DSP基本体系结构和特点

一、数字信号处理的优越性

　　目前，数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)已经成为信号处理技术的主流。因为与早期的模拟信号相比，数字信号处理有着巨大的优势。早期的模拟信号处理主要通过运算放大电路进行不同的电阻组配实现算术运算，通过电阻、电容的组配实现滤波处理等，其中有一个很明显的问题是不灵活、不稳定，参数修改困难，需要采用多种阻值、容值的电阻、电容，并通过电子开关选通才能修改处理参数；而且对周围环境变化的敏感性强，温度、电路噪声等都会造成处理结果的改变。

　　而数字信号处理可以通过软件修改处理参数，因此具有很大的灵活性。由于数字电路采用厂二值逻辑，只要环境温度、电路噪声的变化不造成电路逻辑的翻转，数字电路都可以不受影响地完成工作，因此具有很好的稳定性。
　　具体来说，DSP在以下一些方面表现出它的优越性：

　　首先，DSP芯片采用改进的哈佛结构（Havard structure）。其主要特点是程序和数据具有独立的存储空间，有着各自独立的程序总线和数据总线，由于可以同时对数据和程序进行寻址，大大地提高了数据处理能力，非常适合于实时的数字信号处理。TI公司的DSP芯片结构是基本哈佛结构的改进类型。改进之处是在数据总线和程序总线之间进行局部的交叉连接。这一改进允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性。只要调度好两个独立的总线就可使处理能力达到最高，以实现全速运行。改进的哈佛结构还可使指令存储在高速缓存器中(Cache)，省去了从存储器中读取指令的时间，大大提高了运行速度。

　　其次，DSP指令系统是流水线操作。在流水线操作中，一个任务被分解为若干个子任务，各个任务可以在执行时相互重叠。DSP指令系统的流水线操作是与哈佛结构相配合的，增加了处理器的处理能力，把指令周期减小到最小值，同时也就增加了信号处理器的吞吐量。以TI公司的TMS320系列产品为例，第一代TMS320处理器(例如TMS320C10)采用了二级流水线操作；第二代产品(例如TMS320C25)采用了三级流水线操作；第三代DSP芯片(例如TMS320C30)采用了四级流水线操作。在流水线操作中，DSP处理器可以同时并行处理2～4条指令，每条指令处于其执行过程中的不同状态。

　　第三，采用专用的硬件乘法器。在一般的计算机上，算术逻辑单元(ALU)只能完成两个操作数的加、减及逻辑运算，而乘法(或除法)则由加法和移位来实现。因此，在这样的计算机的汇编语言中虽然有乘法指令，但在机器内部，实际上还是由加法和移位来实现的，因此它们实现乘法运算就比较慢。与一般的计算机不同的是，DSP都有硬件乘法器，使乘法运算可以在一个指令周期内完成。如在TMS320C3x系列DSP芯片中，有一个硬件乘法器，在TMS320C6000系列中则有两个硬件乘法器。

　　第四，特殊的DSP指令。DSP芯片的另一个重要特征是有一套专门为数字信号处理而设计的指令系统。

　　第五，快速的指令周期。CMOS技术、先进的工艺、集成电路的优化设计及工作电压的下降由(5V到3.3V，再到1.5V)，使得DSP芯片的主频不断提高。目前TI公司的TMS320C6000系列及TMS320C5000系列的芯片的最高工作主频已经达到200MHz，指令周期已经降到了5ns。可以预见，随着微电子技术的发展，工作频率还将继续提高，指令周期将进一步缩短。

　　第六，良好的多机并行运行特性。在一定的技术条件下，DSP芯片的单机处理能力是有限的，系统的数据处理容量还是经常会超出单个DSP的处理能力。随着数字信号处理器DSP芯片的广泛使用和DSP芯片价格的不断降低，多个DSP芯片的并行处理已经成为近年来的研究热点，并逐渐在应用中崭露头角。多机并行类似于高性能的MPU巨型机。TI公司的TMS320C4x系列还提供了专门用于多个DSP并行运行的硬件通信接口。

　　第七，大电流。高速信号处理芯片全速运行时电流经常在1 A以上。

　　第八，低电压。为在大电流下减少系统功耗，系统的工作电压从标准的5V降到3.3V，2.5V，1.8V，甚至0.9 V。

　　第九，高度集成。芯片的集成度在数十到数百万门量级。

　　第十，为提高运行速度而采用多种并行的体系结构。

　　由于DSP的优越性，它自20世纪60年代以来，迅速得到广泛的应用。DSP应用几乎遍及整个电子领域，典型应用有通信、语音处理、图形／图像处理、自动控制、仪器仪表及医学电子等。随着人们对实时信号处理要求的不断提高和大规模集成电路技术的迅速发展，DSP的黄金时代正在来临。