数字信号处理器（DSP）的概述

2014-04-29汪扬埔

电脑迷 2014年19期

汪扬埔

摘要数字信号处理器（Digital Signal Processor，简称DSP）它是为独立快速地实现各种数字信号处理、运算而专门设计的一种处理器件，它拥有极其强大的数值运算能力，其内部采用指令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，提供了特殊的专用DSP指令以加速快速傅立叶变换和卷积等常用DSP算法。

关键词数字信号处理器 DSP 电子技术

中图分类号：TP3 文献标识码：A

经过几十年的发展，DSP已被广泛应用于电器控制、通信、信号处理、仪器仪表、航天航空、生物医药和消费电子等领域。21世纪后，数字化浪潮席卷全球，超大规模集成电路技术和计算机技术的高速发展，特别是网络化和数字化信息市场的巨大需求，促使数字信号处理器成为这场数字化革命的核心，在未来数字化技术发展过程中，数字信号处理器将以其独特的数字信号处理优势得到更加广泛的应用和普及。数字信号处理系统中，DSP芯片的主要功能是实时快速地实现各种数字信号处理的算法，为了实现各种不同数字信号的处理要求以及实时地进行系统控制，DSP芯片一般都采取了一些特殊的软硬件设计。下面本文将详细的介绍数字信号处理器（简称DSP）的结构和特点。

1 哈佛结构

传统的微处理器内部大多采用冯？诺依曼结构，即片内程序空间和数据空间共用一个公共的存储空间并使用单一的程序和数据总线。将指令、数据存储在同一存储器中统一编址，依靠指令计数器提供的地址对指令、数据信息进行区分。这种总线结构使得CPU在执行指令时，取值和存取数据必须共享内部总线，因此程序指令只能串行执行。

DSP芯片普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构或改进的哈佛结构。其特点是把程序代码和数据存储在不同的存储空间，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和数据两条总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。

改进的哈佛结构除了哈佛结构的特征外，程序的存储空间和数据的存储空间之间还可以进行数据交换，这种结构可以并行数据交换。改进的哈佛结构还可以从程序存储空间来初始化数据存储空间，或把数据存储空间的内容转移到程序存储空间，这样可以复用存储器、降低成本、提高存储器使用效率。

2 流水线技术

流水技术是以哈佛结构和内部多总线结构为基础的。DSP执行每条指令时，都需要划分成取指、译码、取数、执行等若干阶段，每个阶段称为一级流水，各阶段可由片内多个功能单元分别完成，从而大大提高了运算速度。流水线操作就是将一条指令的执行分解成多个阶段，在多条指令同时执行过程中，每个指令的执行阶段可以相互重叠进行。通常指令重叠数也称为流水线深度。在执行第N条指令取指令时，前一条指令即第N-1个指令正在译码，第N-2个指令正在取数，而第N-3个指令正在执行。

3 专用的硬件乘法器

在数字信号处理算法中，大量的运算是累加和乘。在DSP中具有硬件连线逻辑的高速“与或”运算器（乘法器和累加器），取两个操作数到乘法器中进行乘法运算，并将乘积加到累加器中，这些操作都可以在单个周期内完成。乘法速度越快，DSP性能就越高。在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现，故需要多个指令周期来完成。相比而言，DSP芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器。

4 特殊的DSP指令

在DSP中通常设有无开销或低开销循环及跳转的硬件支持、快速的中断处理和硬件I/O支持，并具有在单周期内操作的多个硬件地址发生器。为更好地满足数字信号处理的需要，在DSP指令系统中设计了一些特殊的DSP指令，以充分发挥DSP算法及各系列芯片的特殊设计功能。在DSP的指令系统中，大多是多功能指令，即一条指令可以完成多种不同的操作，或者说一条指令具有几条指令的功能。

5 丰富的片内外存

DSP处理器为了自身工作的需要和与外部环境的协调工作，往往都设置了丰富的片内外设（on-chip peripherals）。一般来说，DSP处理器的外设主要包括：

（1）时钟发生器（振荡器与锁相环PLL）；

（2）定时器（timer）；

（3）软件可编程等待状态发生器，以便使较快的片内功能模块与较慢的片外电路及存储器协调；

（4）可配置的多种外部存储控制器（EMIF）；

（5）通用I/O；

（6）同步串口（SSP）与异步串口（ASP）；

（7）主机接口（可配置主机并行接口）；

（8）JTAG边界扫描逻辑电路（IEEE1149.1标准），便于对DSP处理器作片上的在线仿真，以及多DSP处理器条件下的调试。

6 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、丰富的片内外存再加上集成电路的优化设计，大大缩短了DSP芯片的指令周期。快速的指令周期使得DSP芯片满足了高实时性场合的需要。