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浅谈DSP及其应用

数字信号处理(Digital Signal Processing , 简称DSP) 是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。二十世纪六十年代以来, 随着计算机和信息技术的飞速发展, 数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在过去的二十多年时间里, 数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过来, 数字信号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提高。而数字信号处理的实现则是理论和应用之间的桥梁。近来新兴的一些学科,如人工智能、模式识别、神经网络等, 都与数字信号处理密不可分。可以说, 数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础, 同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。

在学习信号处理与DSP应用课程的基础上，结合所学知识和课后查找资料，主要整理了DSP芯片的基本结构和特点、DSP系统的应用，并进行DSP芯片与单片机、ARM比较方面的内容。

一、DSP芯片的基本结构和特点

为了快速地实现数字信号处理运算，DSP芯片一般都采用特殊的软硬件结构。以TMS320系列为例，其基本结构包括：（1）哈佛结构；（2）流水线操作；（3）专用的硬件乘法器；（4）特殊的DSP指令；（5）快速的指令周期。这些特点使得TMS320系列DSP芯片可以实现快速的DSP运算，并使大部分运算（例如乘法）能够在一个指令周期内完成。由于TMS320系列DSP芯片是软件可编程器件，因此具有通用微处理器具有的方便灵活的特点。

（一）采用哈佛结构

1.冯·诺伊曼（Von Neuman）结构

该结构采用单存储空间，即程序指令和数据共用一个存储空间，使用单一的地址和数据总线，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行。当进行高速运算时，不但不能同时进行取指令和取操作数，而且还会造成数据传输通道的瓶颈现象，其工作速度较慢。其结构图如图1所示

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图1冯·诺伊曼（Von Neuman）结构

2.哈佛（Harvard）结构

该结构采用双存储空间，程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的程序总线和数据总线，可独立编址和独立访问，可对程序和数据进行独立传输，使取指令操作、指令执行操作、数据吞吐并行完成，大大地提高了数据处理能力和指令的执行速度，非常适合于实时的数字信号处理。与冯·诺伊曼结构处理器比较，哈佛结构处理器有两个明显的特点：

（1）使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存。

（2）使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总线之间毫无关联。

微处理器的哈佛结构如图2所示。

图2哈佛（Harvard）结构

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3.改进型的哈佛结构

改进型的哈佛结构是采用双存储空间和数条总线，即一条程序总线和多条数据总线。其特点如下：

（1）使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存，以便实现并行处理。

（2）具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用公用地址总线访问两个存储模块（程序存储模块和数据存储模块），公用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输。

（3）两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。 （二）流水线技术

DSP处理器流水线技术是将各指令的各个步骤重叠起来执行，而不是一条指令执行完成之后，才开始执行下一条指令。每条指令可通过片内多功能单元完成取指、译码、取操作数和执行等多个步骤，实现多条指令的并行执行，从而在不提高系统时钟频率的条件下减少每条指令的执行时间。其过程如图3所示

图3四级流水线操作

（三）配有专用的硬件乘法-累加器

DSP内部一般包括多个处理单元，如算术逻辑运算单元(ALU)、辅助寄存器运算单元(ARAU)、累加器(ACC)及硬件乘法器(MUL)等。它们可以在一个指令周期内同时进行运算。 为了适应数字信号处理的需要，当前的DSP芯片都配有专用的硬件乘法-累加器，可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作，从而可实现数据的乘法-累加操作。

（四）具有特殊的DSP指令 精品文档