数字信号处理器的概念及工作原理

众所周知，处理器是一个简单的芯片或逻辑电路，它响应基本指令以及输入过程来控制处理单元。处理器是智能手机、嵌入式系统、笔记本电脑、计算机等电子系统中必不可少的组件。

处理器的两个基本组件是ALU和控制单元，目前市场上有不同类型的处理器可供选择，例如微控制器、微处理器、数字信号处理器、嵌入式处理器等。在本文中，小编将简单介绍数字信号处理器特点、作用和种类等相关内容。

数字信号处理器的概念

数字信号处理器，英文名Digital Signal Processing，简称DSP，是制造在金属氧化物半导体集成电路上的一种特殊类型的微处理器。数字信号处理广泛用于数字图像处理、电信、音频信号处理、语音识别系统、声纳、雷达等不同应用，也用于手机、HDTV(高清电视)产品、磁盘驱动器等产品。

数字信号处理器工作原理

数字信号处理器主要通过使用音频、语音、温度和视频等真实世界的信号来工作，将它们数字化，然后对其进行数学操作。数字信号处理器非常快速地执行不同的数学函数，例如加法、减法、乘法和除法。

数字信号处理器包括程序存储器、数据存储器、计算引擎和输入/输出等主要组件，其中：

程序存储器用于存储程序以处理数据;

数据存储器用于存储要处理的数据;

计算引擎执行数学运算，访问数据存储器中的数据和程序存储器中的程序;

输入/输出提供不同的功能来连接外部组件。

数字信号处理器框图

数字信号处理器的框图如下图所示：

在上面的框图中，麦克风用作将声音信号转换为电信号的传感器。

之后，从麦克风产生的模拟电信号被提供给运算放大器以调节模拟信号。

抗混叠滤波器是位于ADC输入端的LPF(低通滤波器)，该滤波器用于对宽带信号进行频带限制。

之后，一个简单的ADC转换器单元使用模拟信号和输出作为二进制数字流。

在此框图中，数字信号处理器是系统的核心。目前，CMOS IC用于制造具有高数据吞吐量、专用指令集和高速的数字信号处理器。

之后，DAC将数字信号转换为模拟信号。平滑滤波器是另一种LPF，用于通过消除不必要的高频分量来平滑输出。

扬声器是输出传感器。当然，你也可以根据自己的要求使用其它任何器件，从而实现不一样的功能。

数字信号处理器的特性

数字信号处理器的特性主要包括以下几个方面内容：

用于存储程序的内存与用于存储数据的内存是不同的。

不提供支持多任务的硬件。

用于模数和反转位寻址的特殊说明。

可在主机或支持情况下用作 DMA(直接内存访问)设备。

包括专门设计的架构来获取多个数据。

包括用于优化不同功能的架构。

使用特殊硬件以较低的成本进行循环。

可用的乘法器或累加器非常平行。

一个单元直接处理数据流路径中的浮点数。

计算通常通过定点算术过程进行以加快计算速度。

数字信号处理器的架构

数字信号处理器的架构分别是：

冯诺依曼架构

哈佛架构。

超级哈佛架构。

1、冯诺依曼架构

冯诺依曼的数字信号处理器架构主要包括单个存储器和单个总线，用于将数据传入和传出 CPU(中央处理单元)。任意两个数字相乘至少需要3个CLK 周期，其中1个CLK周期用于借助总线将3个数字中的每一个从内存传输到CPU。

这里不计算将输出传输回内存所花费的时间，因为假设它将保留在中央处理单元中以进行额外的操作。当对串行执行所有必要任务感到满意时，这种类型的架构非常适合。目前，大多数计算机使用冯诺依曼架构，但其他架构只需要非常快速的处理。

2、哈佛架构

哈佛架构的名称取自于1940年代在霍华德·艾肯 (Howard Aiken) 领导下在哈佛大学完成的工作。如下设计所示，它包括两个用于数据和程序指令的独立存储器，每个存储器包括单独的总线。当总线独立工作时，可以一起获取数据和程序指令以提高单总线的速度。目前，这种双总线架构被数字信号处理器使用。

3、超级哈佛架构

数字信号处理器的超级哈佛架构如下图所示。这个名称是由Analog Devices创造的，用于解释其新的ADSP-211xx和ADSP-2106x系列数字信号处理器的内部功能，这些数字信号处理器被称为SHARC DSP，它是对长期超级哈佛架构的简化。

该架构是通过包含一些功能来实现的，以增加吞吐量。虽然超级哈佛架构数字信号处理器在多种方法中进行了优化，但有两个领域足够重要，可以包括指令缓存和I/O控制器。

数字信号处理器的类型

数字信号处理器主要有有定点处理器和浮点处理器两种类型。

1、定点数字信号处理器

在定点数字信号处理器中，每个数字都可以通过至少16位来指定，即使可以使用不同的长度。数字可以用不同的模式表示。

定点是指可以假定小数点位置是固定的，并且对于操作数以及运算结果都是相同的。

定点处理器用于不同的灵活嵌入式应用，因为它使用低功耗和低成本。定点数字信号处理器是;TI的TM320C54x、ADI DSP BF53X、TM320C55x、TM320C64x、TM320C62x和摩托罗拉MSC810x。

2、浮点数字信号处理器

浮点数字信号处理器主要使用至少32位来存储每个值，浮点信号处理器的显着特点是符号数的间距不均匀。浮点数字信号处理器可以简单地处理定点数，这是实现从模数转换器接收并传输到数模转换器的计数器和信号的要求。

对于定点和浮点信号处理器的操作，SHARC系列信号处理器的设计、优化和执行效率相当。与定点DSP相比，浮点DSP的程序简单，但通常非常昂贵，而且功耗也更大。浮点DSP的类型有TI的TMS320c67x 和ADI ADSP 2116x/2126x。

数字信号处理器指令集

数字信号处理器指令集仅支持数字密集型信号处理操作和通用应用程序，例如高速控制和多处理，其主要类型包括：

累加器、算术和逻辑指令。

辅助寄存器和数据页指针指令。

TREG、PREG和乘法指令。

分支指令。

控制指令。

I/O和内存操作。

数字信号处理器和微处理的区别

数字信号处理器和微处理器之间的区别包括以下方面：

数字信号处理器的优缺点

数字信号处理器的优点包括以下几方面内容：整体噪音较小

错误检测和纠正

简单的数据存储

很容易加密

可以传输更多数据

在数字处理系统中，修改一些命令或者改变一些代码行很容易修改

通过更广泛的频率工作

在数字系统中，DSP可以级联而不会出现任何负载问题

通过改变数字可编程系统中的程序，可以简单地改变DSP的操作

通过使用DSP方法，可以简单地实现复杂的信号处理算法

重量轻且更紧凑。

DSP系统是可升级的，因为它们是由软件控制的。

数字信号处理器的缺点包括以下几方面内容：

与模拟通信相比，数字通信需要高带宽来传输数据

大多数数字信号处理器都很昂贵

由于使用了额外的组件，DSP系统的复杂性将会增加

数字信号处理器使用多个晶体管，与模拟信号处理器相比，这些晶体管消耗更多功率

每个DSP的硬件架构和软件指令都不同，因此需要高技能的工程师对设备进行编程。

数字信号处理器应用

数字信号处理器主要应用包括音频和语音处理、雷达、声纳和其他传感器阵列处理、统计信号处理、频谱密度估计、数据压缩、数字图像处理、音频编码、视频编码、图像压缩、控制系统的信号处理、电信、地震学、生物医学工程等。