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标  题: DSP芯片介绍
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年10月23日13:30:41 星期三), 站内信件

DSP芯片介绍
DSP芯片，也称数字信号处理器，由于采用特殊的软硬件结构，是一种特别适合于
进行数字信号处理运算的微处理器，其主要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芯片一般具有如下一些主要特征[2]：
在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；
程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；
片内的快速RAM通常可以通过独立的数据总线在两块中同时访问；
具有低开销或无开销的循环和跳转硬件支持；
具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；
可以并行执行多个操作；
支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
以下是目前常用的DSP芯片的主要性能指标列表[6]：
　
另外，TI公司在原来已被人们熟知的TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、
TMS320C5X、TMS320C8X的基础上发展了三种新的DSP系列，它们是：TMS320C2000、
TMS320C5000、TMS320C6000系列，成为当前和未来相当长时期内TI DSP的主流产品。
其中，TMS320C6000系列的速度已超过1G flops。
　
1.1、DSP芯片的基本结构
为了快速地实现数字信号处理运算，DSP芯片一般都采用特殊的软硬件结构。我们
以TMX320C3x系列芯片为例介绍DSP芯片的基本结构。TMX320C3x系列芯片的基本结
构包括[2]：
（1）哈佛结构；（2）流水线操作；（3）专用的硬件乘法器；（4）特殊的DSP指
令。这些特点使得TMX320C3x系列芯片可以实现快速的DSP运算，并使大部分DSP操
作指令在一个周期内完成。下面分别介绍这些特点如何在TSM320C3x系列DSP芯片
中应用并使得芯片的功能的到加强。
哈佛结构传统的微处理器采用的冯·诺依曼（Von Neuman）结构将指令和数据存
放在同一存储空间中，统一编址，指令和数据通过同一总线访问同一地址空间上
的存储器[5]。而DSP芯片采用的哈佛结构则是不同于冯·诺依曼结构的一种并行
体系结构，其主要特点是程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和
数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编制、独立访问。与之相
对应的是系统中设置的两条总线棗程序总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提
高了一倍。
在 哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间里，因此取指和执行能
完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性，TMS320C3x DSP芯片在基本哈
佛结构的基础上作了改进，一是允许数据存放在程序存储器中，并能被算术运算
指令直接使用，增强芯片的灵活性；二是增加了高速缓冲器（Cache），Cache中
的指令在执行时不用再从存储器中读取，节约了一个指令周期，在TMS320C3x系列
芯片中有64个字的Cache。高速缓冲器（Cache）的作用和算法请参看参考文献[5]
P172~201，这里不予详述。
流水线
DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，增强处理器的处理能力。
TMS320C3x采用四级流水线，处理器可并行处理四条指令。TMS320C3x流水线结构
的五个单元和它们的功能如下表：
表2、TMS320C3x流水线结构单元
　 单元名称                  功能
 取指单元（Fetch Unit）      从存储器中取指令和调整程序计数器（PC）
译码单元（Decode Unit）      对指令字译码和产生地址
读单元（Read Unit）          从存储器中读操作数
执行单元（Execute Unit）     从寄存器组中读操作数，执行所需的操作，
                             将结果写入寄存器组中或存储器中
DMA通道（DMA Channel）       读和写存储器

基本指令分为四级：取指、译码、读和执行。当处理器并行处理四条指令使，各条
指令处于流水线的不同单元。在不发生流水线冲突的情况下，具有流水线结构的处
理器的长时间执行效率接近于没有流水线结构的处理器的四倍。流水线冲突和解决
请参见参考文献{3}10-2到10-14；流水线的具体实现和算法请参见参考文献[5]
P276 ~ 320 。一般来说，流水线对用户是透明的。
专用的硬件乘法器
在通用微处理器中算法指令需要多个指令周期，如MCS-51的乘法指令需4个周期。
相比而言，DSP芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器，乘法可以在一个指令周
期内完成，还可以与加法并行进行，完成一个乘法和一个加法只需一个指令周期。
例如，在一般形式的FIR滤波器中，乘法是重用组成部分，对每个滤波器抽头，必
须做一次乘法和一次加法：
　
FIR： LDF 0.0,R0 ;R0初始化
LDF 0.0,R1 ;R2初始化
RPTS N-1 ;建立重复
MPYF3 *AR0++,*AR1++(1)%,R0 ;R0=h(N-1-i)*x[n-(N-1-i)]
|| ADDF3 R0,R2,R2 ;乘/累加
ADDF3 R0,R2,R0 ;加最后一个乘积
　
程序说明:
调用上述程序时,首先要初始化AR0、AR1、BK三个寄存器。其中AR0指向h(N-1)，
AR1指向x[n-(N-1)]，BK=N，N为滤波器的阶数；
滤波的结果放在寄存器R0中。
可见，高速的乘法指令和并行操作大大提高DSP处理器的性能。
特殊的DSP指令DSP芯片的另一个特点是采用特殊的指令，这些特殊指令进一不
提高了DSP芯片的处理能力。TMS320C3x主要有三类特殊指令：重复方式、延迟转
移和并行指令。
（1）重复方式允许实现过零循环。TMS320C3x有两条支持过零循环的指令：RPTB（
重复一个程序模块）和RPTS（重复单条指令，仅通过一次取指来减轻总线拥挤）
它们都是四周期指令，仅在第一次通过程序循环回路是产生四个周期的管理开销，
以后所有通过循环回路的管理开销是零周期。当在重复方式中调整程序计数器时，
三个寄存器与程序计数器的调整相联系，下表对这些寄存器进行了描述：
表3、重复方式寄存器
　 寄存器            功能
   RS               重复起始地址寄存器，持有重复程序模块的第一
                    条指令的地址
   RE               重复结束地址寄存器，持有重复程序模块的最后
                    一条指令的地址
   R                重复结束计数寄存器，记录的数值为模块重复次数减1

RS在重复操作的下一条指令地址，RE在单指令重复操作中与RE相同。值得注意的是
单指令循环执行过程不被中断打断。以下提供两个小程序模块，说明重复操作的使
用：

LDI 9H，RC ;重复10次
RPTB RPT_END ;RPT_END->RE,PC+1->RS
RPT_START ...
....
RPT_END ...
　
FPTS 9H ;重复10次,PC+1->RS,RE
....
（2）TMS320C3x的转移能力主要包括标准转移和延迟转移。标准转移在执行转移之
前是流水线变空，这导致标准转移的执行占据四个指令周期。而延迟转移则不使流
水线变空，它保证随后的三条指令在程序计数器被转移修改前执行，而此时延迟指
令悬空，并且禁止中断，执行完毕这三条指令。这样，延迟转移仅需一个周期。
TMS320C3x的延迟转移是BcondD、BRD和DbcondD。
（3）由于拥有专门的硬件乘法器、多个独立的地址产生器和相互独立的程序、数
据总线。TMS320C3x具有多条不同方面的并行指令。这些并行操作指令组有高度并
行操作能力，具有如下功能：
·寄存器并行装入
·并行算术运算
·并行算术/逻辑运算和存储运算
使用并行指令时要注意必须满足这些指令操作数的寻址要求。附录中列出了
TMS320C3x的并行指令集。
（4）值得一提的还有TMS320C3x提供的在片直接存储器寻址（DMA）控制器。DMA控
制器能够在没有CPU干预下执行输入输出功能，从而减少CPU对执行输入输出功能的
需要。
　
1.2、DSP芯片的应用
现代数字信号处理器是执行高速数字信号处理的IC电路、它恰好适应多媒体信息化
社会需求，迅速发展壮大。如今，世界电子器件市上，各种各样的DSP器件已相当
丰富，大大小小封装形式的DSP器件，已广泛应用于各种产品的生产领域，而且DSP
的应用领域仍在不断地扩大，发展迅速异常。DSP的应用主要有：
信号处理；
通信，如调制解调器、数据加密、数据压缩、扩频通信、纠错编码、可视电话等；
语音，如语音编码，语音识别、语音合成等；
图形/图象，如三维图象处理、图象压缩与传输、动画、机器人视觉等；
军事，如雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等；
自动控制，如引擎控制、声控、磁盘控制等；
家用电器，汽车电子系统及其它应用领域。
应用DSP的领域可以说是不胜枚举，电视会议系统里，也大量应用DSP器件。视听机
器里也都应用DSP。随着科学技术的发展，将会出现许许多多的DSP新应用领域。

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                          ☆  白白胖胖  ☆
                          有            没      
                          空            事      
                          多            常      
                          吃            洗      
                          饭            澡      

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※ 修改:·wuaitaotao 於 10月23日13:58:37 修改本文·[FROM: rs6.hit.edu.cn]