2010年 5月 18日 DSP原理及应用 1
第 1章 DSP绪论
内容提要
进入 21世纪之后，数字化浪潮正在席卷全球，
数字信号处理器 DSP（ Digital Signal Processor） 正
是这场数字化革命的核心，无论在其应用的广度还
是深度方面，都在以前所未有的速度向前发展。 本
章主要对数字信号处理进行简要介绍。
首先对数字信号处理进行了概述，介绍了 DSP的
基本知识；接着介绍了可编程 DSP芯片，对 DSP芯片
的发展、特点、分类、应用和发展趋势作了论述；
然后介绍 DSP系统，对 DSP系统的构成、特点、设计
过程以及芯片的选择进行了详细的介绍；最后对
DSP产品作了简要介绍。
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第 1章 DSP绪论
知识要点
● 数字信号处理
● DSP芯片的特点
● DSP系统
● DSP系统的设计过程
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第 1章 DSP绪论
1.1 数字信号处理概述
1.2 可编程 DSP芯片
1.3 DSP系统
1.4 DSP产品简介
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第 1章 DSP绪论
1.1 数字信号处理概述
数字信号处理（简称 DSP） 是一门涉及多门学科并广泛应
用于很多科学和工程领域的新兴学科。
数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字的
形式对信号进行分析、采集、合成、变换、滤波、估算、压
缩、识别等加工处理，以便提取有用的信息并进行有效的传
输与应用。
数字信号处理是以众多学科为理论基础,它所涉及的范围
极其广泛。如数学领域中的微积分、概率统计、随机过程、
数字分析等都是数字信号处理的基础工具。它与网络理论、
信号与系统、控制理论、通信理论、故障诊断等密切相关。
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第 1章 DSP绪论
DSP可以代表数字信号处理技术（ Digital Signal
Processing）,也可以代表数字信号处理器（ Digital
Signal Processor）。 前者是理论和计算方法上的技术,
后者是指实现这些技术的通用或专用可编程微处理器
芯片。
数字信号处理包括两个方面的内容,
1．算法的研究
2．数字信号处理的实现
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第 1章 DSP绪论
1．算法的研究
算法的研究是指如何以最小的运算量和存储器的
使用量来完成指定的任务，如 20世纪 60年代出现的快
速傅里叶变换（ FFT）,使数字信号处理技术发生了
革命性的变化。
近几年来，数字信号处理的理论和方法得到了迅
速的发展，诸如：语音与图像的压缩编码、识别与鉴
别，信号的调制与解调、加密和解密，信道的辨识与
均衡，智能天线，频谱分析等各种快速算法都成为研
究的热点、并取得了长足的进步，为各种实时处理的
应用提供了算法基础。
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第 1章 DSP绪论
2．数字信号处理的实现
数字信号处理的实现是用硬件、软件或软硬结
合的方法来实现各种算法。数字信号处理的实现一般
有以下几种方法：
① 在通用计算机（ PC机）上用软件（如 Fortran,C语
言）实现，但速度慢，不适合实时数字信号处理，只用于算
法的模拟；
② 在通用计算机系统中加入专用的加速处理机实现，用
以增强运算能力和提高运算速度。不适合于嵌入式应用，专用
性强，应用受到限制；
③ 用单片机实现，用于不太复杂的数字信号处理。不适
合于以乘法 -累加运算为主的密集型 DSP算法；
④ 用通用的可编程 DSP芯片实现，具有可编程性和强大
的处理能力，可完成复杂的数字信号处理的算法，在实时 DSP
领域中处于主导地位；
⑤ 用专用的 DSP芯片实现，可用在要求信号处理速度极
快的特殊场合，如专用于 FFT,数字滤波、卷积、相关算法的
DSP芯片，相应的信号处理算法由内部硬件电路实现。用户无
需编程，但专用性强，应用受到限制；
⑥ 用基于通用 DSP核的 ASIC芯片实现。随着专用集成电
路 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的广泛使用,可
以将 DSP的功能集成到 ASlC中。一般说来,DSP核是通用 DSP
器件中的 CPU部分，再配上用户所需的存储器 (包括 Cache、
RAM,ROM,flash,EPROM)和外设 (包括串口、并口、主机
接口,DMA,定时器等 )，组成用户的 ASIC。
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第 1章 DSP绪论
1.2 可编程 DSP芯片
数字信号处理器（ DSP） 是一种特别适合于进行
数字信号处理运算的微处理器，主要用于实时快速实
现各种数字信号处理的算法。
在 20世纪 80年代以前，由于受实现方法的限制,
数字信号处理的理论还不能得到广泛的应用。直到 20
世纪 80年代初，世界上第一块单片可编程 DSP芯片的
诞生，才使理论研究成果广泛应用到实际的系统中，
并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸
张地讲,DSP芯片的诞生及发展对近 20年来通信、计
算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。
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第 1章 DSP绪论
1.2.1 DSP芯片的发展概况
DSP芯片诞生于 20世纪 70年代末，至今已经得到
了突飞猛进的发展，并经历了以下三个阶段。
第一阶段,DSP的雏形阶段（ 1980年前后）。
1978年 AMI公司生产出第一片 DSP芯片 S2811。
1979年美国 Intel公司发布了商用可编程 DSP器件 Intel2920,
由于内部没有单周期的硬件乘法器，使芯片的运算速度、数据
处理能力和运算精度受到了很大的限制。运算速度大约为单指
令周期 200~250ns,应用领域仅局限于军事或航空航天部门。
这个时期的代表性器件主要有,Intel2920（ Intel）、
?PD7720（ NEC）,TMS32010（ TI）,DSP16（ AT&T）、
S2811（ AMI）,ADSp— 21（ AD） 等。
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第 1章 DSP绪论
1.2.1 DSP芯片的发展概况
第二阶段,DSP的成熟阶段（ 1990年前后）。
这个时期的 DSP器件在硬件结构上更适合数字信号处理的
要求，能进行硬件乘法、硬件 FFT变换和单指令滤波处理，其
单指令周期为 80~100ns。
如 TI公司的 TMS320C20,它是该公司的第二代 DSP器件,
采用了 CMOS制造工艺，其存储容量和运算速度成倍提高，为
语音处理、图像硬件处理技术的发展奠定了基础。
20世纪 80年代后期，以 TI公司的 TMS320C30为代表的第
三代 DSP芯片问世，伴随着运算速度的进一步提高，其应用范
围逐步扩大到通信、计算机领域。
这个时期的器件主要有,TI公司的 TMS320C20,30,40、
50系列,Motorola公司的 DSP5600,9600系列,AT&T公司的
DSP32等。
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第 1章 DSP绪论
1.2.1 DSP芯片的发展概况
第三阶段,DSP的完善阶段（ 2000年以后）。
这一时期各 DSP制造商不仅使信号处理能力更加完善,而
且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步
降低、成本不断下降。尤其是各种通用外设集成到片上,大大地
提高了数字信号处理能力。这一时期的 DSP运算速度可达到单
指令周期 10ns左右，可在 Windows环境下直接用 C语言编程,使
用方便灵活，使 DSP芯片不仅在通信、计算机领域得到了广泛
的应用，而且逐渐渗透到人们日常消费领域。
目前,DSP芯片的发展非常迅速。硬件方面主要是向多处理
器的并行处理结构、便于外部数据交换的串行总线传输、大容
量片上 RAM和 ROM,程序加密、增加 I/O驱动能力、外围电路
内装化、低功耗等方面发展。软件方面主要是综合开发平台的
完善，使 DSP的应用开发更加灵活方便。
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第 1章 DSP绪论
1.2.2 DSP芯片的特点
数字信号处理不同于普通的科学计算与分析，它强调运
算的实时性。除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控
制能力外,针对实时数字信号处理的特点,在处理器的结构、指
令系统、指令流程上作了很大的改进,其主要特点如下：
1．采用哈佛结构
DSP芯片普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构
或改进的哈佛结构,比传统处理器的冯 ·诺伊曼结构有更快的指
令执行速度。
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第 1章 DSP绪论
1．采用哈佛结构
(1) 冯 ·诺伊曼（ Von Neuman） 结构
该结构采用单存储空间，即程序指令和数据共用一个
存储空间，使用单一的地址和数据总线，取指令和取操作
数都是通过一条总线分时进行。
当进行高速运算时，不但不能同时进行取指令和取操
作数，而且还会造成数据传输通道的瓶颈现象，其工作速
度较慢。
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第 1章 DSP绪论
1．采用哈佛结构
(1) 冯 ·诺伊曼（ Von Neuman） 结构
图 1.2.1 冯 ·诺伊曼结构
CPU
I/O口
ROM
串行接口
RAM
并行接口
外部存储
器接口
地址总线 AB
数据总线 DB
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第 1章 DSP绪论
1．采用哈佛结构
（ 2）哈佛（ Harvard） 结构
该结构采用双存储空间，程序存储器和数据存储器分
开，有各自独立的程序总线和数据总线，可独立编址和独
立访问，可对程序和数据进行独立传输，使取指令操作、
指令执行操作、数据吞吐并行完成，大大地提高了数据处
理能力和指令的执行速度，非常适合于实时的数字信号处
理。微处理器的哈佛结构如图 1.2.2所示。
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第 1章 DSP绪论
1．采用哈佛结构
（ 2）哈佛（ Harvard） 结构
外部管理数据总线
外部管理地址总线
数据总线
数据地址总线
程序数据总线
程序地址总线
CPU
I/O口
ROM
串行接口
RAM
并行接口
外部存储
器接口
图 1.2.2 哈佛结构
外部管理数据总线
外部管理地址总线数据总线
数据地址总线
程序数据总线
程序地址总线
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第 1章 DSP绪论
1．采用哈佛结构
（ 3）改进型的哈佛结构
改进型的哈佛结构是采用双存储空间和数条总线，即
一条程序总线和多条数据总线。其特点如下：
① 允许在程序空间和数据空间之间相互传送数据,使这
些数据可以由算术运算指令直接调用,增强芯片的灵活性；
② 提供了存储指令的高速缓冲器（ cache） 和相应的指
令,当重复执行这些指令时,只需读入一次就可连续使用，不
需要再次从程序存储器中读出,从而减少了指令执行作需要
的时间。如,TMS320C6200系列的 DSP,整个片内程序存储
器都可以配制成高速缓冲结构。
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第 1章 DSP绪论
1.2.2 DSP芯片的特点
2．采用多总线结构
DSP芯片都采用多总线结构，可同时进行取指令和多个
数据存取操作，并由辅助寄存器自动增减地址进行寻址，使
CPU在一个机器周期内可多次对程序空间和数据空间进行访
问，大大地提高了 DSP的运行速度。如,TMS320C54x系列
内部有 P,C,D,E等 4组总线，每组总线中都有地址总线和
数据总线，这样在一个机器周期内可以完成如下操作：
① 从程序存储器中取一条指令；
② 从数据存储器中读两个操作数；
③ 向数据存储器写一个操作数 。
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第 1章 DSP绪论
1.2.2 DSP芯片的特点
3．采用流水线技术
每条指令可通过片内多功能单元完成取指、译码、取操
作数和执行等多个步骤，实现多条指令的并行执行，从而在
不提高系统时钟频率的条件下减少每条指令的执行时间。其
过程如图 1.2.3所示。
时钟
取指令
指令译码
取操作数
执行指令
T1 T2 T3 T4
N
N-1
N-2
N-3
N+1
N
N-1
N-2
N+2
N+1
N
N-1
N+3
N+2
N+1
N
图 1.2.3 四级流水线操作
利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证在
单指令周期内完成数字信号处理中用得最多的乘法 -累加运
算。如：
?
?
?
n
i
ii xay
1
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第 1章 DSP绪论
1.2.2 DSP芯片的特点
4,配有专用的硬件乘法 -累加器
为了适应数字信号处理的需要，当前的 DSP芯片都配有
专用的硬件乘法 -累加器，可在一个周期内完成一次乘法和
一次累加操作，从而可实现数据的乘法 -累加操作。如矩阵
运算,FIR和 IIR滤波,FFT变换等专用信号的处理。
5,具有特殊的 DSP指令
为了满足数字信号处理的需要，在 DSP的指令系统中，
设计了一些完成特殊功能的指令。
如,TMS320C54x中的 FIRS和 LMS指令，专门用于完
成系数对称的 FIR滤波器和 LMS算法。
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第 1章 DSP绪论
1.2.2 DSP芯片的特点
6．快速的指令周期
由于采用哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、
特殊的指令以及集成电路的优化设计，使指令周期可在 20ns
以下。如,TMS320C54x的运算速度为 100MIPS,即 100百
万条 /秒。
7．硬件配置强
新一代的 DSP芯片具有较强的接口功能，除了具有串行
口、定时器、主机接口（ HPI）,DMA控制器、软件可编程
等待状态发生器等片内外设外，还配有中断处理器,PLL、
片内存储器、测试接口等单元电路，可以方便地构成一个嵌
入式自封闭控制的处理系统。
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第 1章 DSP绪论
1.2.2 DSP芯片的特点
8．支持多处理器结构
为了满足多处理器系统的设计, 许多 DSP芯片都采用
支持多处理器的结构 。 如,TMS320C40提供了 6个用于处理
器间高速通信的 32位专用通信接口, 使处理器之间可直接对
通, 应用灵活, 使用方便；
9．省电管理和低功耗
DSP功耗一般为 0.5~4W,若采用低功耗技术可使功耗降
到 0.25W,可用电池供电，适用于便携式数字终端设备。
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第 1章 DSP绪论
1.2.3 DSP芯片的分类
为了适应数字信号处理各种各样的实际应用, DSP厂商
生产出多种类型和档次的 DSP芯片 。 在众多的 DSP芯片中,
可以按照下列 3种方式进行分类 。
1,按基础特性分类
2,按用途分类
3,按数据格式分类
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第 1章 DSP绪论
1.2.3 DSP芯片的分类
1．按基础特性分类
这种分类是依据 DSP芯片的工作时钟和指令类型进行的。
可分为静态 DSP芯片和一致性 DSP芯片。
如果 DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率上都能正常
工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类 DSP芯片
一般称之为静态 DSP芯片。
例如,TI公司的 TMS320系列芯片、日本 OKI电气公司的
DSP芯片都属于这一类芯片。
如果有两种或两种以上的 DSP芯片，它们的指令集和相应
的机器代码及管脚结构相互兼容，则这类 DSP芯片被称之为一
致性的 DSP芯片。
例如,TI公司的 TMS320C54x。
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第 1章 DSP绪论
1.2.3 DSP芯片的分类
2,按用途分类
按照用途，可将 DSP芯片分为通用型和专用型两大类。
通用型 DSP芯片,一般是指可以用指令编程的 DSP芯片，
适合于普通的 DSP应用，具有可编程性和强大的处理能力，可
完成复杂的数字信号处理的算法。
专用型 DSP芯片,是为特定的 DSP运算而设计，通常只针
对某一种应用，相应的算法由内部硬件电路实现，适合于数字
滤波,FFT,卷积和相关算法等特殊的运算。主要用于要求信
号处理速度极快的特殊场合。
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第 1章 DSP绪论
1.2.3 DSP芯片的分类
3．按数据格式分类
根据芯片工作的数据格式, 按其精度或动态范围, 可将
通用 DSP划分为定点 DSP和浮点 DSP两类 。
若数据以定点格式工作的 —— 定点 DSP芯片。
若数据以浮点格式工作的 —— 浮点 DSP芯片。
不同的浮点 DSP芯片所采用的浮点格式有所不同，有的
DSP芯片采用自定义的浮点格式，有的 DSP芯片则采用 IEEE的
标准浮点格式。
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第 1章 DSP绪论
1.2.4 DSP芯片的应用
随着 DSP芯片价格的下降，性能价格比的提高,DSP芯片
具有巨大的应用潜力。
主要应用：
1,信号处理
2,通 信
3,语 音
4,图像处理
5,军 事
6,仪器仪表
7,自动控制
8,医疗工程
9,家用电器
10,计 算 机
如：数字滤波、自适应滤波、
快速傅氏变换,Hilbert变换、
相关运算、频谱分析、
卷 积、模式匹配、
窗函数、波形产生等；
如：调制解调器、自适应均衡、
数据加密、数据压缩、
回波抵消、多路复用、
传真、扩频通信、
移动通信、纠错编译码、
可视电话、路由器等；
如：语音编码、语音合成、
语音识别、语音增强、
语音邮件、语音存储、
文本 — 语音转换等；
如：二维和三维图形处理、
图像压缩与传输、
图像鉴别、图像增强、
图像转换、模式识别、
动画、电子地图、
机器人视觉等；
如：保密通信
雷达处理
声纳处理
导航
导弹制导
电子对抗
全球定位 GPS
搜索与跟踪
情报收集与处理等
如：频谱分析、函数发生、
数据采集、锁相环、
模态分析、暂态分析、
石油 /地质勘探、
地震预测与处理等；
如：引擎控制
声 控
发动机控制
自动驾驶
机器人控制
磁盘 /光盘伺服控制
神经网络控制等
如：助听器
X-射线扫描
心电图 /脑电图
超声设备
核磁共振
诊断工具
病人监护等
如：高保真音响
音乐合成
音调控制
玩具与游戏
数字电话 /电视
高清晰度电视 HDTV
变频空调
机顶盒等
如：震裂处理器
图形加速器
工作站
多媒体计算机等
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第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
1,DSP芯片的现状
（ 1） 制造工艺
早期 DSP采用 4?m的 NMOS工艺。现在的 DSP芯片普遍
采用 0.25?m或 0.18?m亚微米的 CMOS工艺。芯片引脚从原来
的 40个增加到 200个以上，需要设计的外围电路越来越少，
成本、体积和功耗不断下降。
（ 2） 存储器容量
早期的 DSP芯片，其片内程序存储器和数据存储器只有
几百个单元。目前，片内程序和数据存储器可达到几十 K字
，而片外程序存储器和数据存储器可达到 16M?48位和 4G?40
位以上。
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第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
1,DSP芯片的现状
（ 3） 内部结构
目前,DSP内部均采用多总线、多处理单元和多级流水
线结构，加上完善的接口功能，使 DSP的系统功能、数据处
理能力和与外部设备的通信功能都有了很大的提高。
（ 4） 运算速度
近 20年的发展，使 DSP的指令周期从 400ns缩短到 10ns
以下，其相应的速度从 2.5MIPS提高到 2000MIPS以上。如
TMS320C6201执行一次 1024点复数 FFT运算的时间只有
66?S。
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第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
1,DSP芯片的现状
（ 5） 高度集成化
集滤波,A/D,D/A,ROM,RAM和 DSP内核于一体
的模拟混合式 DSP芯片已有较大的发展和应用。
（ 6） 运算精度和动态范围
DSP的字长从 8位已增加到 32位，累加器的长度也增加
到 40位，从而提高了运算精度。同时，采用超长字指令字
（ VLIW） 结构和高性能的浮点运算，扩大了数据处理的动
态范围。
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第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
1,DSP芯片的现状
（ 7） 开发工具
具有较完善的软件和硬件开发工具，如：软件仿真器
Simulator,在线仿真器 Emulator,C编译器和集成开发环
境 CCS等，给开发应用带来很大方便。
CCS是 TI公司针对本公司的 DSP产品开发的集成开发
环境。它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功
能，而且支持 C/C++和汇编的混合编程。开放式的结构允许
外扩用户自身的模块。
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第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
2．国内 DSP的发展现状
进入 21世纪以后，中国新兴的数字消费类电子产品进入
增长期，市场呈现高增长态势，普及率大幅度提高，从而带
动了 DSP市场的高速发展。此外，计算机、通信和消费类电
子产品的数字化融合也为 DSP提供了进一步的发展机会。
随着中国数字消费类产品需求的大幅增长，以及 DSP对
数字信号高速运算与同步处理能力的提高,DSP的应用领域
将逐渐从移动电话领域扩展到新型数字消费类领域。
应用：用于图像压缩与传输等图像信号的处理，语音的
编码、合成、识别和高保真等语音信号的处理以及通信信号
的调制解调、加密、多路复用、扩频、纠错编码等处理。
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第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
3,DSP技术的发展趋势
未来的 10年，全球 DSP产品将向着高性能、低功耗、加
强融合和拓展多种应用的趋势发展,DSP芯片将越来越多地
渗透到各种电子产品当中，成为各种电子产品尤其是通信类
电子产品的技术核心。
DSP技术将会有以下一些发展趋势：
（ 1） DSP的内核结构将进一步改善
多通道结构和单指令多重数据（ SIMD）,特大指令字
组（ VLIM） 将在新的高性能处理器中占主导地位，如 AD公
司的 ADSP-2116x。
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第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
3,DSP技术的发展趋势
（ 2） DSP和微处理器的融合
微处理器 MPU,是一种执行智能定向控制任务的通用处
理器，它能很好地执行智能控制任务，但是对数字信号的处
理功能很差。
DSP处理器,具有高速的数字信号处理能力。
在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理
两种功能。
将 DSP和微处理器结合起来，可简化设计，加速产品的
开发，减小 PCB体积，降低功耗和整个系统的成本。
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第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
3,DSP技术的发展趋势
（ 3） DSP和高档 CPU的融合
大多数高档 MCU,如 Pentium 和 PowerPC都是 SIMD指
令组的超标量结构，速度很快。
在 DSP中融入高档 CPU的分支预示和动态缓冲技术，具
有结构规范，利于编程，不用进行指令排队，使 DSP性能大
幅度提高。
（ 4） DSP和 SOC的融合
SOC是指把一个系统集成在一块芯片上 。 这个系统包括
DSP 和系统接口软件等 。
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第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
3,DSP技术的发展趋势
（ 5） DSP和 FPGA的融合
FPGA是现场可编程门阵列器件。它和 DSP集成在一块
芯片上，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度。
（ 6） 实时操作系统 RTOS与 DSP的结合
随着 DSP处理能力的增强, DSP系统越来越复杂, 使得
软件的规模越来越大, 往往需要运行多个任务, 各任务间的
通信, 同步等问题就变得非常突出 。
随着 DSP性能和功能的日益增强, 对 DSP应用提供
RTOS的支持已成为必然的结果 。
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第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
3,DSP技术的发展趋势
（ 7） DSP的并行处理结构
为了提高 DSP芯片的运算速度，各 DSP厂商纷纷在 DSP
芯片中引入并行处理机制。这样，可以在同一时刻将不同的
DSP与不同的任一存储器连通，大大提高数据传输的速率。
（ 8） 功耗越来越低
随着超大规模集成电路技术和先进的电源管理设计技术
的发展,DSP芯片内核的电源电压将会越来越低。
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第 1章 DSP绪论
1.3 DSP系统
1.3.1 DSP系统的构成
一个典型的 DSP系统应包括抗混叠滤波器、数据
采集 A/D转换器、数字信号处理器 DSP,D/A转换器和
低通滤波器等组成。
x(t) 抗混叠
滤波器
A/D
转换器
x(n) y(n) y(t)数字信号
处理器
D/A
转换器
低通
滤波器
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第 1章 DSP绪论
DSP系统的处理过程：
① 将输入信号 x(t)进行抗混叠滤波，滤掉高于
折叠频率的分量，以防止信号频谱的混叠；
② 经采样和 A/D转换器，将滤波后的信号转换
为数字信号 x(n)；
③ 数字信号处理器对 x(n)进行处理，得数字信
号 y(n)；
④ 经 D/A转换器，将 y(n)转换成模拟信号；
⑤ 经低通滤波器，滤除高频分量，得到平滑的
模拟信号 y(t)。
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第 1章 DSP绪论
1.3.2 DSP系统的特点
（ 1）接口方便
（ 2）编程方便
（ 3）具有高速性
（ 4）稳定性好
（ 5）精度高
（ 6）可重复性好
（ 7）集成方便
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第 1章 DSP绪论
1.3.3 DSP系统的设计过程
DSP应用系统的设计过程如图所示。
根据需求写出任务书
确定设计目标
算法研究和系统模拟实现
定义系统性能指标
选择 DSP芯片
和外围芯片
硬件设计
硬件调试
软件设计
软件调试
系统集成和测试
设计步骤分几个阶段：
（ 1）明确设计任务，确定设计目标
（ 2）算法模拟，确定性能指标
（ 3）选择 DSP芯片和外围芯片
（ 4）设计实时的 DSP应用系统
（ 5）硬件和软件调试
（ 6）系统集成和测试
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 42
第 1章 DSP绪论
1.3.4 DSP芯片的选择
在进行 DSP系统设计时，选择合适的 DSP芯片是非常重要
的一个环节。通常依据系统的运算速度、运算精度和存储器的
需求等来选择 DSP芯片。
一般来说，选择 DSP芯片时应考虑如下一些因素。
1,DSP芯片的运算速度
2,DSP芯片的价格
3,DSP芯片的运算精度
4,DSP芯片的硬件资源
5,DSP芯片的开发工具
6,DSP芯片的功耗
7．其它因素
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 43
第 1章 DSP绪论
1.3.4 DSP芯片的选择
2,DSP芯片的价格
DSP芯片的价格也是选择 DSP芯片所需考虑的一个重要
因素。
在系统的设计过程中，应根据实际系统的应用情况来选
择一个价格适中的 DSP芯片。
3,DSP芯片的运算精度
运算精度取决于 DSP芯片的字长。
定点 DSP芯片的字长通常为 16位和 24位。
浮点 DSP芯片的字长一般为 32位。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 44
第 1章 DSP绪论
4,DSP芯片的硬件资源
DSP芯片的硬件资源主要包括：片内 RAM,ROM的数
量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口,I/O接口等。
不同的 DSP芯片所提供的硬件资源是不相同的，应根据系
统的实际需要，考虑芯片的硬件资源。
5,DSP芯片的开发工具
快捷、方便的开发工具和完善的软件支持是开发大型、
复杂 DSP应用系统的必备条件。
在选择 DSP芯片的同时必须注意开发工具对芯片的支持，
包括软件和硬件的开发工具等。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 45
第 1章 DSP绪论
6,DSP芯片的功耗
在某些 DSP应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问
题。如便携式的 DSP设备、手持设备、野外应用的 DSP设备
等都对功耗有特殊的要求。
7．其它因素
选择 DSP芯片还应考虑封装的形式、质量标准、供货情
况、生命周期等。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 46
第 1章 DSP绪论
1.4 DSP产品简介
目前，在生产通用 DSP的厂家中，最有影响的公
司有：
AD公司
AT&T公司（现在的 Lucent公司）
Motorola公司
TI公司（美国德州仪器公司）
NEC公司。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 47
第 1章 DSP绪论
1,AD公司
定点 DSP,ADSP21xx系列 16bit 40MIPS；
浮点 DSP,ADSP21020系列 32bit 25MIPS；
并行浮点 DSP,ADSP2106x系列 32bit 40MIPS；
超高性能 DSP,ADSP21160系列 32bit 100MIPS。
2,AT&T公司
定点 DSP,DSP16系列 16bit 40MIPS；
浮点 DSP,DSP32系列 32bit 12.5MIPS。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 48
第 1章 DSP绪论
3,Motorola公司
定点 DSP,DSP56000系列 24bit 16MIPS；
浮点 DSP,DSP96000系列 32bit 27MIPS。
4,NEC公司
定点 DSP,?PD77Cxx系列 16bit；
?PD770xx系列 16bit；
?PD772xx系列 24bit或 32bit。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 49
第 1章 DSP绪论
5,TI公司
该公司自 1982年推出第一款定点 DSP芯片以来, 相继推出
定点, 浮点和多处理器三类运算特性不同的 DSP芯片, 共计
已发展了七代产品 。 其中, 定点运算单处理器的 DSP有七个
系列, 浮点运算单处理器的 DSP有三个系列, 多处理器的
DSP有一个系列 。 主要按照 DSP的处理速度, 运算精度和并
行处理能力分类, 每一类产品的结构相同, 只是片内存储器
和片内外设配置不同 。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 50
第 1章 DSP绪论
5,TI公司
定点 DSP,① TMS320C1x系列 16bit 第一代 1982年前后；
② TMS320C2x系列 16bit 第二代 1987年前后；
③ TMS320C5x系列 16bit 第五代 1993年；
④ TMS320C54x系列 16bit 第七代 1996年；
⑤ TMS320C24x系列 16bit 第七代 1996年；
⑥ TMS320C6x系列 32bit 第七代 1997年；
⑦ TMS320C55x系列 16bit 第七代 2000年 。
浮点 DSP,① TMS320C3x系列 32bit 第三代 1990年；
② TMS320C4x系列 32bit 第四代 1990年；
③ TMS320C67x系列 64bit 第七代 1998年 。
多处理器 DSP,① TMS320C8x系列 32bit 第六代 1994年 。
C2x,C24x称为 C2000系列, 主要用于数字控制系统；
C54x,C55x称为 C5000系列, 主要用于功耗低, 便于携
带的通信终端；
C62x,C64x和 C67x称为 C6000系列, 主要用于高性能复
杂的通信系统, 如移动通信基站 。
第 1章 DSP绪论
内容提要
进入 21世纪之后，数字化浪潮正在席卷全球，
数字信号处理器 DSP（ Digital Signal Processor） 正
是这场数字化革命的核心，无论在其应用的广度还
是深度方面，都在以前所未有的速度向前发展。 本
章主要对数字信号处理进行简要介绍。
首先对数字信号处理进行了概述，介绍了 DSP的
基本知识；接着介绍了可编程 DSP芯片，对 DSP芯片
的发展、特点、分类、应用和发展趋势作了论述；
然后介绍 DSP系统，对 DSP系统的构成、特点、设计
过程以及芯片的选择进行了详细的介绍；最后对
DSP产品作了简要介绍。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 2
第 1章 DSP绪论
知识要点
● 数字信号处理
● DSP芯片的特点
● DSP系统
● DSP系统的设计过程
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 3
第 1章 DSP绪论
1.1 数字信号处理概述
1.2 可编程 DSP芯片
1.3 DSP系统
1.4 DSP产品简介
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 4
第 1章 DSP绪论
1.1 数字信号处理概述
数字信号处理（简称 DSP） 是一门涉及多门学科并广泛应
用于很多科学和工程领域的新兴学科。
数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字的
形式对信号进行分析、采集、合成、变换、滤波、估算、压
缩、识别等加工处理，以便提取有用的信息并进行有效的传
输与应用。
数字信号处理是以众多学科为理论基础,它所涉及的范围
极其广泛。如数学领域中的微积分、概率统计、随机过程、
数字分析等都是数字信号处理的基础工具。它与网络理论、
信号与系统、控制理论、通信理论、故障诊断等密切相关。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 5
第 1章 DSP绪论
DSP可以代表数字信号处理技术（ Digital Signal
Processing）,也可以代表数字信号处理器（ Digital
Signal Processor）。 前者是理论和计算方法上的技术,
后者是指实现这些技术的通用或专用可编程微处理器
芯片。
数字信号处理包括两个方面的内容,
1．算法的研究
2．数字信号处理的实现
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 6
第 1章 DSP绪论
1．算法的研究
算法的研究是指如何以最小的运算量和存储器的
使用量来完成指定的任务，如 20世纪 60年代出现的快
速傅里叶变换（ FFT）,使数字信号处理技术发生了
革命性的变化。
近几年来，数字信号处理的理论和方法得到了迅
速的发展，诸如：语音与图像的压缩编码、识别与鉴
别，信号的调制与解调、加密和解密，信道的辨识与
均衡，智能天线，频谱分析等各种快速算法都成为研
究的热点、并取得了长足的进步，为各种实时处理的
应用提供了算法基础。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 7
第 1章 DSP绪论
2．数字信号处理的实现
数字信号处理的实现是用硬件、软件或软硬结
合的方法来实现各种算法。数字信号处理的实现一般
有以下几种方法：
① 在通用计算机（ PC机）上用软件（如 Fortran,C语
言）实现，但速度慢，不适合实时数字信号处理，只用于算
法的模拟；
② 在通用计算机系统中加入专用的加速处理机实现，用
以增强运算能力和提高运算速度。不适合于嵌入式应用，专用
性强，应用受到限制；
③ 用单片机实现，用于不太复杂的数字信号处理。不适
合于以乘法 -累加运算为主的密集型 DSP算法；
④ 用通用的可编程 DSP芯片实现，具有可编程性和强大
的处理能力，可完成复杂的数字信号处理的算法，在实时 DSP
领域中处于主导地位；
⑤ 用专用的 DSP芯片实现，可用在要求信号处理速度极
快的特殊场合，如专用于 FFT,数字滤波、卷积、相关算法的
DSP芯片，相应的信号处理算法由内部硬件电路实现。用户无
需编程，但专用性强，应用受到限制；
⑥ 用基于通用 DSP核的 ASIC芯片实现。随着专用集成电
路 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的广泛使用,可
以将 DSP的功能集成到 ASlC中。一般说来,DSP核是通用 DSP
器件中的 CPU部分，再配上用户所需的存储器 (包括 Cache、
RAM,ROM,flash,EPROM)和外设 (包括串口、并口、主机
接口,DMA,定时器等 )，组成用户的 ASIC。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 8
第 1章 DSP绪论
1.2 可编程 DSP芯片
数字信号处理器（ DSP） 是一种特别适合于进行
数字信号处理运算的微处理器，主要用于实时快速实
现各种数字信号处理的算法。
在 20世纪 80年代以前，由于受实现方法的限制,
数字信号处理的理论还不能得到广泛的应用。直到 20
世纪 80年代初，世界上第一块单片可编程 DSP芯片的
诞生，才使理论研究成果广泛应用到实际的系统中，
并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸
张地讲,DSP芯片的诞生及发展对近 20年来通信、计
算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 9
第 1章 DSP绪论
1.2.1 DSP芯片的发展概况
DSP芯片诞生于 20世纪 70年代末，至今已经得到
了突飞猛进的发展，并经历了以下三个阶段。
第一阶段,DSP的雏形阶段（ 1980年前后）。
1978年 AMI公司生产出第一片 DSP芯片 S2811。
1979年美国 Intel公司发布了商用可编程 DSP器件 Intel2920,
由于内部没有单周期的硬件乘法器，使芯片的运算速度、数据
处理能力和运算精度受到了很大的限制。运算速度大约为单指
令周期 200~250ns,应用领域仅局限于军事或航空航天部门。
这个时期的代表性器件主要有,Intel2920（ Intel）、
?PD7720（ NEC）,TMS32010（ TI）,DSP16（ AT&T）、
S2811（ AMI）,ADSp— 21（ AD） 等。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 10
第 1章 DSP绪论
1.2.1 DSP芯片的发展概况
第二阶段,DSP的成熟阶段（ 1990年前后）。
这个时期的 DSP器件在硬件结构上更适合数字信号处理的
要求，能进行硬件乘法、硬件 FFT变换和单指令滤波处理，其
单指令周期为 80~100ns。
如 TI公司的 TMS320C20,它是该公司的第二代 DSP器件,
采用了 CMOS制造工艺，其存储容量和运算速度成倍提高，为
语音处理、图像硬件处理技术的发展奠定了基础。
20世纪 80年代后期，以 TI公司的 TMS320C30为代表的第
三代 DSP芯片问世，伴随着运算速度的进一步提高，其应用范
围逐步扩大到通信、计算机领域。
这个时期的器件主要有,TI公司的 TMS320C20,30,40、
50系列,Motorola公司的 DSP5600,9600系列,AT&T公司的
DSP32等。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 11
第 1章 DSP绪论
1.2.1 DSP芯片的发展概况
第三阶段,DSP的完善阶段（ 2000年以后）。
这一时期各 DSP制造商不仅使信号处理能力更加完善,而
且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步
降低、成本不断下降。尤其是各种通用外设集成到片上,大大地
提高了数字信号处理能力。这一时期的 DSP运算速度可达到单
指令周期 10ns左右，可在 Windows环境下直接用 C语言编程,使
用方便灵活，使 DSP芯片不仅在通信、计算机领域得到了广泛
的应用，而且逐渐渗透到人们日常消费领域。
目前,DSP芯片的发展非常迅速。硬件方面主要是向多处理
器的并行处理结构、便于外部数据交换的串行总线传输、大容
量片上 RAM和 ROM,程序加密、增加 I/O驱动能力、外围电路
内装化、低功耗等方面发展。软件方面主要是综合开发平台的
完善，使 DSP的应用开发更加灵活方便。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 12
第 1章 DSP绪论
1.2.2 DSP芯片的特点
数字信号处理不同于普通的科学计算与分析，它强调运
算的实时性。除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控
制能力外,针对实时数字信号处理的特点,在处理器的结构、指
令系统、指令流程上作了很大的改进,其主要特点如下：
1．采用哈佛结构
DSP芯片普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构
或改进的哈佛结构,比传统处理器的冯 ·诺伊曼结构有更快的指
令执行速度。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 13
第 1章 DSP绪论
1．采用哈佛结构
(1) 冯 ·诺伊曼（ Von Neuman） 结构
该结构采用单存储空间，即程序指令和数据共用一个
存储空间，使用单一的地址和数据总线，取指令和取操作
数都是通过一条总线分时进行。
当进行高速运算时，不但不能同时进行取指令和取操
作数，而且还会造成数据传输通道的瓶颈现象，其工作速
度较慢。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 14
第 1章 DSP绪论
1．采用哈佛结构
(1) 冯 ·诺伊曼（ Von Neuman） 结构
图 1.2.1 冯 ·诺伊曼结构
CPU
I/O口
ROM
串行接口
RAM
并行接口
外部存储
器接口
地址总线 AB
数据总线 DB
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 15
第 1章 DSP绪论
1．采用哈佛结构
（ 2）哈佛（ Harvard） 结构
该结构采用双存储空间，程序存储器和数据存储器分
开，有各自独立的程序总线和数据总线，可独立编址和独
立访问，可对程序和数据进行独立传输，使取指令操作、
指令执行操作、数据吞吐并行完成，大大地提高了数据处
理能力和指令的执行速度，非常适合于实时的数字信号处
理。微处理器的哈佛结构如图 1.2.2所示。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 16
第 1章 DSP绪论
1．采用哈佛结构
（ 2）哈佛（ Harvard） 结构
外部管理数据总线
外部管理地址总线
数据总线
数据地址总线
程序数据总线
程序地址总线
CPU
I/O口
ROM
串行接口
RAM
并行接口
外部存储
器接口
图 1.2.2 哈佛结构
外部管理数据总线
外部管理地址总线数据总线
数据地址总线
程序数据总线
程序地址总线
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 17
第 1章 DSP绪论
1．采用哈佛结构
（ 3）改进型的哈佛结构
改进型的哈佛结构是采用双存储空间和数条总线，即
一条程序总线和多条数据总线。其特点如下：
① 允许在程序空间和数据空间之间相互传送数据,使这
些数据可以由算术运算指令直接调用,增强芯片的灵活性；
② 提供了存储指令的高速缓冲器（ cache） 和相应的指
令,当重复执行这些指令时,只需读入一次就可连续使用，不
需要再次从程序存储器中读出,从而减少了指令执行作需要
的时间。如,TMS320C6200系列的 DSP,整个片内程序存储
器都可以配制成高速缓冲结构。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 18
第 1章 DSP绪论
1.2.2 DSP芯片的特点
2．采用多总线结构
DSP芯片都采用多总线结构，可同时进行取指令和多个
数据存取操作，并由辅助寄存器自动增减地址进行寻址，使
CPU在一个机器周期内可多次对程序空间和数据空间进行访
问，大大地提高了 DSP的运行速度。如,TMS320C54x系列
内部有 P,C,D,E等 4组总线，每组总线中都有地址总线和
数据总线，这样在一个机器周期内可以完成如下操作：
① 从程序存储器中取一条指令；
② 从数据存储器中读两个操作数；
③ 向数据存储器写一个操作数 。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 19
第 1章 DSP绪论
1.2.2 DSP芯片的特点
3．采用流水线技术
每条指令可通过片内多功能单元完成取指、译码、取操
作数和执行等多个步骤，实现多条指令的并行执行，从而在
不提高系统时钟频率的条件下减少每条指令的执行时间。其
过程如图 1.2.3所示。
时钟
取指令
指令译码
取操作数
执行指令
T1 T2 T3 T4
N
N-1
N-2
N-3
N+1
N
N-1
N-2
N+2
N+1
N
N-1
N+3
N+2
N+1
N
图 1.2.3 四级流水线操作
利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证在
单指令周期内完成数字信号处理中用得最多的乘法 -累加运
算。如：
?
?
?
n
i
ii xay
1
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 20
第 1章 DSP绪论
1.2.2 DSP芯片的特点
4,配有专用的硬件乘法 -累加器
为了适应数字信号处理的需要，当前的 DSP芯片都配有
专用的硬件乘法 -累加器，可在一个周期内完成一次乘法和
一次累加操作，从而可实现数据的乘法 -累加操作。如矩阵
运算,FIR和 IIR滤波,FFT变换等专用信号的处理。
5,具有特殊的 DSP指令
为了满足数字信号处理的需要，在 DSP的指令系统中，
设计了一些完成特殊功能的指令。
如,TMS320C54x中的 FIRS和 LMS指令，专门用于完
成系数对称的 FIR滤波器和 LMS算法。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 21
第 1章 DSP绪论
1.2.2 DSP芯片的特点
6．快速的指令周期
由于采用哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、
特殊的指令以及集成电路的优化设计，使指令周期可在 20ns
以下。如,TMS320C54x的运算速度为 100MIPS,即 100百
万条 /秒。
7．硬件配置强
新一代的 DSP芯片具有较强的接口功能，除了具有串行
口、定时器、主机接口（ HPI）,DMA控制器、软件可编程
等待状态发生器等片内外设外，还配有中断处理器,PLL、
片内存储器、测试接口等单元电路，可以方便地构成一个嵌
入式自封闭控制的处理系统。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 22
第 1章 DSP绪论
1.2.2 DSP芯片的特点
8．支持多处理器结构
为了满足多处理器系统的设计, 许多 DSP芯片都采用
支持多处理器的结构 。 如,TMS320C40提供了 6个用于处理
器间高速通信的 32位专用通信接口, 使处理器之间可直接对
通, 应用灵活, 使用方便；
9．省电管理和低功耗
DSP功耗一般为 0.5~4W,若采用低功耗技术可使功耗降
到 0.25W,可用电池供电，适用于便携式数字终端设备。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 23
第 1章 DSP绪论
1.2.3 DSP芯片的分类
为了适应数字信号处理各种各样的实际应用, DSP厂商
生产出多种类型和档次的 DSP芯片 。 在众多的 DSP芯片中,
可以按照下列 3种方式进行分类 。
1,按基础特性分类
2,按用途分类
3,按数据格式分类
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 24
第 1章 DSP绪论
1.2.3 DSP芯片的分类
1．按基础特性分类
这种分类是依据 DSP芯片的工作时钟和指令类型进行的。
可分为静态 DSP芯片和一致性 DSP芯片。
如果 DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率上都能正常
工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类 DSP芯片
一般称之为静态 DSP芯片。
例如,TI公司的 TMS320系列芯片、日本 OKI电气公司的
DSP芯片都属于这一类芯片。
如果有两种或两种以上的 DSP芯片，它们的指令集和相应
的机器代码及管脚结构相互兼容，则这类 DSP芯片被称之为一
致性的 DSP芯片。
例如,TI公司的 TMS320C54x。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 25
第 1章 DSP绪论
1.2.3 DSP芯片的分类
2,按用途分类
按照用途，可将 DSP芯片分为通用型和专用型两大类。
通用型 DSP芯片,一般是指可以用指令编程的 DSP芯片，
适合于普通的 DSP应用，具有可编程性和强大的处理能力，可
完成复杂的数字信号处理的算法。
专用型 DSP芯片,是为特定的 DSP运算而设计，通常只针
对某一种应用，相应的算法由内部硬件电路实现，适合于数字
滤波,FFT,卷积和相关算法等特殊的运算。主要用于要求信
号处理速度极快的特殊场合。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 26
第 1章 DSP绪论
1.2.3 DSP芯片的分类
3．按数据格式分类
根据芯片工作的数据格式, 按其精度或动态范围, 可将
通用 DSP划分为定点 DSP和浮点 DSP两类 。
若数据以定点格式工作的 —— 定点 DSP芯片。
若数据以浮点格式工作的 —— 浮点 DSP芯片。
不同的浮点 DSP芯片所采用的浮点格式有所不同，有的
DSP芯片采用自定义的浮点格式，有的 DSP芯片则采用 IEEE的
标准浮点格式。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 27
第 1章 DSP绪论
1.2.4 DSP芯片的应用
随着 DSP芯片价格的下降，性能价格比的提高,DSP芯片
具有巨大的应用潜力。
主要应用：
1,信号处理
2,通 信
3,语 音
4,图像处理
5,军 事
6,仪器仪表
7,自动控制
8,医疗工程
9,家用电器
10,计 算 机
如：数字滤波、自适应滤波、
快速傅氏变换,Hilbert变换、
相关运算、频谱分析、
卷 积、模式匹配、
窗函数、波形产生等；
如：调制解调器、自适应均衡、
数据加密、数据压缩、
回波抵消、多路复用、
传真、扩频通信、
移动通信、纠错编译码、
可视电话、路由器等；
如：语音编码、语音合成、
语音识别、语音增强、
语音邮件、语音存储、
文本 — 语音转换等；
如：二维和三维图形处理、
图像压缩与传输、
图像鉴别、图像增强、
图像转换、模式识别、
动画、电子地图、
机器人视觉等；
如：保密通信
雷达处理
声纳处理
导航
导弹制导
电子对抗
全球定位 GPS
搜索与跟踪
情报收集与处理等
如：频谱分析、函数发生、
数据采集、锁相环、
模态分析、暂态分析、
石油 /地质勘探、
地震预测与处理等；
如：引擎控制
声 控
发动机控制
自动驾驶
机器人控制
磁盘 /光盘伺服控制
神经网络控制等
如：助听器
X-射线扫描
心电图 /脑电图
超声设备
核磁共振
诊断工具
病人监护等
如：高保真音响
音乐合成
音调控制
玩具与游戏
数字电话 /电视
高清晰度电视 HDTV
变频空调
机顶盒等
如：震裂处理器
图形加速器
工作站
多媒体计算机等
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 28
第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
1,DSP芯片的现状
（ 1） 制造工艺
早期 DSP采用 4?m的 NMOS工艺。现在的 DSP芯片普遍
采用 0.25?m或 0.18?m亚微米的 CMOS工艺。芯片引脚从原来
的 40个增加到 200个以上，需要设计的外围电路越来越少，
成本、体积和功耗不断下降。
（ 2） 存储器容量
早期的 DSP芯片，其片内程序存储器和数据存储器只有
几百个单元。目前，片内程序和数据存储器可达到几十 K字
，而片外程序存储器和数据存储器可达到 16M?48位和 4G?40
位以上。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 29
第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
1,DSP芯片的现状
（ 3） 内部结构
目前,DSP内部均采用多总线、多处理单元和多级流水
线结构，加上完善的接口功能，使 DSP的系统功能、数据处
理能力和与外部设备的通信功能都有了很大的提高。
（ 4） 运算速度
近 20年的发展，使 DSP的指令周期从 400ns缩短到 10ns
以下，其相应的速度从 2.5MIPS提高到 2000MIPS以上。如
TMS320C6201执行一次 1024点复数 FFT运算的时间只有
66?S。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 30
第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
1,DSP芯片的现状
（ 5） 高度集成化
集滤波,A/D,D/A,ROM,RAM和 DSP内核于一体
的模拟混合式 DSP芯片已有较大的发展和应用。
（ 6） 运算精度和动态范围
DSP的字长从 8位已增加到 32位，累加器的长度也增加
到 40位，从而提高了运算精度。同时，采用超长字指令字
（ VLIW） 结构和高性能的浮点运算，扩大了数据处理的动
态范围。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 31
第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
1,DSP芯片的现状
（ 7） 开发工具
具有较完善的软件和硬件开发工具，如：软件仿真器
Simulator,在线仿真器 Emulator,C编译器和集成开发环
境 CCS等，给开发应用带来很大方便。
CCS是 TI公司针对本公司的 DSP产品开发的集成开发
环境。它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功
能，而且支持 C/C++和汇编的混合编程。开放式的结构允许
外扩用户自身的模块。
2010年 5月 18日 DSP原理及应用 32
第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
2．国内 DSP的发展现状
进入 21世纪以后，中国新兴的数字消费类电子产品进入
增长期，市场呈现高增长态势，普及率大幅度提高，从而带
动了 DSP市场的高速发展。此外，计算机、通信和消费类电
子产品的数字化融合也为 DSP提供了进一步的发展机会。
随着中国数字消费类产品需求的大幅增长，以及 DSP对
数字信号高速运算与同步处理能力的提高,DSP的应用领域
将逐渐从移动电话领域扩展到新型数字消费类领域。
应用：用于图像压缩与传输等图像信号的处理，语音的
编码、合成、识别和高保真等语音信号的处理以及通信信号
的调制解调、加密、多路复用、扩频、纠错编码等处理。
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第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
3,DSP技术的发展趋势
未来的 10年，全球 DSP产品将向着高性能、低功耗、加
强融合和拓展多种应用的趋势发展,DSP芯片将越来越多地
渗透到各种电子产品当中，成为各种电子产品尤其是通信类
电子产品的技术核心。
DSP技术将会有以下一些发展趋势：
（ 1） DSP的内核结构将进一步改善
多通道结构和单指令多重数据（ SIMD）,特大指令字
组（ VLIM） 将在新的高性能处理器中占主导地位，如 AD公
司的 ADSP-2116x。
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第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
3,DSP技术的发展趋势
（ 2） DSP和微处理器的融合
微处理器 MPU,是一种执行智能定向控制任务的通用处
理器，它能很好地执行智能控制任务，但是对数字信号的处
理功能很差。
DSP处理器,具有高速的数字信号处理能力。
在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理
两种功能。
将 DSP和微处理器结合起来，可简化设计，加速产品的
开发，减小 PCB体积，降低功耗和整个系统的成本。
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第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
3,DSP技术的发展趋势
（ 3） DSP和高档 CPU的融合
大多数高档 MCU,如 Pentium 和 PowerPC都是 SIMD指
令组的超标量结构，速度很快。
在 DSP中融入高档 CPU的分支预示和动态缓冲技术，具
有结构规范，利于编程，不用进行指令排队，使 DSP性能大
幅度提高。
（ 4） DSP和 SOC的融合
SOC是指把一个系统集成在一块芯片上 。 这个系统包括
DSP 和系统接口软件等 。
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第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
3,DSP技术的发展趋势
（ 5） DSP和 FPGA的融合
FPGA是现场可编程门阵列器件。它和 DSP集成在一块
芯片上，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度。
（ 6） 实时操作系统 RTOS与 DSP的结合
随着 DSP处理能力的增强, DSP系统越来越复杂, 使得
软件的规模越来越大, 往往需要运行多个任务, 各任务间的
通信, 同步等问题就变得非常突出 。
随着 DSP性能和功能的日益增强, 对 DSP应用提供
RTOS的支持已成为必然的结果 。
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第 1章 DSP绪论
1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势
3,DSP技术的发展趋势
（ 7） DSP的并行处理结构
为了提高 DSP芯片的运算速度，各 DSP厂商纷纷在 DSP
芯片中引入并行处理机制。这样，可以在同一时刻将不同的
DSP与不同的任一存储器连通，大大提高数据传输的速率。
（ 8） 功耗越来越低
随着超大规模集成电路技术和先进的电源管理设计技术
的发展,DSP芯片内核的电源电压将会越来越低。
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第 1章 DSP绪论
1.3 DSP系统
1.3.1 DSP系统的构成
一个典型的 DSP系统应包括抗混叠滤波器、数据
采集 A/D转换器、数字信号处理器 DSP,D/A转换器和
低通滤波器等组成。
x(t) 抗混叠
滤波器
A/D
转换器
x(n) y(n) y(t)数字信号
处理器
D/A
转换器
低通
滤波器
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第 1章 DSP绪论
DSP系统的处理过程：
① 将输入信号 x(t)进行抗混叠滤波，滤掉高于
折叠频率的分量，以防止信号频谱的混叠；
② 经采样和 A/D转换器，将滤波后的信号转换
为数字信号 x(n)；
③ 数字信号处理器对 x(n)进行处理，得数字信
号 y(n)；
④ 经 D/A转换器，将 y(n)转换成模拟信号；
⑤ 经低通滤波器，滤除高频分量，得到平滑的
模拟信号 y(t)。
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第 1章 DSP绪论
1.3.2 DSP系统的特点
（ 1）接口方便
（ 2）编程方便
（ 3）具有高速性
（ 4）稳定性好
（ 5）精度高
（ 6）可重复性好
（ 7）集成方便
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第 1章 DSP绪论
1.3.3 DSP系统的设计过程
DSP应用系统的设计过程如图所示。
根据需求写出任务书
确定设计目标
算法研究和系统模拟实现
定义系统性能指标
选择 DSP芯片
和外围芯片
硬件设计
硬件调试
软件设计
软件调试
系统集成和测试
设计步骤分几个阶段：
（ 1）明确设计任务，确定设计目标
（ 2）算法模拟，确定性能指标
（ 3）选择 DSP芯片和外围芯片
（ 4）设计实时的 DSP应用系统
（ 5）硬件和软件调试
（ 6）系统集成和测试
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第 1章 DSP绪论
1.3.4 DSP芯片的选择
在进行 DSP系统设计时，选择合适的 DSP芯片是非常重要
的一个环节。通常依据系统的运算速度、运算精度和存储器的
需求等来选择 DSP芯片。
一般来说，选择 DSP芯片时应考虑如下一些因素。
1,DSP芯片的运算速度
2,DSP芯片的价格
3,DSP芯片的运算精度
4,DSP芯片的硬件资源
5,DSP芯片的开发工具
6,DSP芯片的功耗
7．其它因素
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第 1章 DSP绪论
1.3.4 DSP芯片的选择
2,DSP芯片的价格
DSP芯片的价格也是选择 DSP芯片所需考虑的一个重要
因素。
在系统的设计过程中，应根据实际系统的应用情况来选
择一个价格适中的 DSP芯片。
3,DSP芯片的运算精度
运算精度取决于 DSP芯片的字长。
定点 DSP芯片的字长通常为 16位和 24位。
浮点 DSP芯片的字长一般为 32位。
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第 1章 DSP绪论
4,DSP芯片的硬件资源
DSP芯片的硬件资源主要包括：片内 RAM,ROM的数
量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口,I/O接口等。
不同的 DSP芯片所提供的硬件资源是不相同的，应根据系
统的实际需要，考虑芯片的硬件资源。
5,DSP芯片的开发工具
快捷、方便的开发工具和完善的软件支持是开发大型、
复杂 DSP应用系统的必备条件。
在选择 DSP芯片的同时必须注意开发工具对芯片的支持，
包括软件和硬件的开发工具等。
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第 1章 DSP绪论
6,DSP芯片的功耗
在某些 DSP应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问
题。如便携式的 DSP设备、手持设备、野外应用的 DSP设备
等都对功耗有特殊的要求。
7．其它因素
选择 DSP芯片还应考虑封装的形式、质量标准、供货情
况、生命周期等。
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第 1章 DSP绪论
1.4 DSP产品简介
目前，在生产通用 DSP的厂家中，最有影响的公
司有：
AD公司
AT&T公司（现在的 Lucent公司）
Motorola公司
TI公司（美国德州仪器公司）
NEC公司。
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第 1章 DSP绪论
1,AD公司
定点 DSP,ADSP21xx系列 16bit 40MIPS；
浮点 DSP,ADSP21020系列 32bit 25MIPS；
并行浮点 DSP,ADSP2106x系列 32bit 40MIPS；
超高性能 DSP,ADSP21160系列 32bit 100MIPS。
2,AT&T公司
定点 DSP,DSP16系列 16bit 40MIPS；
浮点 DSP,DSP32系列 32bit 12.5MIPS。
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第 1章 DSP绪论
3,Motorola公司
定点 DSP,DSP56000系列 24bit 16MIPS；
浮点 DSP,DSP96000系列 32bit 27MIPS。
4,NEC公司
定点 DSP,?PD77Cxx系列 16bit；
?PD770xx系列 16bit；
?PD772xx系列 24bit或 32bit。
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第 1章 DSP绪论
5,TI公司
该公司自 1982年推出第一款定点 DSP芯片以来, 相继推出
定点, 浮点和多处理器三类运算特性不同的 DSP芯片, 共计
已发展了七代产品 。 其中, 定点运算单处理器的 DSP有七个
系列, 浮点运算单处理器的 DSP有三个系列, 多处理器的
DSP有一个系列 。 主要按照 DSP的处理速度, 运算精度和并
行处理能力分类, 每一类产品的结构相同, 只是片内存储器
和片内外设配置不同 。
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第 1章 DSP绪论
5,TI公司
定点 DSP,① TMS320C1x系列 16bit 第一代 1982年前后；
② TMS320C2x系列 16bit 第二代 1987年前后；
③ TMS320C5x系列 16bit 第五代 1993年；
④ TMS320C54x系列 16bit 第七代 1996年；
⑤ TMS320C24x系列 16bit 第七代 1996年；
⑥ TMS320C6x系列 32bit 第七代 1997年；
⑦ TMS320C55x系列 16bit 第七代 2000年 。
浮点 DSP,① TMS320C3x系列 32bit 第三代 1990年；
② TMS320C4x系列 32bit 第四代 1990年；
③ TMS320C67x系列 64bit 第七代 1998年 。
多处理器 DSP,① TMS320C8x系列 32bit 第六代 1994年 。
C2x,C24x称为 C2000系列, 主要用于数字控制系统；
C54x,C55x称为 C5000系列, 主要用于功耗低, 便于携
带的通信终端；
C62x,C64x和 C67x称为 C6000系列, 主要用于高性能复
杂的通信系统, 如移动通信基站 。
