DSP技術(shù)

DSP技術(shù)簡介

　　數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，簡稱DSP）是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運而生并得到迅速的發(fā)展。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛DSP技術(shù)圖解的應(yīng)用。數(shù)字信號處理是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。

　　數(shù)字信號處理是將信號以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)。數(shù)字信號處理與模擬信號處理是信號處理的子集。

DSP技術(shù)百科

　　數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，簡稱DSP）是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運而生并得到迅速的發(fā)展。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛DSP技術(shù)圖解的應(yīng)用。數(shù)字信號處理是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。

　　數(shù)字信號處理是將信號以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)。數(shù)字信號處理與模擬信號處理是信號處理的子集。

　　數(shù)字信號處理的目的是對真實世界的連續(xù)模擬信號進行測量或濾波。因此在進行數(shù)字信號處理之前需要將信號從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，這通常通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。而數(shù)字信號處理的輸出經(jīng)常也要變換到模擬域，這是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的。

　　數(shù)字信號處理的算法需要利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備如數(shù)字信號處理器（DSP）和專用集成電路（ASIC）等。數(shù)字信號處理技術(shù)及設(shè)備具有靈活、精確、抗干擾強、設(shè)備尺寸小、造價低、速度快等突出優(yōu)點，這些都是模擬信號處理技術(shù)與設(shè)備所無法比擬的。

　　實現(xiàn)方法

　　DSP的實現(xiàn)方法一般有以下幾種：

　?。?） 在通用的計算機（如PC機）上用軟件（如Fortran、C語言）實現(xiàn)；

　　（2） 在通用計算機系統(tǒng)中加上專用的加速處理機實現(xiàn)；

　　（3） 用通用的單片機（如MCS-51、96系列等）實現(xiàn)，這種方法可用于一些不太復(fù)雜的數(shù)字信號處理，如數(shù)字控制等；

　　（4） 用通用的可編程DSP實現(xiàn)。與單片機相比，DSP芯片具有更加適合于數(shù)字信號處理的軟件和硬件資源，可用于 復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法；

　?。?） 用專用的DSP芯片實現(xiàn)。在一些特殊的場合，要求的信號處理速度極高，用通用DSP芯片很難實現(xiàn)，例如專用于FFT、數(shù)字濾波、卷積、相關(guān)等算法的DSP芯片，這種芯片將相應(yīng)的信號處理算法在芯片內(nèi)部用硬件實現(xiàn)，無需進行編程。

　　在上述幾種方法中，第1種方法的缺點是速度較慢，一般可用于DSP算法的模擬；第2種和第5種方法專用性強，應(yīng)用受到很大的限制，第2種方法也不便于系統(tǒng)的獨立運行；第3種方法只適用于實現(xiàn)簡單的DSP算法；只有第4種方法才使數(shù)字信號處理的應(yīng)用打開了新的局面。

　　特點

　　考慮一個數(shù)字信號處理的實例，比如有限沖擊響應(yīng)濾波器（FIR）。用數(shù)學(xué)語言來說，F(xiàn)IR濾波器是做一系列的點積。取一個輸入量和一個序數(shù)向量，在系數(shù)和輸入樣本的滑動窗口間作乘法，然后將所有的乘積加起來，形成一個輸出樣本。類似的運算在數(shù)字信號處理過程中大量地重復(fù)發(fā)生，使得為此設(shè)計的器件必須提供專門的支持，促成了了DSP器件與通用處理器（GPP）的分流：

　　對密集的乘法運算的支持

　　GPP不是設(shè)計來做密集乘法任務(wù)的，即使是一些現(xiàn)代的GPP，也要求多個指令周期來做一次乘法。而DSP處理器使用專門的硬件來實現(xiàn)單周期乘法。DSP處理器還增加了累加器寄存器來處理多個乘積的和。累加器寄存器通常比其他寄存器寬，增加稱為結(jié)果bits的額外bits來避免溢出。同時，為了充分體現(xiàn)專門的乘法-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。

　　存儲器結(jié)構(gòu)

　　傳統(tǒng)上，GPP使用馮。諾依曼存儲器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)中，只有一個存儲器空間通過一組總線（一個地址總線和一個數(shù)據(jù)總線）連接到處理器核。通常，做一次乘法會發(fā)生4次存儲器訪問，用掉至少四個指令周期。大多數(shù)DSP采用了哈佛結(jié)構(gòu)，將存儲器空間劃分成兩個，分別存儲程序和數(shù)據(jù)。它們有兩組總線連接到處理器核，允許同時對它們進行訪問。這種安排將處理器存貯器的帶寬加倍，更重要的是同時為處理器核提供數(shù)據(jù)與指令。在這種布局下，DSP得以實現(xiàn)單周期的MAC指令。還有一個問題，即現(xiàn)在典型的高性能GPP實際上已包含兩個片內(nèi)高速緩存，一個是數(shù)據(jù)，一個是指令，它們直接連接到處理器核，以加快運行時的訪問速度。從物理上說，這種片內(nèi)的雙存儲器和總線的結(jié)構(gòu)幾乎與哈佛結(jié)構(gòu)的一樣了。然而從邏輯上說，兩者還是有重要的區(qū)別。GPP使用控制邏輯來決定哪些數(shù)據(jù)和指令字存儲在片內(nèi)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使用多個片內(nèi)存儲器和多組總線來保證每個指令周期內(nèi)存儲器的多次訪問。在使用DSP時，程序員要明確地控制哪些數(shù)據(jù)和指令要存儲在片內(nèi)存儲器中。程序員在寫程序時，必須保證處理器能夠有效地使用其雙總線。此外，DSP處理器幾乎都不具備數(shù)據(jù)高速緩存。這是因為DSP的典型數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)流。也就是說，DSP處理器對每個數(shù)據(jù)樣本做計算后，就丟棄了，幾乎不再重復(fù)使用。

　　零開銷循環(huán)

　　如果了解到DSP算法的一個共同的特點，即大多數(shù)的處理時間是花在執(zhí)行較小的循環(huán)上，也就容易理解，為什么大多數(shù)的DSP都有專門的硬件，用于零開銷循環(huán)。所謂零開銷循環(huán)是指處理器在執(zhí)行循環(huán)時，不用花時間去檢查循環(huán)計數(shù)器的值、條件轉(zhuǎn)移到循環(huán)的頂部、將循環(huán)計數(shù)器減1。與此相反，GPP的循環(huán)使用軟件來實現(xiàn)。某些高性能的GPP使用轉(zhuǎn)移預(yù)報硬件，幾乎達到與硬件支持的零開銷循環(huán)同樣的效果。

　　定點計算

　　大多數(shù)DSP使用定點計算，而不是使用浮點。雖然DSP的應(yīng)用必須十分注意數(shù)字的精確，用浮點來做應(yīng)該容易的多，但是對DSP來說，廉價也是非常重要的。定點機器比起相應(yīng)的浮點機器來要便宜（而且更快）。為了不使用浮點機器而又保證數(shù)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。

　　專門的尋址方式

　　DSP處理器往往都支持專門的尋址模式，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（對實現(xiàn)數(shù)字濾波器延時線很有用）、位倒序?qū)ぶ罚▽FT很有用）。這些非常專門的尋址模式在GPP中是不常使用的，只有用軟件來實現(xiàn)。

　　執(zhí)行時間的預(yù)測

　　大多數(shù)的DSP應(yīng)用（如蜂窩電話和調(diào)制解調(diào)器）都是嚴格的實時應(yīng)用，所有的處理必須在指定的時間內(nèi)完成。這就要求程序員準確地確定每個樣本需要多少處理時間，或者，至少要知道，在最壞的情況下，需要多少時間。如果打算用低成本的GPP去完成實時信號處理的任務(wù)，執(zhí)行時間的預(yù)測大概不會成為什么問題，應(yīng)為低成本GPP具有相對直接的結(jié)構(gòu)，比較容易預(yù)測執(zhí)行時間。然而，大多數(shù)實時DSP應(yīng)用所要求的處理能力是低成本GPP所不能提供的。這時候，DSP對高性能GPP的優(yōu)勢在于，即便是使用了高速緩存的DSP，哪些指令會放進去也是由程序員（而不是處理器）來決定的，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一般不使用動態(tài)特性，如轉(zhuǎn)移預(yù)測和推理執(zhí)行等。因此，由一段給定的代碼來預(yù)測所要求的執(zhí)行時間是完全直截了當?shù)摹亩钩绦騿T得以確定芯片的性能限制。

　　定點DSP指令集

　　定點DSP指令集是按兩個目標來設(shè)計的：·使處理器能夠在每個指令周期內(nèi)完成多個操作，從而提高每個指令周期的計算效率。·將存貯DSP程序的存儲器空間減到最小（由于存儲器對整個系統(tǒng)的成本影響甚大，該問題在對成本敏感的DSP應(yīng)用中尤為重要）。為了實現(xiàn)這些目標，DSP處理器的指令集通常都允許程序員在一個指令內(nèi)說明若干個并行的操作。例如，在一條指令包含了MAC操作，即同時的一個或兩個數(shù)據(jù)移動。在典型的例子里，一條指令就包含了計算FIR濾波器的一節(jié)所需要的所有操作。這種高效率付出的代價是，其指令集既不直觀，也不容易使用（與GPP的指令集相比）。GPP的程序通常并不在意處理器的指令集是否容易使用，因為他們一般使用象C或C++等高級語言。而對于DSP的程序員來說，不幸的是主要的DSP應(yīng)用程序都是用匯編語言寫的（至少部分是匯編語言優(yōu)化的）。這里有兩個理由：首先，大多數(shù)廣泛使用的高級語言，例如C，并不適合于描述典型的DSP算法。其次，DSP結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，如多存儲器空間、多總線、不規(guī)則的指令集、高度專門化的硬件等，使得難于為其編寫高效率的編譯器。即便用編譯器將C源代碼編譯成為DSP的匯編代碼，優(yōu)化的任務(wù)仍然很重。典型的DSP應(yīng)用都具有大量計算的要求，并有嚴格的開銷限制，使得程序的優(yōu)化必不可少（至少是對程序的最關(guān)鍵部分）。因此，考慮選用DSP的一個關(guān)鍵因素是，是否存在足夠的能夠較好地適應(yīng)DSP處理器指令集的程序員。

　　開發(fā)工具的要求

　　因為DSP應(yīng)用要求高度優(yōu)化的代碼，大多數(shù)DSP廠商都提供一些開發(fā)工具，以幫助程序員完成其優(yōu)化工作。例如，大多數(shù)廠商都提供處理器的仿真工具，以準確地仿真每個指令周期內(nèi)處理器的活動。無論對于確保實時操作還是代碼的優(yōu)化，這些都是很有用的工具。GPP廠商通常并不提供這樣的工具，主要是因為GPP程序員通常并不需要詳細到這一層的信息。GPP缺乏精確到指令周期的仿真工具，是DSP應(yīng)用開發(fā)者所面臨的的大問題：由于幾乎不可能預(yù)測高性能GPP對于給定任務(wù)所需要的周期數(shù)，從而無法說明如何去改善代碼的性能。

　　應(yīng)用

　　現(xiàn)代社會對數(shù)據(jù)通信需求正向多樣化、個人化方向發(fā)展。而無線數(shù)據(jù)通信作為向社會公眾迅速、準確、安全、靈活、高效地提供數(shù)據(jù)交流的有力手段，其市場需求也日益迫切。正是在這種情況下，3G、4G通信才會不斷地被推出，但是無論是3G還是4G，未來通信都將離不開DSP技術(shù)（數(shù)字信號處理器），DSP作為一種功能強大的特種微處理器，主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)、語音、視像信號的高速數(shù)學(xué)運算和實時處理方面，可以說DSP將在未來通信領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用。

　　為了確保未來的通信能在各種環(huán)境下自由高效地工作，這就要求組成未來通信的DSP要具有非常高的處理信號的運算速度，才能實現(xiàn)各種繁雜的計算、解壓縮和編譯碼。而目前DSP按照功能的側(cè)重點不一樣，可以分為定點DSP和浮點DSP，定點DSP以成本低見長，浮點DSP以速度快見長。如果單一地使用一種類型的DSP，未來通信的潛能就不能得到最大程度的發(fā)揮。為了能將定點與浮點的優(yōu)勢集于一身，突破DSP技術(shù)上的瓶頸，人們又推出了一種高級多重處理結(jié)構(gòu)--VLIW結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以在不提高時鐘速度的情況下，實現(xiàn)很強的數(shù)字信號處理能力，而且它能同時具備定點DSP和浮點DSP所有的優(yōu)點。為了能推出一系列更高檔的新技術(shù)平臺，人們又開始注重DSP的內(nèi)核技術(shù)的開發(fā)，因為DSP的內(nèi)核就相當于計算機的CPU一樣，被譽為DSP的心臟，大量的算法和操作都得通過它來完成，因此該內(nèi)核結(jié)構(gòu)的質(zhì)量如何，將會直接影響整個DSP芯片的性能、 功耗和成本。

　　考慮到未來無線訪問Internet因特網(wǎng)和開展多媒體業(yè)務(wù)的需要，現(xiàn)在美國的Sun公司又開始準備準將該公司的拳頭產(chǎn)品--PersonalJava語言嵌入到DSP中，以便能進一步提高DSP在處理信號方面的自動化程度和智能化程度。當然，在以前DSP中也潛入了其他軟件語言，例如高級C語言，但這種語言在處理網(wǎng)絡(luò)資源以及多媒體信息方面無能為力；而PersonalJava是一種適合個人網(wǎng)絡(luò)連接和應(yīng)用的Java環(huán)境，基于該環(huán)境的個人通信系統(tǒng)可以從網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)上下載數(shù)據(jù)和圖像。此外，人們還在研究開發(fā)符合MPEG-4無線解壓縮標準DSP，該壓縮標準將為未來通信傳輸各種多媒體信息提供了依據(jù)。

　　作為一個案例研究，我們來考慮數(shù)字領(lǐng)域里最通常的功能：濾波。簡單地說，濾波就是對信號進行處理，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，而不是模擬器件來對信號做濾波呢？我們來看看其優(yōu)越性：

　　模擬濾波器（或者更一般地說，模擬電路）的性能要取決于溫度等環(huán)境因素。而數(shù)字濾波器則基本上不受環(huán)境的影響。

　　數(shù)字濾波易于在非常小的寬容度內(nèi)進行復(fù)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。

　　一個模擬濾波器一旦制造出來，其特性（例如通帶頻率范圍）是不容易改變的。使用微處理器來實現(xiàn)數(shù)字濾波器，就可以通過對其重新編程來改變?yōu)V波的特性。

　　初學(xué)DSP

　　一、為什么要用DSP？

　　3G通信技術(shù)的發(fā)展，要求處理器的速度越來越高，體積越來越小，MCU的速度較慢;CPU體積大、功耗高;嵌入CPU的成本較高。DSP的發(fā)展正好能滿足這一發(fā)展的要求，使其在許多速度要求較高、算法較復(fù)雜的場合取代MCU或其它處理器，而且綜合成本有可能更低。

　　二、DSP是什么、能干嘛？

　　想了解這些，就得一個概念講起，DSP首先是Digital Signal Processing（數(shù)字信號處理），然后才是Digital Singnal Processor（數(shù)字信號處理器）。具體關(guān)于DSP的介紹，請參考小弟的《三國殺之FPGA與ASIC、DSP全面大比拼！》，你能找到你想要的知識，也能找到學(xué)習(xí)DSP的動力。

　　三、DSP有沒有前途（“錢途”）？

　　很多人都覺得做技術(shù)就是苦逼，哪來的什么前途，一定要轉(zhuǎn)做技術(shù)管理或銷售。以前我也這般認為，但現(xiàn)在越來越多的事實證明，這就是一個謬論，DSP相當有錢途！舉兩個例子：其一，某位DSP的資深A(yù)E，可以算是中國區(qū)該領(lǐng)域的專家，年薪不菲（60萬以上），走遍世界，工作也很輕松;其二，某知名電信公司晉升年限一樣的技術(shù)專家比同級的經(jīng)理薪酬要高，如Expert（專家級）與管理大概50個人的經(jīng)理相比，前者的薪酬要更高。

　　肯定有人說哪這么多高端人士，大家都是正常人類。好吧，那來個正常的數(shù)據(jù)，京滬深的DSP工程師起薪基本上是10K/月，就是1萬現(xiàn)大洋，滿意了吧。

　　四、DSP好不好學(xué)？

　　不管你喜不喜歡，學(xué)習(xí)DSP就必須得面對她：算法。算法是DSP的精華，可以說擺平了算法就搞定了80%，如果你又懂單片機編程，那么恭喜你有成為DSP專家的潛力?？隙ㄓ型瑔査惴ǖ降缀貌缓脤W(xué)呢？算法，聽上去是很高深的東西，但其原理也不過就是一些加減乘而已，連除都很少?？隙ㄓ型謫?，加減乘不就是小學(xué)生的算術(shù)嘛？是的， DSP 的算法也許就比小學(xué)生的算術(shù)難一滴滴。聽完這些，你肯定樂呵呵：DSP挺好學(xué)的嘛。

　　五、DSP該怎么學(xué)？

　　這是個大問題，這里涉及到選開發(fā)板、看書、做實驗，下面咱們詳細講這幾個問題：

　　1、如何DSP開發(fā)板？

　　咱們在討論選開發(fā)板之前，得先解決要學(xué)哪種DSP?？破找幌拢珼SP分為通用型DSP芯片和專用型DSP芯片，通用型DSP芯片適合普通的DSP應(yīng)用，如TI，ADI等公司的DSP芯片屬于通用型DSP芯片;專用DSP芯片是為特定的DSP運算而設(shè)計的，更適合特殊的運算，如數(shù)字濾波、卷積和FFT，如如Motorola公司的DSP56200。學(xué)習(xí)DSP是當然為了找工作掙錢的，那自然是要學(xué)TI的通用型DSP，為什么呢，因為TI 占有最大的市場份額（世界市場45%的份額），咱總不能學(xué)一個沒有市場的DSP吧。

　　DSP是一門實踐性很強的專業(yè)，要想快速精通，就必須有自己的操作平臺。這樣既可以增強動手能力，也可以節(jié)約很多時間。所以，對于初學(xué)者來說，選擇一款性價比較高的開發(fā)板很重要。下面咱們就選開發(fā)板了，TI 公司現(xiàn)在主推四大系列DSP： 1）C2000 系列（定點、控制器）：C20X，F(xiàn)20X，F(xiàn)24X，F(xiàn)24XX ，C28x，用于數(shù)字化控制領(lǐng)域;2）C5000 系列（定點、低功耗）：C54X，C54XX，C55X，用于通信、便攜式應(yīng)用領(lǐng)域;3）C6000 系列：C62XX，C67XX，C64X，用于寬帶網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字影像領(lǐng)域;4）OMAP 系列：TI專門為支持2.5G和3G手機應(yīng)用需求而設(shè)計的處理器體系結(jié)構(gòu)（DSP+MCU+MTC內(nèi)存和流量控制器）。雖然有這么多型號的DSP，但作為初學(xué)者，我們當然要選擇C2000 系列，而且要選擇F2810/F2812，這是業(yè)界最強大的控制專用DSP，還有一個升級版：28335。開發(fā)板的主控芯片選取了，至于具體選哪個品牌的開發(fā)板，價格從幾百到幾千不等，具體看個人預(yù)算。

　　開發(fā)板選擇有這么兩個原則：1）適當?shù)耐庠O(shè)。最小系統(tǒng)板雖然便宜但不利于咱們學(xué)習(xí)（最小系統(tǒng)是給高手DIY的），沒外設(shè)搞起來沒有成就感，沒幾天就煩了，所以得有適當?shù)耐庠O(shè);功能堆疊型開發(fā)板雖然功能豐富，但是貴，也不適合咱們初學(xué)。初學(xué)嘛，沒創(chuàng)造什么效益，自然是以節(jié)約為主。有基本的外設(shè)就行了，最重要的是學(xué)習(xí)接口，比如SPI、SCI、CAN，不管你以后做什么項目都通過這些接口連接外圍電路。2）例程。光有代碼的例程不是好例程。例程一定要詳細、模塊化。