[科普中国]-高速数字信号处理器

基本概念

高速数字信号处理技术是以DSP为核心，具有高速，实时的特点的一种信息处理技术。其本质是信息的变换和提取。DSP（Digital Signal Processor），即数字信号处理器，是一种专用于数字信号处理的可编程芯片。

信号处理的本质是信息的变换和提取，是将信息从各种噪声、干扰的环境中提取出来，并变换为一种便于为人或机器所使用的形式。从某种意义上说，信号处理类似于“沙里淘金”的过程：它并不能增加信息量（即不能增加金子的含量），但是可以把信息（即金子）从各种噪声、干扰的环境中（即散落在沙子中）提取出来，变换成可以利用的形式（如金条等）。如果不进行这样的变换，信息虽然存在，但却是无法利用的，这正如散落在沙中的金子无法直接利用一样。

高速数字信号处理器的特点高速实时信号处理是信号处理中的一个特殊分支。它的主要特点是高速处理和实时处理，被广泛应用在工业和军事的关键领域，如对雷达信号的处理、对通信基站信号的处理等。高速实时信号处理技术除了核心的高速DSP技术外，还包括很多外围技术，如ADC、DAC等外围器件技术、系统总线技术等。

DSP（Digital Signal Processor），即数字信号处理器，是一种专用于数字信号处理的可编程芯片。它的主要特点是：
①高度的实时性，运行时间可以预测；
②Harvard体系结构，指令和数据总线分开（有别于冯·诺依曼结构）；
③RISC指令集，指令时间可以预测；
④特殊的体系结构，适合于运算密集的应用场合；
⑤内部硬件乘法器，乘法运算时间短、速度快；
⑥高度的集成性，带有多种存储器接口和IO互联接口；
⑦普遍带有DMA通道控制器，保证数据传输和计算处理并行工作；
⑧低功耗，适合嵌入式系统应用。
DSP有多种分类方式。其中按照数据类型分类，DSP被分为定点处理器（如ADI的ADSP218x/9x/BF5xx、TI的TMS320C62/C64）和浮点处理器（如ADI的SHARC/TigerSHARC系统、TI的TMS320C67）。
雷达信号处理系统对DSP的要求很高，通常是使用32bit的高端DSP；而且浮点DSP更能满足雷达信号大动态范围的要求。

高速数字信号处理器的硬件设计TMS320C2XX系统以一个典型的TMS320C2XX系统为例，介绍C2XX系统的硬件设计。下图是该系统的功能框图：

TMS320C2XX用户系统中配置了一个高速TMS320C2XX芯片，64K字的程序存储器，64K字的数据存储器，256K位EPROM；采用了一路14位A/D和14位D/A；系统还扩展了16根标准输入信号，用户可接按键输入信号，并可申请INT3中断；扩展了16根标准输出信号，用户可用这些信号控制液晶显示。同时系统提供了3组可扩展的输入、输出口。

硬件结构有如下特点：

①具有脱片的、独立的数据存储器和程序存储器。由于采用了改进的片外哈佛结构，使处理器能实现达16K字节16位字长的数据存储器的寻址，并对32K字节24位字长具有双重目的的程序存储器实现指令和数据的存取。

②具有内部指令高速缓冲存储器。在脱离高速缓冲存储器执行指令时，16指令芯片级超高速缓冲存储器允许处理器并行取两个操作数。由于这个指令系统支持较高程度的并行处理，许多循环算法可以按16或低于16的指令有效地进行编码。

③具有三个独立的运算单元和一个强有力的程序定序器。三个独立的运算单元是：ALU(加法器)、MAC(乘法器/超速存储器)、桶形移位器。

④具有四级外部中断和用于多精度运算和饱和逻辑判断装置1。

TMS320C6系统'C6201是工作在200MHz下的定点DSP芯片。由于最优情况下，它同时可以执行8条指令，故运算能力可达1600MIPS或400MMACS。'C6201采用0.25μm技术(后续产品'C6201B和'C6202采用0.18μm技术)，体积小、功耗低，单片功耗只有1.9W。

'C6701是同级别的一款浮点DSP芯片，其工作频率为167MHz，也可同时执行8条指令，运算能力1336MIPS或1GFLOPS。同样，'C6701也采用类似的工艺，功耗仅有1.9W。而低端产品'C6211(1200MIPS)则突破了DSP业界性能价格比的新记录，据1998年TI公司的报价，'C6211已达到了$0.021MIPS。至今，C6x的高端产品'C64x以其1056KB的片内SRAM和4800MIPS的运算能力更是在通用DSP芯片市场中占据领导地位。

'C6x拥有大容量的片内RAM （64KB的数据存储器的64KB的程序存储器），并通过32比特的EMIF支持SDRAM， SBSRAM，SRAM以及其它的非同步存储器。由于对不同类型的存储器给予了不同的支持，故可以达到最佳的系统性能。此外'C6x还提供了多通道的DMA操作，用以相对CPU进行后台的数据存取，DMA的辅助通道还提供了对主机端口界面(HPI)的支持，主机可以通过HPI异步地访问'C6x内外存储器及外围设备。'C6x还为通信提供两个多通道、多缓冲的串行口。此外，'C6x也和一般的DSP一样具备较完善的中断处理机制、定时器结构，并可以以不同的

高速数字信号处理器的应用与发展从我国引进数字信号处理器(DSP)以来，信号处理各领域的开发和应用都取得了很大成果。DSP的应用己向计算机、通讯及数字视、音频技术的各个方面深入发展。虽然DSP的芯片系列很多，其指令系统互有差异，但它们的主要特点却是相似的，如运算速度快、芯片功能强、所需外围器件少。然而，它们也都存在开发及编程比单片机较为复杂的问题。因此，虽然它功能强大，但要大规模普及和进入传统单片机所占据的工业和消费领域还须有一个普及推广阶段。

自1985年第一片数字信号处理器TMS320C10问世以米，DSP发展人致经历了二个阶段，也形成了目前DSP产品的三个档次：第一阶段是以TMS320C10/C2x为代表的16bit定点DSP。后来又有了新的型号，如：ADSP21xx—TMS320C25/C5x/Cxx/C54x等型号；第一阶段推山32bit浮点DSP，代表型号：ADSP21020—TMS320C3x。最近几年则推出了并行DSP和超高性能DSP。如ADSP2106x—ADSP21160一TMS320C4X—TMS320C67X。

不同的DSP的应用场合也不同。早期的DSP都是定点的，它的成本比较低可以低可以胜任大部分数字信号处理，但是住某些场合，如雷达一卢纳信号处理中，数据的动态范围很人，按定点处理会发生数据溢山或者下溢出，严重时候处理无法进行。浮点DSP的出现解决了这个问题，它拓展了数据的动态范闱，32bit浮点数的动态范围为1536dB，此外浮点DSP只备更大的访问空间，高级语言的编泽器也主要面向浮点DSP，如ADSP2106x的C编译器，直接把C程序编译以后放到DSP上去运行，简化了编写程序的过程2。