DSP芯片在实时图像处理系统中的应用精docx

2026-05-06 19:26:03

　　爵霆鱼稔疆 PostgraduateForum DSP芯片在实时图像处理系统中的应用 柯丽—，：黄廉卿— （1 ?中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春1 3 0 0 3 3; 2 ?中国科学院研究生院，北京1 0 0 0 3 9 ） 【摘要】在通用计算机上用软件实现图像处理，要占用CPU几乎全部的处理 能力，且速度相对较慢。数字信 号处理器fDSP ）的可编程性和强大的处理能力使其可用于快速实现各种数 字信号处理算法，在图像处理领域。尤其在实时图像处理系统中得到了广泛应用和 发展。本文介绍了DSP芯片及其在实时图像处理系统中的开发、应用及发展方 向。 关键词：DSP芯片：图像处理系统；实时处理中图分类号：TP391.4 1 DSPchipanditsapplicationinreal—tim eimageprocessingsystem KELil ? 2 HUANGLian—qin91 （l.Changehun InstituteofOptics，FineMechanicsand Physics，Chinese 1 1 AcademyofSciences,Changchunl30033, China; 2.GraduateSchoolofChineseAcademyof Sciences,Beijingl00039,China) Abstract:AlloperationcapacityofCPU willbetakenupifimageisprocessedsutin gslowprocessingspeed.Digitalsignal generalcomputerbysoftware,re — process(DSP)can beusedtoimplementallkindsofalgorit hmsofdigital signalprocessingwithitspowerfulpro cessingcapacity.DSPchipisappliedandd evelopedwidelyinthefieldofim — ageproc essing,especiallyinreal — timeimagepro cessing.ThepaperintroducesDSPchip,it sdevelopmentandappli ? cationinreal—ti meimageprocessingsystem. Keywords:DSPchip;imageprocessingsy stem;real — timeprocessing 引言 压缩。图像处理技术尤其是实时处理，现已成为一热门的研究课题。 实现图像处理的主要方式有： fl）在通用计算机上用软件实现图像处理；f2）在通用计算机系统中加入 专用的加速处理模块； 随着计算机及通信技术的发展，图像和视频的应用愈加Jl泛。大部分图像数 据在实际应用前皆需进行有针对性的处理?如根据图像数据特点和应用领域对图像 进行增强、除噪、锐化和识别等。此外?为了有效实时地传输信息，还必须对图像 进行 』！J鲨an塑u碘arHyllll2仉0 0c059l。_1!三 万方数据 l f3）利用通用单片机：f4）利用专用DSP芯片；f5）利用通用可编程 DSP芯片。 在众多图像处理方式巾，最常用的是第l种，但此种方式要占用CPU几乎全 部的处理能力，速度相对较慢，不适于实时处理，需要对其加以改进；而其他几种 方式各有不足，如第2种方式不适于嵌入式应用，专业性较强，应用受到限制；第 3种方式适于数字控制等不太复杂的数字信号处理，不适合计算较大的图像数据处 理；第4种方式洲为采用的是专用DSP芯片，故其廊用范围受限，系统不够灵 活，无法进行算法的升级与更新；第5种方式必须要用能充分考虑DSP内部并行 性的_7r :编语0，进行编制DSP程序，具有一定困难。但是，TI公司为了 解决这个问题?推出了一个开放、具有强大集成能力的开发环境（CCS ）罔。它 采用了由先进的开发_：—［具组成的直观系统，使用CCS提供的工具?开发者 可以非常方便地对DSP软件进行设计、编码、编译、调试、跟踪和实时性分析， 可有效减少DSP编程时问。 综上所述，利用通用可编程DSP芯片[[—21实现图像处理较之其他方式 具有一定的优越性，而且DSP芯片的可编程性和强大的处理能力?使其可用 DSP芯片采用不同于普通单片机的体系结构，具有 ？些显著特点 2.1 哈佛结构” I 传统计算机采用传统的冯？诺伊曼（Von Neuman nl结构，其程序和数据共用一个存储空间和单一的地址及数据 总线，处理器要执行任何指令时，都要先从储存器巾取出指令解码，再取操作数执 行运算，即使单条指令也要耗费几个甚至几十个周期.在高速运算时。在传输通道 上会出现瓶颈敛应。 所有的DSP芯片均采用哈佛（Harvard ）结构。哈佛结构是?种并行 体系结构，它的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空问中.即程序存储器 和数据存储器是两个相瓦独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。与两个 存储器相对应的是系统中的4套总线：程序的数据总线与地址总线，数据的数据总 线与地址总线。这种分离的程序总线和数据总线可允许在一个机器周期内同时获取 指令字f来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），从而提高了执行速度， 使数据的吞吐率提高了1倍。又由f程序和数据存储器在两个分开的空间巾，闪此 取指和执行能完全重叠。图1给出了冯 ？诺伊曼结构和哈佛结构的比较。 地址总线 于陕速地实现各种数字信号处理算法，成为目前图 像处理系统的最佳选择 DSP芯片 数据总线 (a)冯—诺伊曼结构f单存储器) 线 数字信号处理器fDSP)fl°21是一类具有专门为数字信号处理任务而 优化设计的体系结构和指令系统的通用处理器件?具有处理速度快和有复合功能的 单周期指令等特点，在高速图像处理中得到了越来越多的应用。 DSP芯片内部采用程序和数据分开存储和传输的哈佛结构?具有专门硬件乘 法器，广泛采用流水线操作?提供特殊的DSP指令?可用来快速地实现各种数字 信号处理算法，加之集成电路的优化设计，使其处理速度比最快的CPU还快1O 一 5 0 倍。 DM地址总线 线DM数据总线 (b)哈佛结构(双存储器) 图1冯？诺伊曼结构与哈佛结构的比较 2 _ 2流水线】 与哈佛结构相似，DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间?从而增强 J ?处理器的处理能 !曼噶急 万方数据 力。 流水线处理器是由一系列处理电路组成?这些 处理电路称为片断或部分。操作数流经每个片断，即每个片断对操作数进行部 分处理，操作数经过所有片断后才能得到最后结果。流水线操作即把一条指令分成 一系列步骤来完成，不同步骤完成不同的任务，一条指令只有经过所有步骤才能得 到结果?。这些步骤可以独立进行，这样就可以实现多条指令在不同步骤上的重复 运行，从而加快运行速度。 流水线分为指令流水线和算术流水线。指令流水线是指取指令和执行指令的不 同阶段在流水线上进行：算术流水线是指算术操作的不同阶段在流水线上进行.D SP芯片一般采用指令流水线方法。 由丁采用了流水线技术，DSP芯片可以单周期完成乘法累加运算。大幅提高 了运算速度，减少了指令执行的时间，从而增强［处理器的处理能力。处理器可以 并行处理2?4条指令。每条指令处于流水线】 数字信号处理中最重要的基本运算足乘法和累加运算，它们占用了大量运算时 间，是最主要和最耗时的运算°DSP中设置了硬件乘法器和乘法并累加（MA C）,这些操作往往可以在单周期内完成，大幅提高了DSP作乘法和累加的速 度。因此，单周期的硬件乘法器和MAC是DSP芯片实现快速运算的保证。现代 高性能的DSP芯片甚至具有两个以上的硬件乘法器以提高运算速度。数据宽度也 从16位增加到3 2位。 数学运算消耗的时问往往少于存储器的操作°DSP芯片在片内集成了大容量 的ROM和RAM来分别存放程序和数据，程序在片内执行的效率远远高于相同规 格的通用微处理器，这样既降低了产品的体积和成本.又加快了处理速度。在数字 信号处理中要遇到大量的地址运算，在某些情况下?地址运算量甚至超过了数据的 运算 万 方数据量°DSP中设计有一个特殊的硬件算术单元 ——地 址产生器。地址计算由这个专门的硬件来负责?不需要耗费额外的时间。现在 的某些微处理器中也有独立的地址产生单元，对于一些特殊的地址运算不需要耗费 额外的CPU时问。但是DSP的地址运算单元更强大，支持如比特翻转寻址和循 环寻址，可极大加快运算速度，而对于非哈佛结构的处理器可能需要更多的处理周 期。2.5并行处理结构［21 图像处理中的运算量巨大，单个处理器无法满足实时处理的需求，需要多处理 器并行处理。 DSP内部一般都集成多个处理单元。如硬件乘法器（MUL）、累加器（A CC）、算术逻辑单元（AIJ U）、辅助算术单元（ARAU）以及DMA控制 器等。它们都可以并行地在同一个周期内执行不同的任务，例如辅助算术雎元能为 卜一次的运算做好准备?适于完成连续的乘加运算。芯片内部还包括其他总线，如 DMA总线等.可实现数据的后台传输而几乎不影响主CPU的性能。 为了提高并行处理能力，现代DSP芯片通常采用单指令多数据流结构（SI MD）、超长指令字结构fW.IW）、超标星体系结构、多DSP核体系结构和 DSP/MCU混合结构，这些并行处理机制碌著提高了DSP芯片的性能。 3 DSP的发展历程和方向 3.1 DSP发展历程 DSP发展历程川大致分3个阶段：20世纪70年代埠论先行.20世纪8 0年代产品普及，20世纪90年代突飞猛进。 在DSP出现之前，数字信号处理只能依靠微处理器（MPU）来完成，但M PU的低处理速度无法满足高速实时的要求，因此直到2 0世纪7 0年代.才有人 提出了DSP的理论和算法基础。那时的DSP仅停留在教科书上，即便是研制出 来的DSP系统也是由分立元件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航天部 门。 塑Ja型nua型r翱！皇y 2 0 0 5 ■二 一 2.4特殊的寻址方式［11 麝黧壁镳鑒 PostgraduateFOrum 随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2年，世界上诞生了首枚DSP芯 片。这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作.虽功耗和尺寸稍大，但运算 速度却比MPU快了几十倍，尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。D SP芯片的问世足个里程碑.它标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了 一大步。到2 0世纪8 0年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第2代基于 CMOS工艺的DSP芯片应运而生.其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成 为语音处理和图像硬件处理技术的基础。 2 0世纪8 0年代后期，第3代DSP芯片问世，运算速度进一步提高，其应 用范围逐步扩大到通信和计算机领域 2 0世纪9 0年代，DSP发展最快，相继出现了第4代和第5代DSP器 件。现在的DSP属于第5代产品，与第4代相比，其系统集成度更高，并将DS P芯核及外罔元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的DSP芯片不仅在通 信和计算机领域发挥重要作用?而且逐渐渗透到人们日常的消费领域。 3，2 DSP发展方向［11 现在DSP产品的应用已扩大到人们的学习、 工作和生恬的各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素：而半导体 技术和超大规模集成电路的发展为DSP的推陈出新提供了物理基础，用户的需求 又为DSP的发展指出了方向。总体而言，DSP技术将向以下几个方面发展： （1）系统级集成。缩小DSP芯片尺寸始终是DSP的技术发展方向。当前 的DSP多数基于精简指令集计算（RISC ）结构，这种结构的优点是尺寸小、 功耗低和性能高。各DSP厂商纷纷采用新工艺，改进DSP芯核，并将几个DS P芯核、MPU芯核、专用处理单元、外围电

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