DSP是什么

Digital Signal Processing 數字信號處理

 
 
 作為一個(gè)案例研究，我們來(lái)考慮數字領(lǐng)域里最通常的功能：濾波。簡(jiǎn)單地說(shuō)，濾波就是對信號進(jìn)行處理，以改善其特性。例如，濾波可以從信號里清除噪聲或靜電干擾，從而改善其信噪比。為什么要用微處理器，而不是模擬器件來(lái)對信號做濾波呢？我們來(lái)看看其優(yōu)越性： 

模擬濾波器（或者更一般地說(shuō)，模擬電路）的性能要取決于溫度等環(huán)境因素。而數字濾波器則基本上不受環(huán)境的影響。 
數字濾波易于在非常小的寬容度內進(jìn)行復制，因為其性能并不取決于性能已偏離正常值的器件的組合。 
一個(gè)模擬濾波器一旦制造出來(lái)，其特性（例如通帶頻率范圍）是不容易改變的。使用微處理器來(lái)實(shí)現數字濾波器，就可以通過(guò)對其重新編程來(lái)改變?yōu)V波的特性。

  
                               信號處理方式的比較
 
比較因素          模擬方式                             數字方式
 
修改設計的靈活性  修改硬件設計，或調整硬件參數         改變軟件設置
 
精度              元器件精度                           A/D的位數和計算機字長(cháng)，算法
 
可靠性和可重復性  受環(huán)境溫度、濕度、噪聲、             不受這些因素的影響

                  電磁場(chǎng)等的干擾和影響大 
  
 
大規模集成      盡管已有一些模擬集成電路，但品        DSP器件體積小、功能強、功耗小、

                種較少、集成度不高、價(jià)格較高         一致性好、使用方便、性能/價(jià)格比高 
   
 
實(shí)時(shí)性          除開(kāi)電路引入的延時(shí)外，處理是實(shí)時(shí)的    由計算機的處理速度決定
 
高頻信號的處理  可以處理包括微波毫米波乃至光波信號    按照奈準則的要求，受S/H、A/D和處

                                                      理速度的限制
 

 
 
Digital Signal Processor 數字信號處理器

 
 
  

微處理器（Microprocessor）的分類(lèi) 
  
1，通用處理器（GPP）
 
采用馮.諾依曼結構，程序和數據的存儲空間合二而一 
8-bit Apple（6502），NEC PC-8000（Z80） 
8086/286/386/486/Pentium/Pentium II/ Pentium III 
PowerPc 64-bit CPU（SUN Sparc，DEC Alpha, HP） 
CISC 復雜指令計算機, RISC 精簡(jiǎn)指令計算機 
采取各種方法提高計算速度，提高時(shí)鐘頻率，高速總線(xiàn)，多級Cashe，協(xié)處理器等 
 
2，Single Chip Computer/ Micro Controller Unit（MCU）
 
除開(kāi)通用CPU所具有的ALU和CU，還有存儲器（RAM/ROM）寄存器，時(shí)鐘，計數器，定時(shí)器，串/并口，有的還有A/D，D/A 
INTEL MCS/48/51/96（98） 
MOTOROLA HCS05/011 
 
3，DSP
 
采用哈佛結構，程序和數據分開(kāi)存儲 
采用一系列措施保證數字信號的處理速度，如對FFT的專(zhuān)門(mén)優(yōu)化 
 

 

                                MCU與DSP的簡(jiǎn)單比較
 
 
                            MCU                            DSP 
  
                    低檔            高檔            低檔         高檔
 
指令周期(ns)         600            40               50            5
 
乘加時(shí)間(ns)         1900           80               50            5
 
US$/MIPS             1.5            0.5             0.15          0.1
 

 
 
DSP處理器與通用處理器的比較

 
 
 考慮一個(gè)數字信號處理的實(shí)例，比如有限沖擊響應濾波器（FIR）。用數學(xué)語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，FIR濾波器是做一系列的點(diǎn)積。取一個(gè)輸入量和一個(gè)序數向量，在系數和輸入樣本的滑動(dòng)窗口間作乘法，然后將所有的乘積加起來(lái)，形成一個(gè)輸出樣本。

類(lèi)似的運算在數字信號處理過(guò)程中大量地重復發(fā)生，使得為此設計的器件必須提供專(zhuān)門(mén)的支持，促成了了DSP器件與通用處理器（GPP）的分流：

1 對密集的乘法運算的支持

GPP不是設計來(lái)做密集乘法任務(wù)的，即使是一些現代的GPP，也要求多個(gè)指令周期來(lái)做一次乘法。而DSP處理器使用專(zhuān)門(mén)的硬件來(lái)實(shí)現單周期乘法。DSP處理器還增加了累加器寄存器來(lái)處理多個(gè)乘積的和。累加器寄存器通常比其他寄存器寬，增加稱(chēng)為結果bits的額外bits來(lái)避免溢出。
同時(shí)，為了充分體現專(zhuān)門(mén)的乘法-累加硬件的好處，幾乎所有的DSP的指令集都包含有顯式的MAC指令。

2 存儲器結構

傳統上，GPP使用馮.諾依曼存儲器結構。這種結構中，只有一個(gè)存儲器空間通過(guò)一組總線(xiàn)（一個(gè)地址總線(xiàn)和一個(gè)數據總線(xiàn)）連接到處理器核。通常，做一次乘法會(huì )發(fā)生4次存儲器訪(fǎng)問(wèn)，用掉至少四個(gè)指令周期。

大多數DSP采用了哈佛結構，將存儲器空間劃分成兩個(gè)，分別存儲程序和數據。它們有兩組總線(xiàn)連接到處理器核，允許同時(shí)對它們進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。這種安排將處理器存貯器的帶寬加倍，更重要的是同時(shí)為處理器核提供數據與指令。在這種布局下，DSP得以實(shí)現單周期的MAC指令。

還有一個(gè)問(wèn)題，即現在典型的高性能GPP實(shí)際上已包含兩個(gè)片內高速緩存，一個(gè)是數據，一個(gè)是指令，它們直接連接到處理器核，以加快運行時(shí)的訪(fǎng)問(wèn)速度。從物理上說(shuō)，這種片內的雙存儲器和總線(xiàn)的結構幾乎與哈佛結構的一樣了。然而從邏輯上說(shuō)，兩者還是有重要的區別。

GPP使用控制邏輯來(lái)決定哪些數據和指令字存儲在片內的高速緩存里，其程序員并不加以指定（也可能根本不知道）。與此相反，DSP使用多個(gè)片內存儲器和多組總線(xiàn)來(lái)保證每個(gè)指令周期內存儲器的多次訪(fǎng)問(wèn)。在使用DSP時(shí)，程序員要明確地控制哪些數據和指令要存儲在片內存儲器中。程序員在寫(xiě)程序時(shí)，必須保證處理器能夠有效地使用其雙總線(xiàn)。

此外，DSP處理器幾乎都不具備數據高速緩存。這是因為DSP的典型數據是數據流。也就是說(shuō)，DSP處理器對每個(gè)數據樣本做計算后，就丟棄了，幾乎不再重復使用。

3 零開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)

如果了解到DSP算法的一個(gè)共同的特點(diǎn)，即大多數的處理時(shí)間是花在執行較小的循環(huán)上，也就容易理解，為什么大多數的DSP都有專(zhuān)門(mén)的硬件，用于零開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)。所謂零開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)是指處理器在執行循環(huán)時(shí)，不用花時(shí)間去檢查循環(huán)計數器的值、條件轉移到循環(huán)的頂部、將循環(huán)計數器減1。

與此相反，GPP的循環(huán)使用軟件來(lái)實(shí)現。某些高性能的GPP使用轉移預報硬件，幾乎達到與硬件支持的零開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)同樣的效果。

4 定點(diǎn)計算

大多數DSP使用定點(diǎn)計算，而不是使用浮點(diǎn)。雖然DSP的應用必須十分注意數字的精確，用浮點(diǎn)來(lái)做應該容易的多，但是對DSP來(lái)說(shuō)，廉價(jià)也是非常重要的。定點(diǎn)機器比起相應的浮點(diǎn)機器來(lái)要便宜（而且更快）。為了不使用浮點(diǎn)機器而又保證數字的準確，DSP處理器在指令集和硬件方面都支持飽和計算、舍入和移位。

5 專(zhuān)門(mén)的尋址方式

DSP處理器往往都支持專(zhuān)門(mén)的尋址模式，它們對通常的信號處理操作和算法是很有用的。例如，模塊（循環(huán)）尋址（對實(shí)現數字濾波器延時(shí)線(xiàn)很有用）、位倒序尋址（對FFT很有用）。這些非常專(zhuān)門(mén)的尋址模式在GPP中是不常使用的，只有用軟件來(lái)實(shí)現。

6 執行時(shí)間的預測

大多數的DSP應用（如蜂窩電話(huà)和調制解調器）都是嚴格的實(shí)時(shí)應用，所有的處理必須在指定的時(shí)間內完成。這就要求程序員準確地確定每個(gè)樣本需要多少處理時(shí)間，或者，至少要知道，在最壞的情況下，需要多少時(shí)間。

如果打算用低成本的GPP去完成實(shí)時(shí)信號處理的任務(wù)，執行時(shí)間的預測大概不會(huì )成為什么問(wèn)題，應為低成本GPP具有相對直接的結構，比較容易預測執行時(shí)間。然而，大多數實(shí)時(shí)DSP應用所要求的處理能力是低成本GPP所不能提供的。

這時(shí)候，DSP對高性能GPP的優(yōu)勢在于，即便是使用了高速緩存的DSP，哪些指令會(huì )放進(jìn)去也是由程序員（而不是處理器）來(lái)決定的，因此很容易判斷指令是從高速緩存還是從存儲器中讀取。DSP一般不使用動(dòng)態(tài)特性，如轉移預測和推理執行等。因此，由一段給定的代碼來(lái)預測所要求的執行時(shí)間是完全直截了當的。從而使程序員得以確定芯片的性能限制。

7 定點(diǎn)DSP指令集

定點(diǎn)DSP指令集是按兩個(gè)目標來(lái)設計的：