現(xiàn)集成；</b></p&

9、gt;<p>　　可以分時(shí)復(fù)用，共享處理器； </p><p>　　方便調(diào)整處理器的系數(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波； </p><p>　　可實(shí)現(xiàn)模擬處理不能實(shí)現(xiàn)的功能：線性相位、多抽樣率處理、級(jí)聯(lián)、易于存儲(chǔ)等； </p><p>　　可用于頻率非常低的信號(hào)。 </p><p><b>　　1.3 DSP缺點(diǎn)</b>&

10、lt;/p><p><b>　　需要模數(shù)轉(zhuǎn)換；</b></p><p>　　受采樣頻率的限制，處理頻率范圍有限；</p><p>　　數(shù)字系統(tǒng)由耗電的有源器件構(gòu)成，沒(méi)有無(wú)源設(shè)備可靠。</p><p>　　但是其優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)缺點(diǎn)。</p><p>　　2. DSP的開(kāi)發(fā)工具</p><

11、;p>　　數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為一種可編程專用芯片，是數(shù)字信號(hào)處理理論實(shí)用化過(guò)程的重要技術(shù)工具，在語(yǔ)音處理、圖像處理等技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但對(duì)于算法設(shè)計(jì)人員來(lái)講，利用匯編語(yǔ)言或C 語(yǔ)言進(jìn)行DSP 功能開(kāi)發(fā)，具有周期長(zhǎng)、效率低的缺點(diǎn)，不利于算法驗(yàn)證和產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)。由MathWorks 公司和TI 公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的DSPMATLAB Link for CCS Development Tools（簡(jiǎn)稱CCSLink）是MAT

12、LAB6.5 版本（Release13）中增加的一個(gè)全新的工具箱，它提供了MATLAB、CCS 和DSP 目標(biāo)板的接口，利用此工具可以像操作MATLAB變量一樣來(lái)操作DSP 器件的存儲(chǔ)器和寄存器，使開(kāi)發(fā)人員在MATLAB 環(huán)境下完成對(duì)DSP 的操作，從而極大地提高DSP 應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。 </p><p>　　MATLAB 具有強(qiáng)大的分析、計(jì)算和可視化功能，利用MATLAB 提供的數(shù)十個(gè)專業(yè)工具箱，可以方便、

13、靈活地實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)控制、信號(hào)處理、通信系統(tǒng)等的算法分析和仿真，是算法設(shè)計(jì)人員和工程技術(shù)人員必不可少的軟件工具。 </p><p>　　3. DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程</p><p>　　DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還沒(méi)有非常好的正規(guī)設(shè)計(jì)方法。 </p><p>　　在設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)之前，首先必須根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的目標(biāo)確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)、信號(hào)處理的要求，通常可用數(shù)據(jù)流程圖、數(shù)學(xué)運(yùn)算序列、正

14、式的符號(hào)或自然語(yǔ)言來(lái)描述。第二步是根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行高級(jí)語(yǔ)言的模擬。一般來(lái)說(shuō)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最終目標(biāo)， 需要對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，而處理方法的不同?huì)導(dǎo)致不同的系統(tǒng)性能，要得到 最佳的系統(tǒng)性能，就必須在這一步確定最佳的處理方法，即數(shù)字信號(hào)處理的算法（Algo rithm），因此這一步也稱算法模擬階段。例如，語(yǔ)音壓縮編碼算法就是要在確定的壓縮比條件下，獲得最佳的合成語(yǔ)音。算法模擬所用的輸入數(shù)據(jù)是實(shí)際信號(hào)經(jīng)采集而獲得的，通常以計(jì)算機(jī)文件

15、的形式存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)文件。如語(yǔ)音壓縮編碼算法模擬時(shí)所用的語(yǔ)音信號(hào)就是實(shí)際采集而獲得并存儲(chǔ)為計(jì)算機(jī)文件形式的語(yǔ)音數(shù)據(jù)文件。有些算法模擬時(shí)所用的輸入數(shù)據(jù)并不一定要是實(shí)際采集的信號(hào)數(shù)據(jù)，只要能夠驗(yàn)證算法的可行性，輸入假設(shè)的數(shù)據(jù)也是可以的。</p><p>　　在完成第二步之后，接下來(lái)就可以設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)DSP系統(tǒng)，實(shí)時(shí)DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。硬件設(shè)計(jì)首先要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)算量的大小、對(duì)運(yùn)算精度的要求、系統(tǒng)成本限

16、制以及體積、功耗等要求選擇合適的DSP芯片。然后設(shè)計(jì)DSP芯片的外圍電路及其他電路。軟件設(shè)計(jì)和編程主要根據(jù)系統(tǒng)要求和所選的DSP芯片編寫(xiě)相應(yīng)的DSP匯編程序，若系統(tǒng)運(yùn)算量不大且有高級(jí)語(yǔ)言編譯器支持，也可用高級(jí)語(yǔ)言（如C語(yǔ)言）編程。由于現(xiàn)有的高級(jí)語(yǔ)言編譯器的效率還比不上手工編寫(xiě)匯編語(yǔ)言的效率，因此在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中常常采用高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的混合編程方法，即在算法運(yùn)算量大的地方，用手工編寫(xiě)的方法編寫(xiě)匯編語(yǔ)言，而運(yùn)算量不大的地方則采用高級(jí)語(yǔ)言

17、。采用這種方法，既可縮短軟件開(kāi)發(fā)的周期，提高程序的可讀性和可移植性，又能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)算的要求。DSP硬件和軟件設(shè)計(jì)完成后，就需要進(jìn)行硬件和軟件的調(diào)試。軟件的調(diào)試一般借助于DSP開(kāi)發(fā)工具，如軟件模擬器、DSP開(kāi)發(fā)系統(tǒng)或仿真器等。調(diào)試DSP算法時(shí)一般采用比較實(shí)時(shí)結(jié)果與模擬結(jié)果的方法，如果實(shí)時(shí)程序和模擬程序的輸入相同，則兩者的輸出應(yīng)該一致。應(yīng)用系統(tǒng)的其他軟件可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)試。硬件調(diào)試一般</p><p>　　

18、系統(tǒng)的軟件和硬件分別調(diào)試完成后，就可以將軟件脫離開(kāi)發(fā)系統(tǒng)而直接在應(yīng)用系統(tǒng)上運(yùn)行。當(dāng)然，DSP系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，特別是軟件開(kāi)發(fā)是一個(gè)需要反復(fù)進(jìn)行的過(guò)程，雖然通過(guò)算法模擬基本上可以知道實(shí)時(shí)系統(tǒng)的性能，但實(shí)際上模擬環(huán)境不可能做到與實(shí)時(shí)系統(tǒng)環(huán)境完全一致，而且將模擬算法移植到實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)必須考慮算法是否能夠?qū)崟r(shí)運(yùn)行的問(wèn)題。如果算法運(yùn)算量太大不能在硬件上實(shí)時(shí)運(yùn)行，則必須重新修改或簡(jiǎn)化算法。</p><p>　　4. DSP技術(shù)的應(yīng)用

19、</p><p>　　語(yǔ)音處理：語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音增強(qiáng)、語(yǔ)音郵件、語(yǔ)音儲(chǔ)存等。</p><p>　　圖像/圖形：二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像識(shí)別、動(dòng)畫(huà)、機(jī)器人視覺(jué)、多媒體、電子地圖、圖像增強(qiáng)等。</p><p>　　軍事：保密通信、雷達(dá)處理、聲吶處理、導(dǎo)航、全球定位、跳頻電臺(tái)、搜索和反搜索等。</p><p>　　

20、儀器儀表：頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、地震處理等。</p><p>　　自動(dòng)控制：控制、深空作業(yè)、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人控制、磁盤(pán)控制等。</p><p>　　醫(yī)療：助聽(tīng)、超聲設(shè)備、診斷工具、病人監(jiān)護(hù)、心電圖等。</p><p>　　家用電器：數(shù)字音響、數(shù)字電視、可視電話、音樂(lè)合成、音調(diào)控制、玩具與游戲等。</p><p>　　生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理舉

21、例：</p><p>　　CT：計(jì)算機(jī)X射線斷層攝影裝置。（其中發(fā)明頭顱CT英國(guó)EMI公司的豪斯菲爾德獲諾貝爾獎(jiǎng)。） </p><p>　　CAT：計(jì)算機(jī)X射線空間重建裝置。出現(xiàn)全身掃描，心臟活動(dòng)立體圖形，腦腫瘤異物，人體軀干圖像重建。</p><p>　　5. 基于DSP的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)</p><p>　　傳統(tǒng)的視頻監(jiān)視系統(tǒng)是簡(jiǎn)單的非智

22、能閉路電視（CCTV）系統(tǒng)，其缺點(diǎn)十分明顯。這樣的系統(tǒng)或者需要安保人員實(shí)時(shí)監(jiān)視畫(huà)面以捕捉關(guān)鍵事件，或者需要在事后對(duì)視頻記錄進(jìn)行回放并進(jìn)行人工分析。耗時(shí)耗力，成本高而效率低。近幾年，DSP在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)方面的應(yīng)用不斷完善，正在逐漸取代傳統(tǒng)的模擬非智能系統(tǒng)。 </p><p>　　iSuppli公司2006年的一份分析報(bào)告曾指出，IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)市場(chǎng)到2010年將增長(zhǎng)近十倍。IP監(jiān)控的創(chuàng)新技術(shù)之一是“智能攝像機(jī)”

23、，它擁有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理器，能探測(cè)威脅并觸發(fā)自動(dòng)響應(yīng)。可見(jiàn)，DSP芯片是智能監(jiān)控的核心。 </p><p>　　6. 基于DSP的語(yǔ)音實(shí)時(shí)變速系統(tǒng)</p><p>　　在外語(yǔ)多媒體教學(xué)中，要求對(duì)語(yǔ)速進(jìn)行快慢控制，以適應(yīng)不同程度學(xué)生的需求。然而，傳統(tǒng)的語(yǔ)音變速產(chǎn)品往往在教師改變語(yǔ)速的同時(shí)，也改變了原說(shuō)話者的語(yǔ)調(diào)，不能達(dá)到教學(xué)的真正目的。因此，語(yǔ)音變速系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備調(diào)整語(yǔ)速的同時(shí)，還需要保證原

24、說(shuō)話者語(yǔ)調(diào)保持不變的特點(diǎn)?；贒SP（TMS320C5409）的語(yǔ)音實(shí)時(shí)變速系統(tǒng)能夠任意調(diào)整語(yǔ)音語(yǔ)速，達(dá)到外語(yǔ)多媒體教學(xué)的需求。</p><p>　　7. DSP發(fā)展軌跡</p><p>　　DSP產(chǎn)業(yè)在約40年的歷程中經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段，DSP意味著數(shù)字信號(hào)處理，并作為一個(gè)新的理論體系廣為流行。隨著這個(gè)時(shí)代的成熟，DSP進(jìn)入了發(fā)展的第二階段，在這個(gè)階段，DSP代表數(shù)字信號(hào)處理器，這

25、些DSP器件使我們生活的許多方面都發(fā)生了巨大的變化。接下來(lái)又催生了第三階段，這是一個(gè)賦能（enablement）的時(shí)期，我們將看到DSP理論和DSP架構(gòu)都被嵌入到SoC類產(chǎn)品中?！钡谝浑A段，DSP意味著數(shù)字信號(hào)處理。80年代開(kāi)始了第二個(gè)階段，DSP從概念走向了產(chǎn)品，TMS32010所實(shí)現(xiàn)的出色性能和特性備受業(yè)界關(guān)注。方進(jìn)先生在一篇文章中提到，新興的DSP業(yè)務(wù)同時(shí)也承擔(dān)著巨大的風(fēng)險(xiǎn)，究竟向哪里拓展是生死攸關(guān)的問(wèn)題。當(dāng)設(shè)計(jì)師努力使DSP處理

26、器每MIPS成本降到了適合于商用的低于10美元范圍時(shí)，DSP在軍事、工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中不斷獲得成功。到1991年，TI推出價(jià)格可與16位微處理器不相上下的DSP芯片，首次實(shí)現(xiàn)批量單價(jià)低于5美元，但所能提供的性能卻是其5至10倍。到90年代，多家公司躋身DSP領(lǐng)域與TI進(jìn)行市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。TI首家提供可定制 DSP——cDSP，cDSP 基于內(nèi)核 DSP的設(shè)計(jì)可使DS</p><p>　　8. DSP未來(lái)發(fā)展</p&

27、gt;<p>　　數(shù)字信號(hào)處理器的內(nèi)核結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善，多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重?cái)?shù)據(jù)（SIMD）、特大指令字組（VLIM）將在新的高性能處理器中將占主導(dǎo)地位，如Analog Devices的 ADSP-2116x。</p><p>　　8.1 DSP 和微處理器的融合</p><p>　　微處理器是低成本的，主要執(zhí)行智能定向控制任務(wù)的通用處理器能很好執(zhí)行智能控制任務(wù)，但是數(shù)字信號(hào)

28、處理功能很差。而DSP的功能正好與之相反。在許多應(yīng)用中均需要同時(shí)具有智能控制和數(shù)字信號(hào)處理兩種功能，如數(shù)字蜂窩電話就需要監(jiān)測(cè)和聲音處理功能。因此，把DSP和微處理器結(jié)合起來(lái)，用單一芯片的處理器實(shí)現(xiàn)這兩種功能，將加速個(gè)人通信機(jī)、智能電話、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，同時(shí)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減小PCB體積，降低功耗和整個(gè)系統(tǒng)的成本。例如，有多個(gè)處理器的Motorola公司的DSP5665x，有協(xié)處理器功能的Massan公司FILU-200，把MCU功能擴(kuò)展成

29、DSP和MCU功能的TI公司的TMS320C27xx以及Hitachi公司的SH-DSP，都是DSP和MCU融合在一起的產(chǎn)品。互聯(lián)網(wǎng)和多媒體的應(yīng)用需要將進(jìn)一步加速這一融合過(guò)程。</p><p>　　8.2 DSP 和高檔CPU的融合</p><p>　　大多數(shù)高檔GPP如Pentium 和PowerPC都是SIMD指令組的超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，速度很快。LSI Logic 公司的LSI401Z采用高

30、檔CPU的分支預(yù)示和動(dòng)態(tài)緩沖技術(shù)，結(jié)構(gòu)規(guī)范，利于編程，不用擔(dān)心指令排隊(duì)，使得性能大幅度提高。Intel公司涉足數(shù)字信號(hào)處理器領(lǐng)域?qū)?huì)加速這種融合。</p><p>　　8.3 DSP 和SOC的融合</p><p>　　SOC(System-On-Chip）是指把一個(gè)系統(tǒng)集成在一塊芯片上。這個(gè)系統(tǒng)包括DSP 和系統(tǒng)接口軟件等。比如Virata公司購(gòu)買了LSI Logic公司的ZSP400處

31、理器內(nèi)核使用許可證，將其與系統(tǒng)軟件如USB、10BASET、以太網(wǎng)、UART、GPIO、HDLC等一起集成在芯片上，應(yīng)用在xDSL上，得到了很好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，SOC芯片近幾年銷售很好，由1998年的1.6億片猛增至1999年的3.45億片。1999年，約39%的SOC產(chǎn)品應(yīng)用于通訊系統(tǒng)。今后幾年，SOC將以每年31%的平均速度增長(zhǎng)，到2004年將達(dá)到13億片。毋庸置疑，SOC將成為市場(chǎng)中越來(lái)越耀眼的明星。</p>&l

32、t;p>　　8.4 DSP 和FPGA的融合</p><p>　　FPGA是現(xiàn)場(chǎng)編程門陣列器件。它和DSP集成在一塊芯片上，可實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)處理，大大提高信號(hào)處理速度。據(jù)報(bào)道，Xilinx公司的Virtex-II FPGA對(duì)快速傅立葉變換（FFT）的處理可提高30倍以上。它的芯片中有自由的FPGA可供編程。Xilinx公司開(kāi)發(fā)出一種稱作Turbo卷積編譯碼器的高性能內(nèi)核。設(shè)計(jì)者可以在FPGA中集成一個(gè)或多個(gè)T