第1章 DSP芯片基本结构及其特点1

第一章DSP芯片基本结构及其特点1.1DSP简介1.1.1什么是DSPDSP有两种解释：一种是数字信号处理器(Digital Signal Processor)，也称数字信号芯片；另一种是数字信号处理技术(Digital Signal Processing).DSP是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主机应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。

根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点：（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；（5）快速的中断处理和硬件I/O支持；（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；（7）可以并行执行多个操作；（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

在我们设计DSP应用系统时，DSP芯片选型是非常重要的一个环节。

在DSP系统硬件设计中只有选定了DSP芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。

因此说，DSP芯片的选择应根据应用系统的实际需要而确定，做到既能满足使用要求，又不浪费资源，从而也达到成本最小化的目的。

DSP实时系统设计和开发流程如图1所示。

1.1.2为什么要用DSP传统的信号处理是用电阻、电容、二极管和三极管这样的分立模拟元件完成的，在模拟电路中，不能完全消除误差和根除误差，鉴于此，人们只能允许、默认一定的误差。

这些误差随元件的物理特性、温度和机械振动而变化，随时影响模拟电路的性能。

而在数字信号处理中，1、0是以电路中的电压状态（或称逻辑状态）表示，1就是1，0就是0，实时运行和数据存储时不从在误差，而且数字电路工作起来稳定、可靠。

此外，随着VLSI（超大规模集成）的进步、发展，实时信号处理已发展到了新的水平，使得原来在模拟电路中不可能事情也成为可能，如线性相位滤波器和自适应滤波等。

使用DSP，在设计和生产中，应用系统的性能调整、改变和升级都体现在软件上，非常容易实现。

DSP彻底根除了温度对系统的误差影响，缩短了开发时间，降低了成本和功耗。

1.灵活性在模拟处理系统，当需要改变一个模拟系统的应用时，你可能不得不改变硬件设计，或调整硬件参数。

而在数字处理系统，可以通过改变数字信号处理软件来修改设置，以适应不同的需要。

2.精度在模拟处理系统，系统精度受元器件影响，同一批此产品可能有不同的性能。

而在数字处理系统中，精度仅与A/D的位数和计算机的字长、算法有关，他们可能是在设计时就已经解决了。

3.可靠性和可重复性模拟系统易受环境温度、湿度、噪声、电磁场等的干扰和影响，而数字系统的可靠性和可重复性好。

4.大规模集成模拟系统尽管已有一些模拟集成电路，但品种少、集成度不高、价格较高。

而数字系统中DSP体积小、功能强、功耗小、一致性好、使用方便、性能/价格比高。

5.虚拟特性与升级一套模拟系统治能对应一种功能，升级意味着新型号的系统的研制。

而数字系统中一套系统对应多种功能，只要装上不同软件即可。

特殊应用：有些应用只有数字系统才能实现。

如：信号无失真压缩（LOSSLESS COMPRESSION）,V型滤波器(NOTCH FILTER)、线性相位滤波器(LINER PHASE FILTER)。

但数字信号处理也有局限性：（1）实时性模拟系统中除开电路引入的延时外，处理是实时的。

而数字系统由计算机的处理速度的决定。

（2）高频信号处理模拟系统可以处理包括微波毫米波乃至光波信号，而数字系统按照乃奎斯特准则的要求，受S/H、A/D和处理速度的限制。

（3）模拟和数字信号的转换现实世界的信号绝大多数是模拟的（温度、速度、压力等）。

转换成的电信号也是模拟的（电流、电压等）。

要实现数字处理，就必须进行转换。

所以一般在一个DSP系统中都有数/模或模/数转换电路，这也限制了DSP的应用。

1.1.3DSP 芯片的发展简史DSP的发展大致分为三个阶段：在数字信号处理技术发展的初期（二十世纪50～60年代），人们只能在微处理器上完成数字信号的处理。

直到70年代，有人才提出了DSP的理论和算法基础。

一般认为，世界上第一个单片 DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的S2811。

1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP 芯片的一个主要里程碑。

这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。

1980 年，日本 NEC 公司推出的mP D7720是第一个具有硬件乘法器的商用 DSP 芯片，从而被认为是第一块单片DSP器件。

随着大规模集成电路技术的发展，1982年美国德州仪器公司推出世界上第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品，标志着实时数字信号处理领域的重大突破。

TI公司之后不久相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28、第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32。

90年代DSP发展最快，TI公司相继推出第四代DSP芯片 TMS320C40/C44、第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X、第二代DSP芯片的改进型TMS320C2XX、集多片DSP芯片于一体的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片 TMS320C62X/C67X等。

随着CMOS技术的进步与发展，日本的Hitachi 公司在1982年推出第一个基于CMOS 工艺的浮点DSP芯片，1983年日本Fujitsu公司推出的 MB8764，其指令周期为120ns，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。

而第一个高性能浮点DSP芯片应是AT&T公司于1984年推出的DSP32。

与其他公司相比，Motorola公司在推出 DSP 芯片方面相对较晚。

1986年，该公司推出了定点处理器MC56001。

1990年，推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC96002。

美国模拟器件公司（AD）在DSP芯片市场上也占有一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的DSP芯片，其定点DSP芯片有ADSP2101/2103/ 2105、ASDP2111/2115、ADSP2161/2162/2164以及ADSP2171/2181，浮点DSP芯片有ADSP21000/ 21020、ADSP21060/21062等。

自1980年以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用越来越广泛，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。

从运算速度来看， MAC（一次乘法和一次加法）时间已经从20世纪80年代初的400ns（如TMS32010）降低到10ns以下（如TMS320C54X、TMS320C62X/67X等），处理能力提高了几十倍。

DSP芯片内部关键的乘法器部件从1980年占模片区（die area）的40%左右下降到5%以下，片内RAM数量增加一个数量级以上。

DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加，如外部存储器的扩展和处理器间的通信等。

主要DSP芯片厂商及其产品德州仪器公司美国德州仪器（Texas Instruments，TI）是世界上最知名的DSP芯片生产厂商，其产品应用也最广泛，TI公司生产的TMS320系列DSP芯片广泛应用于各个领域。

TI公司在1982年成功推出了其第一代DSP芯片TMS32010，这是DSP应用历史上的一个里程碑，从此，DSP芯片开始得到真正的广泛应用。

由于TMS320系列DSP芯片具有价格低廉、简单易用、功能强大等特点，所以逐渐成为目前最有影响、最为成功的DSP系列处理器。

目前，TI公司在市场上主要有三大系列产品：面向数字控制、运动控制的TMS320C2000系列，主要包括TMS320C24x/F24x、TMS320LC240x/LF240x、TMS320C24xA/LF240xA、TMS320C28xx等。

面向低功耗、手持设备、无线终端应用的TMS320C5000系列，主要包括TMS320C54x、TMS320C54xx、TMS320C55x等。

面向高性能、多功能、复杂应用领域的TMS320C6000系列，主要包括TMS320C62xx、TMS320C64xx、TMS320C67xx等。

美国模拟器件公司ADI公司在DSP芯片市场上也占有一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的DSP芯片，其定点DSP芯片有ADSP2101/2103/2105、ADSP2111/2115、ADSP2126/2162/2164、ADSP2127/2181 、ADSP-BF532以及Blackfin系列，浮点DSP芯片有ADSP21000/21020、ADSP21060/21062，以及虎鲨TS101，TS201S。

Motorola公司Motorola 公司推出的DSP芯片比较晚。

1986年该公司推出了定点DSP 处理器MC56001；1990年，又推出了与IEEE浮点格式兼容的的浮点DSP芯片MC96002。

还有DSP53611、16位DSP56800、24位的DSP563XX和MSC8101等产品。

杰尔公司杰尔公司的SC1000和SC2000两大系列的嵌入式DSP内核，主要面向电信基础设施、移动通信、多媒体服务器及其它新兴应用。

1.1.4DSP系统构成及其特点1. DSP系统构成数字信号处理器是利用计算机或专用处理设备，在模拟信号变换成数字信号以后，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等高速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的CPU还快10～50倍。

所示为一个典型的DSP系统。

输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行A/D变换将信号变换成数字比特流。

DSP 芯片的输入是A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号，DSP芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作（MAC）。

最后，经过处理后的数字样值再经D/A（Digital to Analog）变换转换为模拟样值，之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。

必须指出的是，上面给出的DSP系统模型是一个典型模型，但并不是所有的DSP系统都必须具有模型中的所有部件。

2.2 DSP系统的特点数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点：接口和编程方便。

DSP系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口容易得多；另外，DSP 系统中的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。