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换个角度解读DSP芯片

  让你说出知道的芯片的名称,你可能会一时想不起,也不能一一罗列DSP芯片都有哪些。或许是对DSP芯片深刻的了解才了然于心,由于种种原因的忘却;或许是因为大家在说DSP芯片好,既然大家都说好,那才是真的好,至于怎样好,可能是似懂非懂。那好吧,不管是懂还是不懂,现在让我们从新的视角来读懂这个芯片的世界,让你发现不曾明白的细节。

  DSP芯片,也称数字信号处理器,采用特殊的软硬件结构,是一种专注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,是数字信号处理理论实用化过程的重要技术工具。在语音处理、图像处理等技术领域得到了广泛的应用。那根据对DSP芯片的理解来对比与其他芯片的最要的区别是什么?杭州海康威视数字技术股份有限公司的高级嵌入式开发经理黄田认为,DSP芯片与其它芯片的最大区别在于它拥有针对各种算法设计的大量专用指令,比如各种向量运算。另外DSP芯片在设计时更多地考虑到数据总线的带宽以及吞吐量,避免数据访问成为影响算法性能的瓶颈。

  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。下面简单介绍DSP芯片的基本结构。

  (1)哈佛结构

  主要特点是将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,每个存储器独立编址,独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线,从而使数据的吞吐率提高了一倍。由于程序和数据在两个分开的空间,因此取指和执行能完全重叠。

  (2)流水线操作

  流水线与哈佛结构相关,DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间,从而增强了处理器的处理能力。处理器可以并行处理二到四条指令,每条指令处于流水线的不同阶段。下面所列是一个三级流水线操作的例子:

  CLLOUT1

  取指NN-1N-2;

  译码N-1NN-2;

  执行N-2N-1N,

  (3)专用的硬件乘法器

  专用的硬件乘法器,乘法速度越快,DSP处理器的性能越高。由于具有专用的应用乘法器,乘法可在一个指令周期内完成。

  (4)特殊的DSP指令

  DSP是采用特殊的指令。

  (5)快速的指令周期

  特殊的DSP指令,DSP芯片是采用特殊的指令。快速的指令周期、哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令,再加上集成电路的优化设计可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。

  DSP系统的特点

  数字信号处理有别于普通的科学计算与分析,它强调运算处理的实时性,因此DSP除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外,针对实时数字信号处理,在处理器结构、指令系统、指令流程上具有许多新的特征,其特点如下:

  算术单元

  具有硬件乘法器和多功能运算单元,硬件乘法器可以在单个指令周期内完成乘法操作,这是DSP区别于通用的微处理器的一个重要标志。多功能运算单元可以完成加减、逻辑、移位、数据传送等操作。新一代DSP内部甚至还包含多个并行的运算单元,以提高其处理能力。针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘和累加运算的特点,DSP的算术单元的乘法器和加法器,可以在一个时钟周期内完成相乘、累加两个运算。近年出现的一些DSP如ADSP2106X、DSP96000系列DSP可以同时进行乘、加、减运算,大大加快了FFT的蝶形运算速度。

  总线结构

  传统的通用处理器采用统一的程序和数据空间、共享的程序和数据总线结构,即所谓的冯.诺依曼结构。DSP普遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构或者改进的哈佛结构,极大地提高了指令执行速度。片内的多套总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作,许多DSP片内嵌有DMA控制器,配合片内多总线结构,使数据块传送速度大大提高。

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