关 键 词：

毕业设计

资源描述：

DZ248电阻炉温度的控制,毕业设计

内容简介：

数字信号处理器 过去的五年，数字信号处理（ DSP）产品的数量和种类都发生了很大变化。在消费者群体、通讯、医疗以及工业产品中， DSP 已经成为重要的组成部分。从传统微处理器的使用到可编程门序列（ FPGAS），再到制成集成电路（ ICs），那些工业产品使用各种各样的硬件工具来实现 DSP。可编程“ DSP 处理器”是一类为 DSP 制作的微处理器，由于以下几个原因受到消费者的欢迎。 DSP 处理器可以重新编程写入，允许产品的升级和定型。同时， DSP 处理器比制作 ICs 硬件成本效率好（及风险小），尤其对低容量的应用，制作 ICs 的 研发费用可能很昂贵。与其他类型微处理器相比， DSP 处理器常常就速度、价格以及能量效益方面有优势。 在这篇文章中，我们描述了 DSP 处理器从早期的结构到当前最先进设备的发展过程。我们关注这些结构，并比较它们的优缺点。最后，我们讨论这类快速发展的，已经被改善来满足 DSP 应用需求的通用处理器。 DSP 算法塑造了 DSP 的结构 从一开始， DSP 处理器的结构就已经被 DSP 算法决定了。对于在 DSP 处理器中发现的每一个特征，都能和 DSP 算法联系上，它的计算被这个特征以某种形式简化了。因此，或许理解 DSP 结构发展的最好方法 是：查看典型 DSP 算法以及识别它们如何使计算的需求影响了 DSP 处理器的结构。作为一个个案研究，我们应当考虑最普遍的信号处理任务之一，有限脉冲响应（ FIR）滤波器。 快速乘法器 FIR 滤波器的算术表达式为 X b,此处 X 是输入数据矢量， b 是滤波器系数矢量。对于滤波器的每次敲击，数据采样被一个滤波器系数相乘，然后结果加到一个所有敲击的连续和上（作为 DSP 概念和滤波器理论的介绍，看 2）。因此，FIR 滤波器算法的主要组成是一个点积：乘法与加法，乘法与加法。这些操作和FIR 滤波器算法相比没什么特别；事实上，乘 法（常常由乘积的累加和组成）是信号处理中最普遍的操作之一。多次乘法，无限脉冲响应（ IIR）滤波以及傅立叶变换都与乘法累加器操作有很大关系。起初，微处理器通过一系列移位，加法操作来执行乘法，每次都要花费一个或者更多时钟周期。然而， 1982 年，德州仪器公司（ TI）成功地推出了最早的商业“ DSP 处理器” TMS32010。它包含专门的硬件，能在一个单时钟周期内完成乘法运算。正如许多人想到的，在许多 DSP 算法中，快速的乘法硬件决定了快速的性能。针对这个原因，所有当代DSP 处理器至少包含一个专用的单周期乘法器或者组 成乘法累加器（ MAC）单元 1。 乘法执行单元 与其他类型的计算任务比， DSP 的运用有很高的计算需求。因为它们通常必须执行 DSP 算法，（例如 FIR 滤波），实时对以 10 100KHZ 或更高频率的采nts样信号段进行处理。所以， DSP 处理器常常包含几个独立的，有能力平行操作的执行单元，如额外的 MAC 单元。 DSP 处理器还含有一个算术逻辑单元（ ALU）和一个移位器。 有效的存储器存取 在每个时钟周期，执行一次 MAC 操作需要不止一个单周期 MAC 单元，还需要在单周期内从存储器中取 MAC 指令，数据和一个滤波器系数。 因此，良好的 DSP 性能需要高的存储带宽，比二十世纪八十年代早期的通用微处理器的还高。那时典型的微处理器由一条单总线连接存储器，并且每个时钟周期只能通过一种，或是数据或是指令。为了满足存储器带宽增加的需求，早期 DSP 微处理器研发不同的存储器结构，这些存储器结构可以支持每个周期多个存储器存取。最普遍的方法（现在仍然广泛使用）是使用两个或更多独立的存储器空间，每个存储器空间被各自的总线连接着，在每个时钟周期中能被读、写。通常，指令存储在一个存储单元中，然而数据（或者数据和指令的组合）储存在另一个存储单元中。在这样 的安排下，处理器可以在每个周期并行取指令取数据。图（ 1）显示了早期通用处理器和 DSP 处理器在存储器结构上的差别。因为许多 DSP 算法（如 FIR 滤波器），每条指令要花费两个数据访问周期（如一个数据和一个系数）。通常使用的更完美形式是在被用来作指令缓存区的处理器核附近有一个小的RAM 空间。当一组指令被反复执行时（也就是循环执行），缓存区内载满这些指令，释放指令总线去取数据而不是指令，因此，能够使处理器在一个单周期内执行一次 MAC。 高存储器带宽的要求常常由计算存储器地址的专用硬件支持。这些地址产生单元和 DSP 处理 器的主要执行单元并行操作，使它能够在存储器的一个新地址单元存取数据（如取一个系数矢量）而不用暂停计算新地址。 DSP 算法中的存储器存取易于展示可预测的模式。例如，对于 FIR 滤波器的每次采样，从开始到结束，滤波器系数按顺序被存取，然后当处理下一个输入样品时，从系数矢量的起点开始存取。与其他类型计算任务相比，如数据单元处理，此时存储器存取是不易预测的，在 DSP 算法中广泛采用这种可预测性。 DSP处理器地址产生单元通过支持专门的地址模式，使处理器有效地存取数据。最普遍的模式是带有偏移量的寄存器间接寻址，应用它，使存 储器中按顺序存储的一系列数据进行反复运算的算法自动增加地址指针。如果没有这一特征，编程人员将要详细地用指令来完成地址指针的增加。许多 DSP 处理器也支持“循环寻址”。它允许处理器按顺序取数据块，然后自动回到初始地址。确切地说，这种模式过去常常存取 FIR 滤波器系数。循环寻址对增加起点和终止点指针的缓冲器很有用，广泛应用在 I/O 口和 FIR 滤波器的延迟线上。 总线 总线 总线 图（ 1）早期通用处理器与早期 DSP 处理器存储器结构上的不同 程序 /数据存储器 通用处理器核 数据存储器 DSP处理器核 程序存储器 nts 数据形式 大多数 DSP 处理器使用定点数据 类型，取代了广泛应用于科学实践中的浮点形式。在定点数据形式中，二进制定点数（与以 10 为基数的十进制定点数类似）在数据字页中有确定的位置来存放。和浮点数形式相比，浮点数用指数和假数来表示，二进制浮点数取决于指数的值。浮点数形式允许表示更大范围的数值，而实际上是解决了大多数情况数字溢出的危险。 DSP 应用的重中之重是数据的精确度（避免溢出）。假如用浮点数，数据的精确度相当容易保持。可能很奇怪：大多数 DSP 处理器却使用定点形式。然而，在许多应用场合， DSP 处理器面临着另外一些限制：它们必须价格低廉，且提供良好的能量 效益。定点处理器和浮点处理器在相同速度的情况下，前者比后者价格低，低功耗。因为浮点形式需要更复杂的硬件来实现。由于这些原因，所以很少生产浮点 DSP 处理器。 价格的灵敏性和能量的消耗也影响 DSP 处理器使用的数据字页宽度。 DSP处理器易于使用最少的数据字页，这些字页会在它们的目标操作中提供足够的精确度。大多数定点 DSP 处理器用 16 位数据字页，因为这个数据字页宽度足够许多 DSP 产品。一些定点 DSP 处理器用 20， 24 或者甚至 32 位，使在应用中得到更好的精确度，这种精确度用 16 位数据很难较好实现，例如高精度声音处理。 当使用定点数据时，为确保足够的信号质量， DSP 处理器特别包含了专业的硬件，经过一系列计算有助于编程人员保持数据的精确度。例如，绝大多数 DSP处理器包含一个或更多的“累加器”寄存器，以保存几个乘积相加的结果。累加器寄存器明显比其他寄存器大，且常常提供额外的位，被称作“警戒位”，以扩大所能表示数据的范围，从而避免数据的溢出。另外， DSP 处理器通常支持饱和算术，循环以及移位，所有这些对保持数据精确度很有用。 零上循环 DSP 算法特别要花费大半处理时间在相对小的反复执行的软件部分。也就是说，循环。所以，绝大多 数 DSP 处理器提供专门的硬件来支持有效循环。通常，一条专门的循环指令或一条重复指令被提供，它允许编程人员执行一个走下一步的循环，而不是花费一些时钟周期来更新与测试循环计数器或者分枝是否回到循环顶部。这个特征通常被称为“零上循环”。 流线型的 I/O 口 最后，为了产生低成本，高性能的输入输出端口，绝大多数 DSP 处理器包含一个或更多个专门的串行并行 I/O 接口和流线型 I/O 口来处理程序，以允许数据在处理器计算单元少之又少的干扰下转移前行。例如：低级中断和直接存储器存取（ DMA）。 专门指令集合 DSP 处理器 指令集合传统上有两个设计目的： 1）为了最大限度使用处理器的下方硬件，因而提高了效率； 2）为了最小程度减小存放 DSP 程序所需要的存nts储器空间数量。因为 DSP 产品通常价格灵敏，存储器价格大量分配到总片或系统价格上。为了完成第一个目的，传统的 DSP 处理器指令集合一般允许编程人员在一个单指令中，明确规定几个并行操作。随着主要算术的操作，传统 DSP处理器特别包含了一个或两个从存储器并行取数据指令（随着地址指针更新）。由于第二个目的，限制了哪些操作下使用哪些寄存器，哪些操作可以合成一条指令，所以指令才会保持简短（因而占用 较少的程序存储器）。为了进一步减少编码指令所需要位的数目， DSP 处理器通常比其他类型处理器少几个寄存器，同时可以使用状态位来控制处理器操作的一些特征（例如，循环饱和运算），而不是给信息编码作为指令的一部分。这些特征总的结果是传统 DSP 处理器往往有高专业化，复杂化，不规律的指令集合，这是一个重要缺点。因为它使创造成效的汇编语言软件任务复杂化，无论使用者是编程人员还是编译者。为什么这是重要的呢？ 为 PC 处理器写软件的编程人员，如 pentiums 或者 powerpcs，特别没必要担心那些关于处理器指令集合使用的轻松 程度。因为他们一般用高级语言开发程序，如 C 语言或 C+。生活对 DSP 处理器编程人员来说就不是那么简单的，因为高容量的 DSP 产品，不像其他类型产品一样可以用汇编语言写出来（或者是至少带几分的乐观）。 为什么 DSP 通常不是用高级语言编程的？这有两个主要原因。第一，广泛应用的高级语言，如 C 语言，不适合表达特别的 DSP 算法；第二，传统