高速數字信號處理器

高速數字信號處理技術是以DSP為核心，具有高速，實時的特點的一種信息處理技術。其本質是信息的變換和提取。DSP（Digital Signal Processor），即數字信號處理器，是一種專用於數字信號處理的可編程芯片。

信號處理的本質是信息的變換和提取，是將信息從各種噪聲、干擾的環境中提取出來，並變換為一種便於為人或機器所使用的形式。從某種意義上説，信號處理類似於“沙裏淘金”的過程：它並不能增加信息量（即不能增加金子的含量），但是可以把信息（即金子）從各種噪聲、干擾的環境中（即散落在沙子中）提取出來，變換成可以利用的形式（如金條等）。如果不進行這樣的變換，信息雖然存在，但卻是無法利用的，這正如散落在沙中的金子無法直接利用一樣。

高速實時信號處理是信號處理中的一個特殊分支。它的主要特點是高速處理和實時處理，被廣泛應用在工業和軍事的關鍵領域，如對雷達信號的處理、對通信基站信號的處理等。高速實時信號處理技術除了核心的高速DSP技術外，還包括很多外圍技術，如ADC、DAC等外圍器件技術、系統總線技術等。

DSP（Digital Signal Processor），即數字信號處理器，是一種專用於數字信號處理的可編程芯片。它的主要特點是：

①高度的實時性，運行時間可以預測；

②Harvard體系結構，指令和數據總線分開（有別於馮·諾依曼結構）；

③RISC指令集，指令時間可以預測；

④特殊的體系結構，適合於運算密集的應用場合；

⑤內部硬件乘法器，乘法運算時間短、速度快；

⑥高度的集成性，帶有多種存儲器接口和IO互聯接口；

⑦普遍帶有DMA通道控制器，保證數據傳輸和計算處理並行工作；

⑧低功耗，適合嵌入式系統應用。

DSP有多種分類方式。其中按照數據類型分類，DSP被分為定點處理器（如ADI的ADSP218x/9x/BF5xx、TI的TMS320C62/C64）和浮點處理器（如ADI的SHARC/TigerSHARC系統、TI的TMS320C67）。

雷達信號處理系統對DSP的要求很高，通常是使用32bit的高端DSP；而且浮點DSP更能滿足雷達信號大動態範圍的要求。

以一個典型的TMS320C2XX系統為例，介紹C2XX系統的硬件設計。圖1是該系統的功能框圖：

TMS320C2XX用户系統中配置了一個高速TMS320C2XX芯片，64K字的程序存儲器，64K字的數據存儲器，256K位EPROM；採用了一路14位A/D和14位D/A；系統還擴展了16根標準輸入信號，用户可接按鍵輸入信號，並可申請INT3中斷；擴展了16根標準輸出信號，用户可用這些信號控制液晶顯示。同時系統提供了3組可擴展的輸入、輸出口。

硬件結構有如下特點：

①具有脱片的、獨立的數據存儲器和程序存儲器。由於採用了改進的片外哈佛結構，使處理器能實現達16K字節16位字長的數據存儲器的尋址，並對32K字節24位字長具有雙重目的的程序存儲器實現指令和數據的存取。

②具有內部指令高速緩衝存儲器。在脱離高速緩衝存儲器執行指令時，16指令芯片級超高速緩衝存儲器允許處理器並行取兩個操作數。由於這個指令系統支持較高程度的並行處理，許多循環算法可以按16或低於16的指令有效地進行編碼。

③具有三個獨立的運算單元和一個強有力的程序定序器。三個獨立的運算單元是：ALU(加法器)、MAC(乘法器/超速存儲器)、桶形移位器。

④具有四級外部中斷和用於多精度運算和飽和邏輯判斷裝置 ^[1]  。

'C6201是工作在200MHz下的定點DSP芯片。由於最優情況下，它同時可以執行8條指令，故運算能力可達1600MIPS或400MMACS。'C6201採用0.25μm技術(後續產品'C6201B和'C6202採用0.18μm技術)，體積小、功耗低，單片功耗只有1.9W。

'C6701是同級別的一款浮點DSP芯片，其工作頻率為167MHz，也可同時執行8條指令，運算能力1336MIPS或1GFLOPS。同樣，'C6701也採用類似的工藝，功耗僅有1.9W。而低端產品'C6211(1200MIPS)則突破了DSP業界性能價格比的新記錄，據1998年TI公司的報價，'C6211已達到了$0.021MIPS。至今，C6x的高端產品'C64x以其1056KB的片內SRAM和4800MIPS的運算能力更是在通用DSP芯片市場中佔據領導地位。

'C6x擁有大容量的片內RAM （64KB的數據存儲器的64KB的程序存儲器），並通過32比特的EMIF支持SDRAM， SBSRAM，SRAM以及其它的非同步存儲器。由於對不同類型的存儲器給予了不同的支持，故可以達到最佳的系統性能。此外'C6x還提供了多通道的DMA操作，用以相對CPU進行後台的數據存取，DMA的輔助通道還提供了對主機端口界面(HPI)的支持，主機可以通過HPI異步地訪問'C6x內外存儲器及外圍設備。'C6x還為通信提供兩個多通道、多緩衝的串行口。此外，'C6x也和一般的DSP一樣具備較完善的中斷處理機制、定時器結構，並可以以不同的

從我國引進數字信號處理器(DSP)以來，信號處理各領域的開發和應用都取得了很大成果。DSP的應用己向計算機、通訊及數字視、音頻技術的各個方面深入發展。雖然DSP的芯片系列很多，其指令系統互有差異，但它們的主要特點卻是相似的，如運算速度快、芯片功能強、所需外圍器件少。然而，它們也都存在開發及編程比單片機較為複雜的問題。因此，雖然它功能強大，但要大規模普及和進入傳統單片機所佔據的工業和消費領域還須有一個普及推廣階段。

自1985年第一片數字信號處理器TMS320C10問世以米，DSP發展人致經歷了二個階段，也形成了DSP產品的三個檔次：第一階段是以TMS320C10/C2x為代表的16bit定點DSP。後來又有了新的型號，如：ADSP21xx—TMS320C25/C5x/Cxx/C54x等型號；第一階段推山32bit浮點DSP，代表型號：ADSP21020—TMS320C3x。最近幾年則推出了並行DSP和超高性能DSP。如ADSP2106x—ADSP21160一TMS320C4X—TMS320C67X。

不同的DSP的應用場合也不同。早期的DSP都是定點的，它的成本比較低可以低可以勝任大部分數字信號處理，但是住某些場合，如雷達一盧納信號處理中，數據的動態範圍很人，按定點處理會發生數據溢山或者下溢出，嚴重時候處理無法進行。浮點DSP的出現解決了這個問題，它拓展了數據的動態範闈，32bit浮點數的動態範圍為1536dB，此外浮點DSP只備更大的訪問空間，高級語言的編澤器也主要面向浮點DSP，如ADSP2106x的C編譯器，直接把C程序編譯以後放到DSP上去運行，簡化了編寫程序的過程 ^[2]  。