数字信号处理器DSP

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数字信号处理器概述

一、数字信号处理器的产生与发展

数字信号处理，或者说对信号的数字处理（包括对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等），是20世纪60年代前后发展起来的并广泛应用于许多领域的新兴学科。进入70年代以来，随着计算机、大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）以及微处理器技术的迅猛发展，数字信号处理无论在理论上还是在工程应用中，都是目前发展在最快的学科之一，并且日趋完善和成熟。

数字信号处理器（DSP芯片）最早是针对数字信号处理，特别是语音、图像信号的各种处理而开发的。它是一款高性能的单片机，和单片机一样是将中央处理单元、控制单元和外围设备集成到一块芯片上。由于这类信号处理的算法复杂，要求DSP必须具有强大快速的运算能力。因此，DSP有别于普通的单片机，它采用了多组总线技术实现并行运行机制，从而极大地提高了运算速度，也提供了非常灵活的指令系统。近年来，各种集成化单片DSP的性能不断得以改进，相应的软件和开发工具日趋完善，价格迅速下降，使得DSP在控制领域的应用越来越广泛。

二、数字信号处理器的结构与特点

为了实现高速数字信号处理以及实时地进行系统控制，DSP芯片一般都采用了不同于通用CPU和MCU的特殊软硬件结构。尽管不同公司的DSP其结构不尽相同，但是在处理器结构、指令系统等方面有许多共同点。通常的DSP芯片都包含以下特点。

1．哈佛结构和改进的哈佛结构

早期的微处理器内部大多采用冯?纽曼结构，其片内程序空间和数据空间共用一个公共的存储空间和单一的地址和数据总线，将指令、数据存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址对指令、数据信息进行区分。

为了进一步提高DSP的处理速度，DSP芯片内部一般采用哈佛机构或改进的哈佛结构。哈佛结构的最大特点是计算机具有独立的数据存储空间和程序存储空间，即将数据和程序分别存储在不同的存储器中，每个存储器单独编址、独立访问。相应地，系统中有独立的数据总线和程序总线，这样就允许CPU同时执行取指令和取数据操作，从而提高了系统运算速度。

2. 流水线技术

计算机在执行一条指令时，总要经过取指令、译码、取操作数、执行操作数等几个步骤，需要若干个机器周期才能完成。DSP芯片广泛采用流水线技术以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力。

流水线操作就是将一条指令的执行分解成多个阶段，在多条指令同时执行过程中，每个指令的执行阶段可以相互重叠进行，流水线技术是以哈佛结构和内部多总线结构为基础的。通常指令重叠数也称为流水线深度，从2级到6级不等。在流水线操作中，取指令、译码、取操作数、执行操作数可以独立进行。

3．多处理单元

DSP内部一般都包括有多个处理单元，如算术逻辑运算单元（ALU）、辅助寄存器运算(ARAU)、累加器（ACC）以及硬件乘法器（MUL）等。它们可以在一个指令周期内同时进行运算。例如，当执行一次乘法累加的同时，辅助寄存器单元已经完成了下一个地址的寻址工作，为下一次乘法和累加运算做好了充分的准备。因此，DSP在进行连续的乘法运算时，每一次乘加运算都是单周期的。DSP的这种多处理单元结构，特别适用于FIR和IIR滤波器。此外，许多DSP的多处理单元结构还可以将一些特殊的算法，例如FFT的位码倒置寻址和取模运算等，在芯片内部用硬件实现以提高运行速度。

4．特殊的DSP指令

在DSP中通常设有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持，快速的中断处理和硬件I/O支持，并且有在单周期内操作的多个硬件地址发生器。由于具有特殊的硬件支持，为了更好的满足数字信号处理应用的需要，在DSP的指令系统中设计了一些特殊的DSP指令，以充分发挥DSP算法及各系列芯片的特殊设计功能。这些指令大多是多功能指令，即一条指令可以完成几种不同的操作，或者说一条指令具有几条指令的功能。例如，TMS320C25中的MACD（乘法、累加和数据移动）指令，具有执行LT、DMOV、MPY和APAC等4条指令的功能。

5．指令周期短

早期的DSP的指令周期约400ns，采用4μmNMOS制造工艺，其运算速度为5MIPS（每秒执行5百万条指令）。随着集成电路工艺的发展，DSP广泛采用亚微米CMOS制造工艺，其运行速度越来越快。

6．运算精度高

早期DSP的字长为8位，后来逐步提高到16位、24位、32位。为防止运算过程中溢出，有的累加器达到40位。此外，一批浮点DSP则提供了更大的动态范围。

7．硬件配置强

新一代DSP的接口功能越来越强，片内既有串行口、主机接口（HPI）、DMA控制器、软件控制的等待状态产生器、锁相环时钟产生器以及实现在片内仿真符合IEEE1149.1标准的测试访问口，更易于完成系统设计。许多DSP芯片可以工作在省电方式，使系统耗能降低。

三、数字信号处理器的基本原理

无论是微处理器、单片机还是数字信号处理器DSP，它们的工作原理都是基本一致的，不外乎要做的各种都是：从存储器、I/O接口等地方取数，按某种规律运算，再把结果放到存储器、I/O接口等地方。因此，在其工作过程中数据流与地址流占统治地位。为了实现数据流与地址流的有序管理和控制，采用数据总线和地址总线上一种最佳的结构方式。数据总线和地址总线就像两条高速公路，数据信息和地址信息分别在其上快速流动。中央处理单元（CPU）、程序存储器、数据存储器和内部外设等功能模块分别挂接在数据总线和地址总线上。中央处理单元是控制中心，由它指挥当前时刻谁可以占用数据总线或地址总线，同时它还可以进行有关的运算；程序存储器是物理芯片与人的交接面，由人编写程序指令并写入到程序存储器中，体现了人的意志，中央处理单元只能根据程序的流程进行指挥不能随意发挥；数据存储器用于记录工作过程中的原始数据、中间结果和最后结论；内部外设是集成在芯片内部的与外部世界进行信息交换的功能模块，一般包含I/O、A/D、串行通信等。另外，数据总线和地址总线一般情况下都延伸到芯片外部（到引脚上）。

四、数字信号处理器的性能指标

经过30多年发展，目前市场上已有上百种DSP芯片，各个DSP芯片制造商生产的DSP芯片在结构上差别很大。即使是同一个公司的DSP产品，因为DSP类型的不同，其结构和性能指标也常常会有大的差异。

DSP的性能不能像PC机那样可以用CPU的时钟频率和型号表征，而必须用可量化的性能指标来衡量。DSP的综合性能指标除了与芯片的处理能力直接相关外，还与DSP的片内、片外数据传输能力有关。

以下是衡量DSP处理性能的一些常用指标。

1. MIPS：兆条指令/秒。

2. MOPS：兆次操作数/秒。

3. MAPS：乘-累加次数/秒。

4. MFOPS：兆次浮点操作/秒。

5. MBPS：兆位/秒。

随着DSP结构的多样化和复杂化，以上这些指标不可能完全表征处理器完成特定算法的能力，只能作为系统设计的参考数据。

1.2.2TMS320LF2407 DSP简介

在DSP领域中，德州仪器公司（TI）的产品及其配套技术与开发工具最有强大的竞争力，其中TMS320 DSP是它的代表系列。本书以TMS320LF2407进行介绍，它是TI公司推出的16位定点DSP，是专门针对电机、逆变器、机器人、数控机床等控制而设计的。它除了具有TMS320系列DSP的基本功能外，还具有以下一些特点：

1、用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减少了控制器的功耗。

2、内有高达32K×16位的Flash程序存储器，高达2.5K×16位的数据/程序RAM，544×16位双端口RAM（DARAM），2K×16位的单口RAM（SARAM）。

3、2个事件管理模块EVA和EAB，每个包括：两个16位通用定时器；8个16位的脉冲调制（PWM）通道。它们能够实现：三相反相控制；PWM的对称和非对称波形；当外部引脚PDPINTx出现低电平时快速关闭PWM通道；可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3个捕获单元；片内光电编码器接口电路；16通道A/D转换器。事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。

4、可扩展的外部存储器总共192K×16位，其中程序存储器空间、数据存储器空间、 I/O寻址空间各为64K×16位。

5、内有看门狗定时器（WDT）、10位ADC转换器、控制器区域网模块CAN2.0 B、串行通信接口模块(SCI)、16位串行外部设备接口模块(SPI)、基于锁相环的时钟发生器。

6、5个外部中断（两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断）；3种低功耗电源管理模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。

　　此外，该芯片有多达41个可单独编程或复用的通用I/O脚（GPIO），用户可根据自己的需求进行软件设置，使之在应用中具有极大的灵活性。概括来说，TMS320LF2407具有极低的功耗、强大的处理能力、丰富的片上外围模块、方便高效的开发方式