DSP基础-上海交通大学课件

第二章DSP基础数字信号处理系统设计与实践上海交通大学电子工程系7/22/2023主要内容♦DSP硬件结构♦DSP软件特征♦DSP性能评估♦小结7/22/2023

DSP硬件结构

总线结构

存储器配置

CPU结构

片上外设

7/22/20237/22/2023

DSP总线结构CPU存储器AB（P&D）DB（P&D）

冯诺依曼结构

目的：Y(n)=∑X(i)×A(i)7/22/2023

DSP总线结构(续)基本哈佛结构（第一代DSP）

程序存储器CPU数据存储器PABDABPBDB7/22/2023

DSP总线结构(续)

改进哈佛结构

CPU程序存储器数据存储器DBPBPABDAB程序代码存储空间与数据存储空间之间还可以进行数据交换7/22/2023

DSP片上内存按使用功能

程序空间

数据空间存储器分类

按访问形式

ROM

RAM

>SARAM

>DARAM7/22/2023

DSP片上内存(续)

RAM工作方式

用作高速缓存(Cache)

针对程序或数据量大的应用

用作固定地址映射的存储器

针对消耗存储资源相对小的应用7/22/2023

DSP片上内存(续)

外部扩展存储器

解决片内存储器资源不足

明显影响DSP的性能

外部存储器的速度相对较慢

一般需要插入额外的等待时钟

外部总线一般只有一套

程序取指和数据读写只能分时进行

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CPU结构

算术逻辑单元(ALU)

实现二进制补码运算和布尔(Boolean)运算

累加器

存储ALU和乘加模块的输出

ALU的输入

乘加模块的输入

桶形移位器

实现输入数据的移位（数字定标、位提取、扩展算术和溢出保护

）

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CPU结构(续)

乘法器

比较选择存储单元（CSSU）

完成数据的比较及测试功能

程序地址产生单元

加法器

数据地址产生单元

特殊硬件模块

7/22/2023

乘加(MAC)单元细节MAC*AR2+,*AR3+,AMPYADDMbusaccAaccBA

B

0DCPATDAs/us/uFRCTD=DataBusC=CoefficientBusP=ProgramBusA=AaccumulatorB=BaccumulatorT=Temporaryregisters/u= signed/unsignedFRCT= Fractionalmodebit7/22/2023

累加器+ALU通用算术,如:t=s+e-rMUXUBUS

accA

accBALUABUSBBUSABMABCTABDSLD s,AADD e,ASUB r,ASTL A,t7/22/2023

CPU结构(续)

指令流水线7/22/2023

DSP片上外设主机接口（HPI）串行口（McBSP）

DMA中断逻辑定时器，时钟逻辑……7/22/2023

DSP软件特征处理器指令分类复杂指令集（CISC）

精简指令集（RISC）7/22/2023复杂指令集（CISC）

特点简化编程一条指令可以在处理器内部执行一系列操作有效利用存储空间指令长度可变

7/22/2023复杂指令集（续）

主要技术建立丰富的指令集使用微指令建立高级指令集7/22/2023复杂指令集（续）

优点比硬件实现控制单元经济程序编写易于实现易于向下兼容

简化任务程序简化编译器7/22/2023复杂指令集（续）

缺点不同指令需要不同的执行时间，有可能会降低

系统的整体性能为保证指令向下兼容，指令集和芯片硬件复杂部分指令利用率低条件码作为指令的副产物，耗费时间7/22/2023精简指令集（RISC）特点指令长度相同，取指可以一次操作完成指令集简单单周期指令，便于流水操作大量使用寄存器7/22/2023精简指令集（续）两类RISC设计思想的说明

IEEE的迈克尔斯莱特（MichaelSlater）卡内基梅隆（CarngieMellon）大学

IBM最先开发了RISC计算机7/22/2023精简指令集（续）

RISC设计思想主要内容

存储器访问一般采用加载/存储指令结构指令多为简单的单周期指令减少指令数和寻址方式以简化控制部件芯片逻辑多采用硬布线逻辑（原微程序控制逻辑）采用对称的或统一的三地址指令格式常采用高速缓存（Cache）技术引入延迟转移和加载延迟，以适合流水线工作7/22/2023精简指令集（续）优点硬件更简单，从而可增加芯片的集成度速度更快。在相同的半导体技术和时钟速率下，采用简化指令集可使流水工作的、超标量体系结构设计的RISC性能达到CISC的2-4倍。指令周期更短7/22/2023精简指令集（续）

CISC处理器转向RISC处理器时的几个关键问题：指令重排造成的调试困难指令延迟现象造成的代码质量问题

CISC效率较低而引起的代码长度扩展7/22/2023

DSP指令：综合了CISC和RISC的优点大多数DSP指令是复合指令一般具有多种灵活的寻址方式指令长度和指令执行时间可以不一样采用流水操作，指令多为单周期指令片内存储器一般为固定地址映射的存储器，指令的操作时间可以严格预测7/22/2023

DSP指令（续）复合指令形式便于编制出高效率的汇编程序程序的可读性差指令依赖硬件结构，可移植性较差

DSP软件设计一般采用任务驱动的思路逐渐引入高级语言编程规范和软件工程概念指令集多采用助记符指令形式或算术指令形式为防止和减少流水线冲突，需对指令进行重排7/22/2023

DSP间的性能比较单位时间内完成的指令数

比较典型操作处理能力

MIPS