DSP芯片基础知识pdf

2026-07-05 05:43:49

　　DSP 芯片基础知识 发布日期：2006-3-4 11:55:52 作者：Eric 出处：不详 DSP 芯片介绍 1 什么是DSP 芯片 DSP 芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理 器。DSP 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬 件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP 指令，可以用来 快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP 芯片一般具有如下的一些主要特点： （1） 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。 （2） 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 （3） 片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时 访问。 （4） 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 （5） 快速的中断处理和硬件I/O 支持。 （6） 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 （7） 可以并行执行多个操作。 （8） 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 与通用微处理器相比，DSP 芯片的其他通用功能相对较弱些。 2 DSP 芯片的发展 世界上第一个单片DSP 芯片是1978 年AMI 公司宣布的S2811， 1979 年美国Iintel 公司发布的商用可编程期间2920 是DSP 芯片的 一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP 芯片所必须的单周 期芯片。 1980 年。***NEC 公司推出的 μPD7720 是第一个具有乘法 器的商用DSP 芯片。第一个采用CMOS 工艺生产浮点DSP 芯片的是*** 的Hitachi 公司，它于1982 年推出了浮点DSP 芯片。1983 年，*** 的Fujitsu 公司推出的MB8764，其指令周期为120ns ，且具有双内 部总线，从而处理的吞吐量发生了一个大的飞跃。而第一个高性能的 浮点DSP 芯片应是ATT 公司于1984 年推出的DSP32。 在这么多的DSP 芯片种类中，最成功的是美国德克萨斯仪器公司 （Texas Instruments，简称TI）的一系列产品。TI 公司灾982 年成 功推出启迪一代DSP 芯片TMS32010 及其系列产品TMS32011、 TMS32C10/C14/C15/C16/C17 等，之后相继推出了第二代DSP 芯片 TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP 芯片TMS32C30/C31/C32， 第四代DSP 芯片TMS32C40/C44，第五代DSP 芯片 TMS32C50/C51/C52/C53 以及集多个DSP 于一体的高性能DSP 芯片 TMS32C80/C82 等。 自1980 年以来，DSP 芯片得到了突飞猛进的发展，DSP 芯片的应 用越来越广泛。从运算速度来看，MAC （一次乘法和一次加法）时间 已经从80 年代初的400ns（如TMS32010）降低到40ns（如TMS32C40）， 处理能力提高了10 多倍。DSP 芯片内部关键的乘法器部件从1980 年 的占模区的40 左右下降到5 以下，片内RAM 增加一个数量级以上。 从制造工艺来看，1980 年采用4 μ的N 沟道MOS 工艺，而现在则普 遍采用亚微米CMOS 工艺。DSP 芯片的引脚数量从1980 年的最多64 个增加到现在的200 个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的 增加。此外，DSP 芯片的发展，是DSP 系统的成本、体积、重量和功 耗都有很大程度的下降。 3 DSP 芯片的分类 DSP 的芯片可以按照以下的三种方式进行分类。 1. 按基础特性 这是根据DSP 芯片的工作时钟和指令类型来分类的。如果DSP 芯 片在某时钟频率范围内的任何频率上能正常工作，除计算速度有变化 外，没有性能的下降，这类DSP 芯片一般称之为静态DSP 芯片。 如果有两种或两种以上的DSP 芯片,它们的指令集和相应的机器 代码机管脚结构相互兼容,则这类DSP 芯片称之为一致性的DSP 芯片。 2. 按数据格式分 这是根据DSP 芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工 作的DSP 芯片称之为定点DSP 芯片。以浮点格式工作的称为DSP 芯片。 不同的浮点DSP 芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的DSP 芯片采 用自定义的浮点格式，有的DSP 芯片则采用IEEE 的标准浮点格式。 3. 按用途分 按照DSP 芯片的用途来分，可分为通用型DSP 芯片和专用型的 DSP 芯片。通用型DSP 芯片适合普通的DSP 应用，如TI 公司的一系 列DSP 芯片。专用型DSP 芯片市为特定的DSP 运算而设计，更适合特 殊的运算，如数字滤波，卷积和FFT 等。 4 DSP 芯片的选择 设计DSP 应用系统，选择DSP 芯片时非常重要的一个环节。只有 选定了DSP 芯片才能进一步设计外围电路集系统的其它电路。总的来 说，DSP 芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。一般来说， 选择DSP 芯片时考虑如下诸多因素。 1． DSP 芯片的运算速度。运算速度是DSP 芯片的一个最重要的性能 指标，也是选择DSP 芯片时所需要考虑的一个主要因素。DSP 芯片的 运算速度可以用以下几种性能指标来衡量： （1） 指令周期。就是执行一条指令所需要的时间，通常以ns 为单 位。 （2） MAC 时间。即一次乘法加上一次加法的时间。 （3） FFT 执行时间。即运行一个N 点FFT 程序所需的时间。 （4） MIPS。即每秒执行百万条指令。 （5） MOPS。即每秒执行百万次操作。 （6） MFLOPS。即每秒执行百万次浮点操作。 （7） BOPS。即每秒执行十亿次操作。 2． DSP 芯片的价格。根据一个价格实际的应用情况，确定一个价格 适中的DSP 芯片。 3． DSP 芯片的硬件资源。 4． DSP 芯片的运算速度。 5． DSP 芯片的开发工具。 6． DSP 芯片的功耗。 7． 其它的因素，如封装的形式、质量标准、生命周期等。 DSP 应用系统的运算量是确定选用处理能力多大的DSP 芯片的基 础。那么如何确定DSP 系统的运算量以选择DSP 芯片呢？ 1． 按样点处理 按样点处理就是DSP 算法对每一个输入样点循环一次。例如；一 个采用LMS 算法的256 抽头德的自适应FIR 滤波器，假定每个抽头的 计算需要3 个MAC 周期，则256 抽头计算需要256*3=768 个MAC 周期。 如果采样频率为8KHz，即样点之间的间隔为125μ s 的时间，DSP 芯 片的MAC 周期为200μ s，则768 个周期需要153.6μ s 的时间，显然 无法实时处理，需要选用速度更快的芯片。 2． 按帧处理 有些数字信号处理算法不是每个输入样点循环一次，而是每隔一 定的时间间隔（通常称为帧）循环一次。所以选择DSP 芯片应该比较 一帧内DSP 芯片的处理能力和DSP 算法的运算量。假设DSP 芯片的指 令周期为P （ns），一帧的时间为⊿τ （ns），则该DSP 芯片在一帧 内所提供的最大运算量为⊿τ / P 条指令。 5 DSP 芯片的基本结构 DSP 芯片的基本结构包括： （1）哈佛结构； （2）流水线）专用的硬件乘法器； （4）特殊的DSP 指令； （5）快速的指令周期。 哈佛结构 哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中， 即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，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设置了程序总线 和数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。由于程序和存储器在 两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠。 流水线与哈佛结构相关，DSP 芯片广泛采用流水线以减少指令执 行的时间，从而增强了处理器的处理能力。处理器可以并行处理二到 四条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。入图示出一个三级流水 线操作的例子。 CLLOUT1 取指 N N-1 N-2 译码 N-1 N N-2 执行 N-2 N-1 N 图4-1 三级流水线操作 专用的硬件乘法器 乘法速度越快，DSP 处理器的性能越高。由于具有专用的应用乘法器， 乘法可在一个指令周期内完成。 特殊的DSP 指令DSP 芯片是采用特殊的指令。 快速的指令周期哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特 殊的DSP 指令再加上集成电路的优化设计可使DSP 芯片的指令周期在 200ns 以下。 6 DSP 系统的特点 数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理 的全部特点： （1） 接口方便。DSP 系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设 备都是相互兼容，这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这 些系统接口要容易的多。 （2） 编程方便。DSP 系统种的可编程DSP 芯片可使设计人员在开发 过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。 （3） 稳定性好。DSP 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声 的影响较小，可靠性高。 （4） 精度高。16位数字系统可以达到的精度。 （5） 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大， 而数字系统基本上不受影响，因此数字系统便于测试，调试和大规模 生产。 （6） 集成方便。DSP 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规 模集成。 7 DSP 芯片的应用 自从DSP 芯片诞生以来，DSP 芯片得到了飞速的发展。DSP 芯片 高速发展，一方面得益于集成电路的发展，另一方面也得益于巨大的 市场。在短短的十多年时间，DSP 芯片已经在信号处理、通信、雷达 等许多领域得到广泛的应用。目前，DSP 芯片的价格也越来越低，性 能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。DSP 芯片的应用主要有： （1）信号处理--如，数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、相 关运算、频谱分析、卷积等。 （2） 通信--如，调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、 回坡抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、波形产生等。 （3）语音--如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人 辨认、说话人确认、语音邮件、语音储存等。 （4） 图像/图形--如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像 增强、动画、机器人视觉等。 （5） 军事--如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航等。 （6） 仪器仪表--如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等。 （7） 自动控制--如引擎控制、深空、自动驾驶、机器人控制、磁盘 控制。 （8） 医疗--如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等。 （9）家用电器--如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、 数字电话/电视等 DSP 开发相关知识 文章所属类别：[dsp] 录入时间：2005-4-4 1 McBSP(Multichannel Buffered Se

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