DSP技术期末报告

1、数字信号处理器技术最终报告类别：名称：学生编号：成就：日期：数字信号处理器技术最终报告摘要本文的主要内容包括：结合DSP芯片的多总线结构，讨论DSP的流水线执行机制，介绍DSP技术在不同领域的应用，并与其他技术手段进行比较分析其优缺点。首先，结合DSP芯片的多总线结构，讨论了DSP的流水线执行机制数字信号处理是一种运算密集型处理器。它采用哈佛结构设计，即数据总线和地址总线是分开的，因此程序和数据分别存储在不同的空间，允许取指令和执行指令完全重叠。此外，DSP芯片嵌入了硬件乘法器、累加器等功能单元，采用流水线结构，具有良好的并行特性。然而，在DSP算法中有大量的循环运算。为了提高系统的并行性，必

2、须发现循环中每个循环体之间的指令级并行性。目前，在这方面已经提出的技术包括循环展开和软件流水。其中，循环展开通过多次复制循环体和调整循环停止代码来优化ILP并增加指令调度的范围。这种方法有两个缺点：(1)指令调度不能跨越新的循环体，在生成的代码中会有太多的流水线部分被填充和清空，效率低下；(2)扩展的数量不容易确定，太少的并行性是不够的，太多会导致太多的代码长度。软件流水线避免了这些问题。1(1)DSP采用多总线结构，保证在一个机器周期内对程序空间和数据空间的多种访问。在TMS320C54x中，有四种16位总线：p、c、d和e，每条总线包括一条地址总线和一条数据总线。一条指令可以从程序存储器中

3、取出，两个操作数可以从数据存储器中读取，或者一个操作数可以在一个机器周期内写入数据存储器。(1)程序总线PB，程序总线用于从程序存储器传送指令代码和立即操作数。数据总线CB、DB和EB将内部单元连接在一起。其中CB和DB传送从数据存储器读取的操作数，EB传送写入存储器的数据。(3)地址总线PAB、CAB、DAB和EAB，用于传输执行指令所需的地址。程序读取：PAB、PB、EB；程序编写：PAB、EB；单一数据读数：DAB，db；双数据读数：CAB、DAB、CB、db；长数据读取：CABhw、DABlw、CB、db；单一数据写作：EAB，EB；数据读/写：DAB、EAB、数据库、EB；双数据读取

4、/系数读取：PAB、CAB、DAB、PB、CB、DB；外部读数：DAB，db；外部写作：EAB，EB。(2)软件流水线描述。图1描述了一个软件流水线循环。在图中，A、B、C、D和E代表循环体中的每条指令，而II(初始化间隔)称为启动间隔，表示两个相邻循环之间的启动时间差。在一个循环中，一个周期可以并行执行多达5个操作。软件流水线过程可以分为三个阶段2，图中阴影部分称为循环内核阶段，在内核阶段之前执行的过程称为流水线循环阶段，在内核阶段之后执行的过程称为流水线循环阶段。在开始阶段，每个时钟周期开始一个新周期，流水逐渐充满。在核心阶段，所有五个阶段都并行执行，管道已满，达到最大并行度。在结束周期中

5、，每个时钟周期结束一个周期。从上面的描述中，我们可以看到软件流水线方法的原理：单个循环调度(flatschedule)被分成等长的d段(在时间上)，称为阶段计数，sc。每二次启动一个新的循环体。在经过(d-1)秒后，同时执行D个连续的周期，并依次位于D，d-1，和1段相应的循环体。此后，软件流水线进入核心周期，即每隔一秒循环体流出，新的循环体进入流水线，使得在每隔一个时间周期执行的代码保持不变，并且循环体中的所有操作同时执行。因此，周期核心期也构成了稳定状态。图1 (a)单循环源代码(b)单循环软件流水线(3)软件流水线调度技术目前，已有一系列针对软件流水线的调度算法被提出，包括模块化调度、内

6、核识别和增强流水线。根据应用范围，这些算法可分为线性流水线算法和复杂流水线算法。线性流水线算法只适用于单循环结构，而复杂流水线算法允许循环体包含分支结构和嵌套循环。根据调度方法的不同，可以分为有限流水线算法和通用流水线算法。有限流水线算法要求每次放置循环时重复相同的调度方案和启动间隔，而通用流水线算法没有这样的限制。3二、DSP技术在不同应用领域的优缺点。(与其他技术手段进行比较和分析)(1)数字信号处理器芯片数字信号处理器也被称为数字信号处理器。顾名思义，数字信号处理器主要用于数字信号处理领域。非常适合高密度。具有大数据容量的重复操作和信号处理。现在它已经广泛应用于通信、便携式计算机和便携式

7、仪表、雷达、图像、航空、家用电器、医疗设备等领域。数字信号处理器是普通手机、数字电视和数码相机不可或缺的。数字信号处理器被用于移动电话和基站，为移动通信的发展做出重要贡献。将在2.5G和3G中发挥重要作用。可以说，数字信号处理器已经融入到生活的方方面面。DSP技术广泛应用于数据通信、汽车电子、图像处理和声音处理等领域。(a)数字手机数字手机可以分为两类：高速手机和低速手机。然而，高速移动电话和低速移动电话都需要至少一个数字信号处理器。因此，高速发展的数字手机迫切需要大量的DSP器件。(b)数据调制解调器调制解调器是数字信号处理器的传统应用领域之一。调制解调器是连接通信和多媒体信息处理系统的纽带

8、。使用个人电脑通过调制解调器连接互联网，通过拨号连接电话线是最简单的接入方式。由于互联网用户的快速增长，个人电脑上浏览程序调用的运动图像信息量也在增加，这就要求调制解调器具有更高的数据传输速度。这意味着高速调制解调器需要更高性能的数字信号处理器。(c)磁盘/光盘控制器要求各种信息存储媒体产品的迅速发展，如磁盘存储、光盘和数字光盘等，纷纷上市。今天的硬盘有相当大的存储容量，更不用说大容量的硬盘了，就连普通的个人电脑硬盘的存储容量也远远超过1GB。小型硬盘正朝着高密度、高存储容量和高速访问的方向发展。其控制器必须具有高精度和高速响应特性。它所使用的数字信号处理器的性能已经不是过去的样子了，而高速数

9、字信号处理器是一个至关重要的关键设备。(d)图形和图像处理要求用于DVD的运动图像压缩/解压缩的MPEG2编码器/解码器也广泛用于许多领域，例如视频点播、高级有线电视和卫星广播。应用于这些领域的数字信号处理器应该具有更高的处理速度和功能。此外，运动图像压缩/解压缩技术也日新月异。例如，DCT变换域编码难以提高压缩比和重构图像质量，于是出现了一种视觉感知特性指导下的小波分析图像压缩方法。新算法的出现需要相应的高性能数字信号处理器。汽车电子系统和其他应用领域汽车电子系统日益繁荣，如红外和毫米波雷达，这将需要数字信号处理器的分析。摄像机采集的图像数据需要经过数字信号处理器处理后才能显示在驾驶系统中，

10、供驾驶员参考。因此，数字信号处理器在汽车电子领域的应用必将越来越广泛。(f)声音处理。声音数字压缩技术已经应用了很长时间，其中脉冲编码调制是最常用的方法。因为它只能压缩50%的数字，不足以应付未来的计算机应用。数字信号处理技术已广泛应用于音频应用，如多媒体声卡。然而，高质量和高速的声音处理技术要求更多的高性能数字信号处理器的应用。数字信号处理器在机器人控制中的应用目前，由于人工智能、计算机科学、传感器技术等相关学科的巨大进步，对机器人的研究正处于高水平。同时，对机器人控制系统的性能提出了更高的要求。随着机器人控制系统实时性、数据量和计算要求的不断提高，高速高性能的数字信号处理器将成为主要的控制

11、方法。DSP在机器人控制系统中的应用充分利用了DSP的快速实时运算速度，这是当前的发展趋势。特别是随着数字信号芯片速度的不断提高和并行处理网络的形成，控制系统的性能可以大大提高。4与通用微处理器(主要是：)相比，数字信号处理器得到了极大的扩展和增强1)改进的哈佛结构、多总线技术和流水线结构。程序与数据存储器分离，多总线、取指令、取数据和流水线技术同时使用，大大提高了速度。2)硬件乘法器和特殊指令。这是一个不同于一般微处理器的重要标志。一般来说，微处理器使用软件来实现乘法并一个接一个地执行指令，这很慢。然而，数字信号处理器依靠硬件乘法器在单个周期内完成乘法运算，并且还具有特殊的信号处理指令，例如

12、FIRS。LMS，MACD MACD TM320系列说明书。(2)单片机微控制器是一个集成了中央处理器、只读存储器、随机存取存储器和输入输出端口的微型计算机。它具有很强的接口性能，非常适合工业控制，所以又叫单片机。不同于通用处理器，它基于工业测控对象、环境、接口等特点，朝着增强控制功能、提高工业环境可靠性、灵活方便地形成应用计算机系统接口的方向发展。因此，供应链管理有其自身的特点。2.1品种齐全、型号多样自INTEL公司推出51系列单片机以来，许多公司对其进行了改进，并将其发展成为增强型51系列，新型单片机不断涌现。例如，摩托罗拉和惠普ILIPS都有几十个系列和数百种产品。中央处理器从8、16

13、、32到64位。主要使用的是RI SC技术。片上输入输出非常丰富。一些单片机集成了模数转换器、看门狗、脉宽调制、显示驱动器、函数发生器、键盘控制等。它们的价格也各不相同，因此极大地满足了开发商的选择自由。2.2低电压和低功耗随着超大规模集成电路的发展，NMOS单片处理器已经被CMOS所取代，向HMOS的过渡已经开始。电源电压从5V降低到3V，从2V降低到1V，工作电流从mA降低到LA，这在便携式产品中非常有用。(3)电子设计自动化技术当今电子系统的复杂性不断增加，电子产品更新越来越快，使得传统的设计方法难以适应。随着计算机技术的发展，计算机辅助设计在一定程度上减轻了设计人员的工作压力，但其智能

14、化和自动化水平仍不尽人意。因此，电子设计自动化技术作为一种全新的技术诞生了。它正在改变数字系统和设计方法。电子设计自动化是电子设计自动化。它以计算机为工具，在EDA软件平台上，自动编译、简化、划分、综合和优化逻辑，布局和路由逻辑，在由HDL完成的设计文件上模拟逻辑，最后为特定目标芯片编译、映射逻辑和下载程序。设计者只需要用HDL语言完成系统功能的描述，设计结果可以通过EDA工具获得。编译后的代码可以下载到目标芯片并在硬件上实现。这里的目标芯片是可编程逻辑器件。FPGA/CPLD是EDA技术的物质基础，二者密不可分。电子设计自动化技术由于FPGA/CPLD可以通过软件编程重构硬件的结构和工作模式

15、，修改软件程序就相当于改变硬件。软件可以使用自顶向下的设计方案，并且可以与多人并行工作。随着近年来知识产权核工业的兴起，几个软核结合起来就可以形成一个完整的体系。这些都大大缩短了开发周期和上市时间，有利于在激烈的市场竞争中抢占先机。3.2速度快，可靠性高。单片机和数字信号处理器都是通过串行执行指令来实现特定的功能，这不可避免地导致速度较低，而FPGA/CPLD可以在硬件上实现并行工作，在实时测控和高速应用领域具有广阔的前景。另一方面，FPGA/CPLD器件在功能开发上是通过软件实现的，但其物理机制与纯硬件电路一样可靠。另一方面，单片机和DSP芯片很可能会脱离正常的工作过程，导致PC机在强干扰条

16、件下飞行，尤其是强电磁干扰。EDA的高可靠性刚刚克服了它们固有的缺陷。(4)综合应用单片机、数字信号处理器和现场可编程门阵列/可编程逻辑器件各有特点，满足不同的需求，成为数字时代的核心电源。为了充分发挥它们的优势，三者的结合已经成为一种新的发展趋势。4.1单片机和数字信号处理器的结合。单片机价格低廉，能很好地完成通信和智能控制任务，但信号处理能力差。数字信号处理器正好相反。二者的结合既能满足智能控制的需要，又能满足数字信号处理的需要，如手机、无绳网络产品等。这有利于降低体积、功耗和成本。4.2数字信号处理器与现场可编程门阵列/可编程逻辑器件的结合。由于FPGA/CPLD具有串行/并行、高速、宽口径的特点，将DSP和FPGA集成在一个芯片上可以实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度。此外，FPGA可以进行硬件重构，很容易扩展功能或提高性能。摘要：采用纯SSI数字电路设计系统工作量大、灵活性低、系统可靠性差。广泛使用的单片机设计系统克服了纯SSI数字电路系统许多不可克服的困难，是一个里程碑式的飞跃。DSP以其强大的信号处理功能赢得了广泛的市场，并得到了广泛的应用。近年来，可编程逻辑器件发展迅速，特别是可编程逻辑器件/可编程门阵列已经进入深亚微