DSP 学习笔记 |（一）初识 DSP

Last updated on April 30, 2023 am

由于工作需要，在此开设 DSP 学习笔记系列。如有错误，欢迎交流指正！

一、DSP 概念

数字信号处理器（DSP，Digital Signal Processor）接收经数字化处理的语音、音频、视频、温度、压力或位置等现实世界信号，然后以数学方式进行操作处理。可以非常迅速地执行”加”、”减”、”乘”、”除”之类数学运算功能。

通过下图可以清楚了解 MP3 播放器中 DSP 的工作原理。在录制阶段，模拟音频通过接收器或其他来源输入。模拟信号接着通过一个模数转换器转换为数字信号，再传至 DSP。 DSP 进行 MP3 编码，然后将文件保存至内存。在回放阶段，文件从内存中取出，由DSP解码，再经数模转换器转回模拟信号。这样模拟信号就可以通过音响系统输出。在更复杂的例子中，DSP 将执行其他功能，如音量控制、均衡和用户界面。

DSP 与其它处理器的差别

数字信号处理器（DSP）、通用微处理器（MPU）、微控制器（MCU）三者的区别在于：DSP 面向高性能、重复性、数值运算密集型的实时处理；MPU 大量应用于计算机；MCU 则适用于以控制为主的处理过程。

二、DSP 结构特点

哈佛结构：一种将程序指令存储和数据指令存储分开的存储器结构。可以减轻程序运行时的总线瓶颈。(程序和数据不在同一个地方)

专业的硬件乘法器

经典的 FFT、IIR 和 FIR 等数字信号处理算法中，乘法的 DSP 运算的重要组成部分；
- 时钟周期：晶振频率的倒数；
- 机器周期：把一条指令分割成若干个阶段，每个阶段就称为机器周期；
- 指令周期：取指令、译码、操作，完成一条指令所需要的时间。
流水线操作

执行指令的几个阶段在程序执行过程中是重叠的，即几条不同的指令同时处于激活状态，每天指令处于不同的阶段。

取指和取操作数都需要对 CPU 和内存来进行对数据的和指令的交换。由于 DSP 是哈佛结构，CPU 和存储器不在同一位置，所有可以同时进行。在冯诺依曼结构中，数据和指令都在同一存储器中，不能重叠进行。
特殊的 DSP 指令

DSP 采用特殊的指令。
快速的指令周期

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。

三、DSP 芯片分类

根据基础特性分类：静态 DSP 芯片、一致性 DSP 芯片
根据数据格式分类：定点 DSP 芯片、浮点 DSP 芯片
根据用途分类：通用型 DSP 芯片、专业型 DSP 芯片

四、DSP 内部结构

DSP 包含以下这些重要元件：

程序存储器：储存 DSP 将用来处理数据的程序
数据存储器：储存将要处理的信息
计算引擎：进行数学处理、访问程序存储器中的程序及数据存储器中的数据。
输入/输出：提供一系列功能，与外部连接

4.1 内存总线

内存总线（Memory Bus）：包含数据总线和地址总线，总线是为了数据交换的。

以 TI DSP ‘28x 为例，CPU 内部总线：

4.2 CMD 文件

命令文件即 CMD （Command）是 DSP 运行程序必不可少的文件，用于指定 DSP 存储器分配；
CMD 文件主要由两个伪指令构成，即 MEMORY 和 SECTIONS；
MEMORY 指令定义目标存储器的配置，SECTIONS 指令规定程序中各个段及其在存储器中的位置。

五、DSP 相关名词

模拟信号处理 vs 数字信号处理

前者可以处理包括微波毫米波乃至光波信号（分辨率很高）。后者按照奈氏准则的要求，受 S/H 、A/D 和处理速度的限制，对高频信号处理没有优势。
在 DSP 开发中就是通过对 DSP 的寄存器进行配置或者赋值，来控制 DSP 使其按照我们预定的功能运行。
align = 16，地址对齐，起始地址必须是 16 的倍数。
位: 数字字可细分的最小单位。位数反映字宽。字的位数越多，该字代表的数越大。
DMA（直接存储器访问）：DSP的I/O处理器通过外部、主机、串行、SPI 和 UART 端口支持在 DSP 存储器和外部存储器、主机或外设之间的数据 DMA。每次 DMA 操作可以传输整块数据。
定点：DSP 操控和表示最适合数字的一种方法，其中该数字不大于单个内部寄存器中的最大数字。寄存器的大小由其包含的位数确定。例如，32 位数可能大于 16 位数。
浮点：数字由尾数和指数表示的系统。例如，a×2b，其中”a”为尾数，b为指数。利用该方法，DSP 可操纵非常小的数字或非常大的数字。浮点处理器表示IEEE确定的标准格式数字。它是由 32 位表示的科学计数法。
Von Neumann architecture 架构：这是大多数（非 DSP）微处理器所用的架构。该架构采用单一地址和数据总线进行存储器访问
Harvard 架构：DSP 使用具有独立总线的内存架构以便编程和存储数据。两个总线使 DSP 同时获得数据字和指令。
I/O 处理器： DSP 具有分布式 DMA 架构，其中每个支持 DMA 的外设均配有 DMA 控制器。此外，大多数端口可直接（非 DMA）访问内部存储器和 I/O 存储器。 I/O 处理器这一术语在全球范围内指 DMA 控制器、DMA 通道仲裁和外设至总线连接。
MIPS: 百万条指令/秒，其中每个指令可执行多个操作。
MACS: 乘加/秒
MOPS: 百万次操作/秒
MFLOPS: 百万次浮点操作/秒
字: 表示数据值的位串。 DSP 中的字长通常为16位、24位、32位和48位。