DSP技术应用现状以与发展趋势精

1、.word 可编辑 . DSP技术应用现状以及发展趋势 一、数字信号处理结构 。 实时数字信号处理系统 ：采集系统 +DSP 芯片 非实时系统 ： pc 机上进行处理系统的模拟与仿真或仿真库 +DSP 芯片 。 1 DSP、MCU 、MPU 的关系 微控制器 MCU 通俗的称呼是单片机 ，它与微处理器 MPU 是微机技术的两大分 支。MPU 的发展动力是人类对无止境的海量数值运算的需求 ，速度越来越快 。 MCU 的发展是为了满足被控制对象的要求 ，向高可靠性 、低功耗 、低成本发 展。一般 MCU 的引脚数在 60 以下，MCU 以 8 位机为主、32位机为辅 。有趋势 提高 MCU 的运算

2、功能 ，将DSP集成到 MCU 中，比如 32位的 MC68356 集成了 Motorola 的 DSP56002 。 微控制器 MCU 一直存在两种基本结构 ：哈佛(Harvard) 结构和冯诺依曼 (von Meumann) 结构 ，还可进一步讲是对应成复杂指令集计算机 CISC和精简指 令计算机 RISC。冯诺伊曼结构具有单一总线 PRAM 或 DRAM 都映射到同一地址 空间，总线宽度与 CPU类型匹配 。哈佛结构具有独立的程序总线和数据总线 ， CISC的指令一般是微码 miccode ，每条指令由 CPU 解码为许多基本指令 ，基于 CISC 的微控制器一般很复杂 ，都采用冯诺伊曼

3、结构 ，所需要的程序存储器比 RISC产品少。微码在 CPU产生而限制了 CISC器件的带宽 ，其指令集也比 RISC 器件大。 68000 的 MPU 是准 32 位的 MPU，内部 32 位，外部总线是 16 位。苹果机就是 用 68000 系列 ，它的运行分成系统态和用户态 ，其设计是面向分时多任务或实时 操作系统的，68000 的总线后来变成 VME总线标准。到68020 就是全 32 位 了。 1991 年 IEEE1149.1即 JTAG的公布满足了 IC 制造商的措施需求 ，也给 ASIC、MCU、MPU 、DSP、PLD、FPGA等的用户带来方便 。一般十万门以上的 IC都有

4、JTAG接口，1993 年IEEE1149.5对 JTAG作了修正(5线接口)。IC的测试 分成晶片级 、IC 封装级 、电路板与系统极 ，JTAG完成了前两者的测试 。适于 68000 系列的 32 位机的开发工具 ICD32 是一段扁平电缆 ，一端接 IC 的 JTAG的 5 线接口，一端通过 25芯头(里面有 GAL)接 PC机并口。传统上，微控制器 MCU 与微处理器 MPU 是两大分支，而DSP是MCU 的一种特殊变形 。但是从实质 讲，MPU 多半是 CISC，除了 DSP之外的 MCU 也是 CISC。而 DSP是 RISC。所 以比较时更适合 DSP与 MPU 相比，MPU 适

5、宜于相同管理这样的应用中 ，以条 专业 .专注 .word 可编辑 . 件判断为主的应用 ，以软件管理的操作系统为核心的产品 ， MPU 的设计侧重于 不妨碍程序的 流程， 以保证操作系统支持功能及转移预测功能等 。而 DSP 侧重于保证数据的顺 利 通行 ，结构尽量简单 。 2 冯诺依曼结构和哈佛结构 1945 年，冯诺依曼首先提出了 “存储程序 ”的概念和二进制原理 ，后来，人们把 利用这种概念和原理设计的电子计算机系统统称为 “冯.诺曼型结构 ”计算机 。冯.诺 曼结构的处理器使用同一个存储器 ， 经由同一个总线传输 。 冯.诺曼结构处理器具有以下几个特点 ： 必须有一个存储器 ； 必须

6、有一个控制器 ； 必须有一个运算器 ，用于完成算术运算和逻辑运算 ； 必须有输入和输出设备 ，用于进行人机通信 。 另外，程序和数据统一存储并在程序控制下自动工作 冯诺依曼的主要贡献就是提出并实现了 “存储程序 ”的概念。由于指令和数据都是 二进制码 ，指令和操作数的地址又密切相关 ，因此 ，当初选择这种结构是自然 的。但是 ，这种指令和数据共享同一总线的结构 ，使得信息流的传输成为限制计 算机性能的瓶颈 ，影响了数据处理速度的提高 。 在典型情况下 ，完成一条指令需要 3 个步骤，即：取指令、指令译码和执行指 令。从指令流的定时关系也可看出冯 诺依曼结构与哈佛结构处理方式的差别 。举 一个最

7、简单的对存储器进行读写操作的指令 ，指令 1 至指令 3 均为存、取数指 令，对冯 .诺曼结构处理器 ，由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取 ，经 由同一总线传输 ，因而它们无法重叠执行 ，只有一个完成后再进行下一个 。 哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构 。中央处理器首先 到程序指令存储器中读取程序指令内容 ，解码後得到数据地址 ，再到相应的数据 存储器中读取数据 ，并进行下一步的操作 （通常是执行 ）。 程序指令存储和数据 存储分开 ，可以使指令和数据有不同的数据宽度 ， 如 Microchip 公司的 PIC16 芯 片的程序指令是 14 位宽度，而数据是 8

8、位宽度。 哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率 。其程序指令和数据指令分开组织 和存储的 ，执行时可以预先读取下一条指令 。 专业 .专注 .word 可编辑 . 目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多 ，除了上面提到的 Microchip 公司的 PIC系列芯片 ，还有摩托罗拉公司的 MC68 系列、Zilog 公司的 Z8 系列、 ATMEL公司的 AVR系列和安谋公司的 ARM9 、ARM10 和 ARM11 。 哈佛结构是指程序和数据空间独立的体系结构 , 目的是为了减轻程序运行时的访 存瓶颈. 例如最常见的卷积运算中 , 一条指令同时取两个操作数 , 在流水线处理时 , 同

9、时还 有一个取指操作 , 如果程序和数据通过一条总线访问 , 取指和取数必会产生冲突 , 而这对大运算量的循环的执行效率是很不利的 . 哈佛结构能基本上解决取指和取数的冲突问题 . 而对另一个操作数的访问 , 就只能采用 Enhanced 哈佛结构了 , 例如像 TI 那样 ,数 据区再 split, 并多一组总线 . 或向 AD 那样 , 采用指令 cache, 指令区可存放一部分 二、DSP应用方向，其他cpu和控制器融合趋势 、发展方向 DSP技术在各领域 的创新应用 2.1 通信领域的应用 近年来 ，随着通信技术的飞速发展 ， DSP已经成为信号与信息处理领域里一门十 分重要的新兴学科

10、 ，它代表着当今无线系统的主流发展方向 。现在 ，通信领域中 许多产品都与 DSP密切联系 ，例如，Modem 、数据加密 、扩频通信 、可视电话 等。而寻找 DSP 芯片来实现算法最开始的目标是在可以接受的时间内对算法做仿 真，随后是将波形存储起来 ，然后再加以处理 。图 1 所示，给出了一个典型的 DSP应用系统 。数字蜂窝电话是 DSP最为重要的应用领域 。因 DSP具有强大的 计算能力 ，使得移动通信的蜂窝电话重新崛起 ，并创造了一批诸如 GSM、CDMA 等全数字蜂窝电话网 3 。由于采用 DSP 技术，蜂窝电话的更新换代变得更为容 易，只需在统一的硬件平台基础上 ， 通过软件的不断

11、升级生产各式各样的新款手 机。 专业 .专注 .word 可编辑 . 图1 系统方框图 输入信号首先进行带限滤波和抽样 ，然后进行模 /数转换 ，将模拟信号转换成数 字比特流 。根据香农抽样定理 ，为保持信息的不丢失 ，抽样频率至少必须是输入 带限信号最高频率的两倍 。 2.2 仪器仪表领域的应用 DSP 已经涉足测量仪表和测试仪器行业 ，而且大有取代高档单片机的趋势 。使用 DSP开发测量仪表和测试仪器可将产品提升到一个崭新的水平 。新款 DSP丰富 的片内资源可以大大简化仪器仪表的硬件电路 ，实现仪器仪表的 SOC（ System On Chip, 即片上系统 ）设计 。 仪器仪表的测量精

12、度和速度是一项重要的指标 ，使用 DSP 芯片开发产品可使这两 项指标大大提高 。以 TMS320F2810 为例，其高效的 32位CPU内核、优异的 12 位 A/D 转换器 、丰富的片内存储器以及灵活的指令系统为我们开发快速 、高精度 仪器搭建了广阔的平台 。 目前 DSP正处于一个高速发展的时期 ，仪器仪表是 DSP 的一个重要应用领域 ， 相信 DSP 的应用会推进仪器仪表的技术革新 。 2.3 PC 领域中的应用 可编程多媒体 DSP是PC领域的主流产品 。以XDSL Modem 为代表的高速通信 技术与 MPEG 图像技术相结合 ，使得高品位的音频和视频形式的计算机数据有可 能实现

13、实时交换 。预计在今后的 PC机中，一个 DSP 即可完成全部所需的多媒体 的处理功能 。 2.4 全新数码助听器中的应用 由于传统助听器线路功能的局限性 ， 无法满足大部分听障患者的要求 ，这个使命 理所当然的留给了全数码助听器 。在国外 ，助听器的技术正由传统的电子放大电 路逐步被 DSP所取代 。DSP 具有强大的处理功能 ，能让听障患者听到更清晰 的、想要听到的声音 ，去除患者不想听到的声音 ，从而使现代的助听器技术产生 一个质的飞跃 。数字信号处理是全数码助听器的核心部分 。 它为调整输入 /输出 特性和系统的频率响应特性提供很强的灵活性 。 2.5 图形图像技术领域的应用 DVD

14、里应用的活动图像压缩 解压缩用 MPEG2 编码译码器 ，同时也广泛地应 用于视频点播 VOD、高品位有线电视和卫星广播等诸多领域 。在这些领域里 ， 应 用的 DSP应该具备更高的处理速度和功能 。而且 ，活动图像压缩 解压技术也日 专业 .专注 .word 可编辑 . 新月异 ，例如，DCT变换域编码很难提高压缩比与重构图像质量 ，于是出现了对 以视觉感知特性为指导的小波分 析图像压缩方法 。新的算法出现 ，要求相应的高性能 DSP。最近 ，日本各大学和 高技术企业对于开发虚拟现实 VR系统 ，投入相当力量 ，利用现代计算机图像学 CG生成3维图形，迫切需要多个 DSP并行处理系统 。其中

15、，系统里的结点 DSP 单元， 要求采用与并行处理相适应的体系结构 。 2.6 汽车电子系统及其他应用领域 汽车电子系统日益兴旺发达起来 ，诸如装设红外线和毫米波雷达 ，将需用 DSP 进 行分析 。如今，汽车愈来愈多 ，防冲撞系统已成为研究热点 。而且，利用摄像机 拍摄的图像数据需要经过 DSP 处理，才能在驾驶系统里显示出来 ，供驾驶人员参 考。应用 DSP 的领域可以说是不胜枚举 ，电视会议系统里 ，也大量应用 DSP 器 件。视听机器里也都应用 DSP。随着科学技术的发展 ，将会出现许许多多的 DSP 新应用领域 。 3 DSP 技术的发展前景 目前， DSP市场正处于高速成长阶段 ，

16、在数字化 、个人化和网络化的推动下 ， 2009 年世界 DSP市场营业额已超过 800 亿美元，预计未来的年增长率高达 40%，在全球 DSP市场中，仅就美国而言 ，据估计，美国有超过 1亿辆汽车 、几 千万台个人通信装置 、每个家庭中就有 520 个联网的家用电器以及数以百万计 的工厂使用 DSP系统。中国已成为 DSP芯片的最大市场 ，数码相机 、IP电话和 手持电子设备的热销带来了对 DSP 芯片的巨大需求 。尽管 DSP 市场日趋成熟 ， 但仍有成长空间 。互联网和设备个性化是当前信息社会的特征 。互联网是 PC 时 代全球经济新的增长点 ，由于 PC 市场仍未饱和 ，市场潜力巨大

17、，也是 DSP 潜在 的应用领域 。而手机 、PDA、MP3 播放器以及手提电脑等则是设备个性化的典型 代表，这些设备的发展水平取决于 DSP的发展。新的形势下 ， DSP面临的要求 是处理速度更高 ，功能更多更全 ，功耗更低 ，存储器用量更少 。DSP 的技术发展 将会有以下一些走势 ： （1）系统级集成 DSP是潮流。小 DSP芯片尺寸始终是 DSP的技术发展方向 。 当前的 DSP尺寸小、功耗低、性能高。各DSP厂商纷纷采用新工艺 ，改进 DSP 芯核，并将几个 DSP芯核 、MPU 芯核、专用处理单元 、外围电路单元 、存储单 元统统集成在一个芯片上 ，成为 DSP 系统级集成电路 。

18、 专业 .专注 .word 可编辑 . （2）追求更高的运算速度和进一步降低功耗和几何尺寸 4 。由于电子设备的个 人化和客户化趋势 ，DSP 必须追求更高更快的运算速度 ，才能跟上电子设备的更 新步伐 。同时由于 DSP的应用范围已扩大到人们工作生活的各个领域 ，特别是便 携式手持产品对于低功耗和尺寸的要求很高 ，所以 DSP 有待于进一步降低功耗 。 按照 CMOS 的发展趋势 ，依靠新工艺改进芯片结构 ，DSP 运算速度的提高和功 耗尺寸的降低是完全可能的 。 （3）DSP 的内核结构进一步改善 5。DSP 的结构主要是针对应用 ，并根据应用 优化 DSP 设计以极大改进产品的性能 。多

19、通道结构和单指令多重数据 （SIMD ）、超长指令字结构 （VLIM ）、超标量结构 、超流水结构 、多处理、多 线程及可并行扩展的超级哈佛结构 （SHARC）在新的高性能处理器中将占据主导地 位。 （4）DSP嵌入式系统 5 。DSP嵌入式系统是 DSP系统嵌入到应用电子系统中的 一种通用系统 4 。这种系统既具有 DSP器件在数据处理方面的优势 ，又具有应 用目标所需要的技术特征 。在许多嵌入式应用领域 ，既需要在数据处理方面具有 独特优势的 DSP，也需要在智能控制方面技高一筹的微处理器 （MCU）。因此 ，将 DSP与MCU 融合在一起的双核平台 ，将成为 DSP技术发展的一种新潮流

20、。 cpu 和控制器融合趋势 多年以来，尽管 PC在不断发展 ，但基本架构始终未变 。中央处理器被连接到芯 片组上 ，而芯片组上又包含了内存控制器和 I/O 控制器 。随着制造工艺的提升 ， CPU 与芯片组的融合已经成为可能 。但这并不意味着 ，这种趋势短期内将在整个 业内普及 。 英特尔芯片组事业部总经理理查德 马林诺斯基表示 ：“把所有功能融入到一块芯 片中的做法是不可行的 ，因为存在集成问题 。” 威盛 CEO陈文琦称：“单一CPU芯片时代即将到来 ，在未来一两年内 ，威盛将继 续奉行这一路线 。”本月初 ，威盛针对 UMPC 市场，推出了一款体积最小的主板 mobile-ITX ，只

21、有名片般大小 。 威盛 CPU设计人员霍尔特承认 ， CPU与芯片组的融合是威盛所追求的目标 。但 实现这一点 ， 还有一系列问题亟待解决 ，如制造技术和电压等问题 。 三、DSP开发手段 、包括硬件和软件发展 DSP的软件、硬件的开发以及系统的集成 ，日益关注 。如何提高开发速度 、降低 开发难度 ，所有开发者共同关心 。除了必须了解 DSP本身的结构和技术指标外 ， 专业 .专注 .word 可编辑 . 大量的时间和精力花费在熟悉和掌握开发工具和环境上 。系统复杂程度的百分之 八十取决于软件 。所以 ，设计人员都极为看重先进的 、易于使用的开发环境与工 具。DSP 的开发环境如何 ，开发工具的功能是否丰富 ，使用是否方便