1.2 數字信號處理器的特點

DSP系統的應用領域極其廣泛，目前其主要的應用領域如下。

（1）基本信號處理：數字濾波器、自適應濾波、FFT、相關運算、譜分析、卷積運算、模式匹配、窗函數、波形產生和變換等。

（2）通信：調制解調、自適應均衡、數據加密、數據壓縮、回波抵消、多路復用、傳真、擴頻通信、糾錯編碼等。

（3）語音：語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、說話人的辨認和確認、語音郵件、語音儲存等。

（4）圖形圖像：二維和三維的圖形處理和圖像的壓縮、傳輸與增強、機器人視覺等。

（5）軍事：保密通信、雷達信號處理、聲吶信號處理、導航、導彈制導等。

（6）儀器儀表：頻譜分析、函數發生、鎖相環、地震信號處理等。

（7）控制：引擎控制、聲控、自動駕駛、機器人控制、磁盤控制等。

（8）醫療：助聽、超聲設備、診斷工具、患者監護等。

（9）家用電器：高保真音響、智能玩具與游戲、數字電話、數字電視等。

DSP當前最大的應用領域是通信。以無線通信領域中的數字蜂窩電話為例，蜂窩電話中的DSP協調模擬基帶芯片、電源處理芯片，數字基帶處理芯片，RF射頻處理芯片合理而快速地工作，并兼有開發和測試的功能。使移動通信設備更加個性化、智能化。

軍事領域是高性能DSP的天地。例如，雷達圖像處理中使用DSP進行目標識別和實時飛行軌跡估計，要求浮點DSP每秒執行數十億次浮點運算，而定點DSP的運算能力已經高達9600MIPS。

嵌入DSP的家用電器已經融入了我們的生活之中。例如，在高清晰數字電視中，就采用DSP實現了其中關鍵的MPEG2譯碼電路；又如，使用DSP技術的家庭音響可以產生比模擬音響更自然、更清晰和更豐富的音響效果；再如，配置了DSP處理器的洗衣機、冰箱不僅提高了系統的功能、效率和可靠性，減少了系統能耗和電磁干擾，而且更加容易操作和控制。

DSP的應用領域也在不斷地擴大。例如，DSP是運行計算機圖像學（Computer Graphics，CG）軟件和提供虛擬現實（Virtual Reality，VR）系統三維圖形處理能力最為關鍵的器件。DSP使CG、VR傳統分析方法得到了質的飛躍。可以預見，隨著DSP芯片性價比的不斷提高和新的實用DSP算法的不斷出現，DSP系統的應用在深度和廣度上會有更大的發展。

1.2.1 存儲器結構

眾所周知，微處理器的存儲器結構分為兩大類：馮·諾伊曼結構和哈佛結構。由于成本的原因，GPP廣泛使用馮·諾伊曼存儲器結構。典型馮·諾伊曼結構的特點是只有一個存儲器空間、一套地址總線和一套數據總線；指令、數據都存放在這個存儲器空間中，統一分配地址，所以處理器必須分時訪問程序和數據空間。通常，做一次乘法會發生4次存儲器訪問，用掉至少4個指令周期。

為了提高指令執行速度，DSP采用了程序存儲器空間和數據存儲器空間分開的哈佛結構和多套地址、數據總線，其結構如圖1-2所示。哈佛結構是并行體系結構，程序和數據存于不同的存儲器空間，每個存儲器空間獨立編址、獨立訪問。因此，DSP可以同時取指令（來自程序存儲器）和取操作數（來自數據存儲器）；而且，還允許在程序空間和數據空間之間相互傳送數據。哈佛讀/寫結構使DSP很容易實現單周期乘法運算。

今天，高性能GPP采用了片內高速緩存（Cache）技術以加快其處理速度。在DSP中也引入了這一技術， TMS320VC5510就為內核提供了指令高速緩存。采用這一技術的原因是指令可能存儲在內部存儲器或外部存儲器，而當其存儲在外部存儲器時，CPU可以用高速緩存保存最近執行的指令，從而提高了系統的處理效率。

1.2.2 流水線

流水線結構將指令的執行分解為取指、譯碼、取操作數和執行等幾個階段。在程序運行過程中，不同指令的不同階段在時間上是重疊的，流水線結構提高了指令執行的整體速度，有助于保證數字信號處理的實時性。因此，所有DSP均采用一定級數的流水線，如TMS320C54x DSP采用6級流水線，而TMS320C6xxx DSP采用8級流水線。TMS320C55x DSP的流水線則被分為指令流水線和執行流水線兩部分，指令流水線完成訪問地址產生、等待存儲器回應、取指令包、預解碼等工作；執行流水線完成譯碼、讀取/修改寄存器、讀操作數和輸出結果等工作。

1.2.3 硬件乘法累加單元

由于DSP任務包含大量的乘法—累加操作，所以DSP處理器使用專門的硬件來實現單周期乘法，并使用累加器寄存器來處理多個乘積的累加；而且幾乎所有DSP指令集都包含有MAC指令。而GPP通常使用微程序實現乘法。

1.2.4 零開銷循環

DSP算法的特點之一是主要的處理時間用在程序中的循環結構中，因此多數DSP都有專門支持循環結構的硬件。所謂“零開銷”（zero overhead）是指循環計數、條件轉移等循環機制由專門硬件控制，而處理器不用花費任何時間。通常GPP的循環控制是用軟件來實現的。

1.2.5 特殊的尋址方式

除了立即數尋址、直接尋址、間接尋址等常見尋址方式之外，DSP還支持一些特殊的尋址方式。例如為了降低卷積、自相關算法和FFT算法的地址計算開銷，多數DSP支持循環尋址和位倒序尋址。而GPP一般不支持這些尋址方式。

1.2.6 高效的特殊指令

DSP指令集設計了一些特殊的DSP指令用于專門的數字信號處理操作。這些指令充分利用了DSP的結構特點，提高了指令執行的并行度，從而大大加快了完成這些操作的速度。例如TMS320C55xx中的FIRSADD指令和LMS指令，分別用于對稱結構FIR濾波算法和LMS算法。

1.2.7 豐富的片內外設

根據應用領域的不同，DSP片內集成了眾多類型的硬件設備。例如，定時器、串行口、并行口、主機接口（HPI）、DMA控制器、等待狀態產生器、PLL時鐘產生器、JTEG標準測試接口、ROM、RAM及Flash等，如圖1-3所示。這些片內外設提高了處理速度和數據吞吐能力，簡化了接口設計，同時降低了系統功耗和節約了電路板空間。

除了上述軟、硬件區別之外，從程序開發的角度上，DSP和GPP也有重要區別。例如， GPP一般使用C語言或C++語言等高級語言；但因為大多數高級語言并不適合于描述典型DSP算法，所以DSP應用程序一般要用匯編語言或C語言與匯編語言嵌套的方式編寫。即使采用C源代碼編譯為匯編代碼的方法，許多核心代碼最后還要用匯編語言進行手工優化。此外，大多數DSP廠商都提供一些開發仿真工具，以幫助程序員完成其開發仿真工作。DSP仿真工具能夠精確到指令周期，這對于確保實時性和代碼優化非常重要。而GPP廠商通常并不需要提供這樣的工具。