眾所周知，處理器是一個(gè)簡(jiǎn)單的芯片或邏輯電路，它響應(yīng)基本指令以及輸入過(guò)程來(lái)控制處理單元。處理器是智能手機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、筆記本電腦、計(jì)算機(jī)等電子系統(tǒng)中必不可少的組件。

處理器的兩個(gè)基本組件是ALU和控制單元，目前市場(chǎng)上有不同類型的處理器可供選擇，例如微控制器、微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器、嵌入式處理器等。在本文中，小編將簡(jiǎn)單介紹數(shù)字信號(hào)處理器特點(diǎn)、作用和種類等相關(guān)內(nèi)容。

數(shù)字信號(hào)處理器的概念

數(shù)字信號(hào)處理器，英文名Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱DSP，是制造在金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路上的一種特殊類型的微處理器。數(shù)字信號(hào)處理廣泛用于數(shù)字圖像處理、電信、音頻信號(hào)處理、語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)、聲納、雷達(dá)等不同應(yīng)用，也用于手機(jī)、HDTV(高清電視)產(chǎn)品、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等產(chǎn)品。

數(shù)字信號(hào)處理器工作原理

數(shù)字信號(hào)處理器主要通過(guò)使用音頻、語(yǔ)音、溫度和視頻等真實(shí)世界的信號(hào)來(lái)工作，將它們數(shù)字化，然后對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)操作。數(shù)字信號(hào)處理器非常快速地執(zhí)行不同的數(shù)學(xué)函數(shù)，例如加法、減法、乘法和除法。

數(shù)字信號(hào)處理器包括程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、計(jì)算引擎和輸入/輸出等主要組件，其中：

程序存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序以處理數(shù)據(jù);

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)要處理的數(shù)據(jù);

計(jì)算引擎執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，訪問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器中的程序;

輸入/輸出提供不同的功能來(lái)連接外部組件。

數(shù)字信號(hào)處理器框圖

數(shù)字信號(hào)處理器的框圖如下圖所示：

在上面的框圖中，麥克風(fēng)用作將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。

之后，從麥克風(fēng)產(chǎn)生的模擬電信號(hào)被提供給運(yùn)算放大器以調(diào)節(jié)模擬信號(hào)。

抗混疊濾波器是位于ADC輸入端的LPF(低通濾波器)，該濾波器用于對(duì)寬帶信號(hào)進(jìn)行頻帶限制。

之后，一個(gè)簡(jiǎn)單的ADC轉(zhuǎn)換器單元使用模擬信號(hào)和輸出作為二進(jìn)制數(shù)字流。

在此框圖中，數(shù)字信號(hào)處理器是系統(tǒng)的核心。目前，CMOS IC用于制造具有高數(shù)據(jù)吞吐量、專用指令集和高速的數(shù)字信號(hào)處理器。

之后，DAC將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。平滑濾波器是另一種LPF，用于通過(guò)消除不必要的高頻分量來(lái)平滑輸出。

揚(yáng)聲器是輸出傳感器。當(dāng)然，你也可以根據(jù)自己的要求使用其它任何器件，從而實(shí)現(xiàn)不一樣的功能。

數(shù)字信號(hào)處理器的特性

數(shù)字信號(hào)處理器的特性主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容：

用于存儲(chǔ)程序的內(nèi)存與用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)存是不同的。

不提供支持多任務(wù)的硬件。

用于模數(shù)和反轉(zhuǎn)位尋址的特殊說(shuō)明。

可在主機(jī)或支持情況下用作 DMA(直接內(nèi)存訪問(wèn))設(shè)備。

包括專門(mén)設(shè)計(jì)的架構(gòu)來(lái)獲取多個(gè)數(shù)據(jù)。

包括用于優(yōu)化不同功能的架構(gòu)。

使用特殊硬件以較低的成本進(jìn)行循環(huán)。

可用的乘法器或累加器非常平行。

一個(gè)單元直接處理數(shù)據(jù)流路徑中的浮點(diǎn)數(shù)。

計(jì)算通常通過(guò)定點(diǎn)算術(shù)過(guò)程進(jìn)行以加快計(jì)算速度。

數(shù)字信號(hào)處理器的架構(gòu)

數(shù)字信號(hào)處理器的架構(gòu)分別是：

馮諾依曼架構(gòu)

哈佛架構(gòu)。

超級(jí)哈佛架構(gòu)。

1、馮諾依曼架構(gòu)

馮諾依曼的數(shù)字信號(hào)處理器架構(gòu)主要包括單個(gè)存儲(chǔ)器和單個(gè)總線，用于將數(shù)據(jù)傳入和傳出 CPU(中央處理單元)。任意兩個(gè)數(shù)字相乘至少需要3個(gè)CLK 周期，其中1個(gè)CLK周期用于借助總線將3個(gè)數(shù)字中的每一個(gè)從內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)紺PU。

這里不計(jì)算將輸出傳輸回內(nèi)存所花費(fèi)的時(shí)間，因?yàn)榧僭O(shè)它將保留在中央處理單元中以進(jìn)行額外的操作。當(dāng)對(duì)串行執(zhí)行所有必要任務(wù)感到滿意時(shí)，這種類型的架構(gòu)非常適合。目前，大多數(shù)計(jì)算機(jī)使用馮諾依曼架構(gòu)，但其他架構(gòu)只需要非常快速的處理。

2、哈佛架構(gòu)

哈佛架構(gòu)的名稱取自于1940年代在霍華德·艾肯 (Howard Aiken) 領(lǐng)導(dǎo)下在哈佛大學(xué)完成的工作。如下設(shè)計(jì)所示，它包括兩個(gè)用于數(shù)據(jù)和程序指令的獨(dú)立存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器包括單獨(dú)的總線。當(dāng)總線獨(dú)立工作時(shí)，可以一起獲取數(shù)據(jù)和程序指令以提高單總線的速度。目前，這種雙總線架構(gòu)被數(shù)字信號(hào)處理器使用。

3、超級(jí)哈佛架構(gòu)

數(shù)字信號(hào)處理器的超級(jí)哈佛架構(gòu)如下圖所示。這個(gè)名稱是由Analog Devices創(chuàng)造的，用于解釋其新的ADSP-211xx和ADSP-2106x系列數(shù)字信號(hào)處理器的內(nèi)部功能，這些數(shù)字信號(hào)處理器被稱為SHARC DSP，它是對(duì)長(zhǎng)期超級(jí)哈佛架構(gòu)的簡(jiǎn)化。

該架構(gòu)是通過(guò)包含一些功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以增加吞吐量。雖然超級(jí)哈佛架構(gòu)數(shù)字信號(hào)處理器在多種方法中進(jìn)行了優(yōu)化，但有兩個(gè)領(lǐng)域足夠重要，可以包括指令緩存和I/O控制器。

數(shù)字信號(hào)處理器的類型

數(shù)字信號(hào)處理器主要有有定點(diǎn)處理器和浮點(diǎn)處理器兩種類型。

1、定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器

在定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器中，每個(gè)數(shù)字都可以通過(guò)至少16位來(lái)指定，即使可以使用不同的長(zhǎng)度。數(shù)字可以用不同的模式表示。

定點(diǎn)是指可以假定小數(shù)點(diǎn)位置是固定的，并且對(duì)于操作數(shù)以及運(yùn)算結(jié)果都是相同的。

定點(diǎn)處理器用于不同的靈活嵌入式應(yīng)用，因?yàn)樗褂玫凸暮偷统杀尽６c(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器是;TI的TM320C54x、ADI DSP BF53X、TM320C55x、TM320C64x、TM320C62x和摩托羅拉MSC810x。

2、浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器

浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器主要使用至少32位來(lái)存儲(chǔ)每個(gè)值，浮點(diǎn)信號(hào)處理器的顯著特點(diǎn)是符號(hào)數(shù)的間距不均勻。浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器可以簡(jiǎn)單地處理定點(diǎn)數(shù)，這是實(shí)現(xiàn)從模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收并傳輸?shù)?a href="http://www.3532n.com/tags/數(shù)模轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">數(shù)模轉(zhuǎn)換器的計(jì)數(shù)器和信號(hào)的要求。

對(duì)于定點(diǎn)和浮點(diǎn)信號(hào)處理器的操作，SHARC系列信號(hào)處理器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和執(zhí)行效率相當(dāng)。與定點(diǎn)DSP相比，浮點(diǎn)DSP的程序簡(jiǎn)單，但通常非常昂貴，而且功耗也更大。浮點(diǎn)DSP的類型有TI的TMS320c67x 和ADI ADSP 2116x/2126x。

數(shù)字信號(hào)處理器指令集

數(shù)字信號(hào)處理器指令集僅支持?jǐn)?shù)字密集型信號(hào)處理操作和通用應(yīng)用程序，例如高速控制和多處理，其主要類型包括：

累加器、算術(shù)和邏輯指令。

輔助寄存器和數(shù)據(jù)頁(yè)指針指令。

TREG、PREG和乘法指令。

分支指令。

控制指令。

I/O和內(nèi)存操作。

數(shù)字信號(hào)處理器和微處理的區(qū)別

數(shù)字信號(hào)處理器和微處理器之間的區(qū)別包括以下方面：

數(shù)字信號(hào)處理器的優(yōu)缺點(diǎn)

數(shù)字信號(hào)處理器的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾方面內(nèi)容：整體噪音較小

錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正

簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

很容易加密

可以傳輸更多數(shù)據(jù)

在數(shù)字處理系統(tǒng)中，修改一些命令或者改變一些代碼行很容易修改

通過(guò)更廣泛的頻率工作

在數(shù)字系統(tǒng)中，DSP可以級(jí)聯(lián)而不會(huì)出現(xiàn)任何負(fù)載問(wèn)題

通過(guò)改變數(shù)字可編程系統(tǒng)中的程序，可以簡(jiǎn)單地改變DSP的操作

通過(guò)使用DSP方法，可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信號(hào)處理算法

重量輕且更緊湊。

DSP系統(tǒng)是可升級(jí)的，因?yàn)樗鼈兪怯绍浖刂频摹?/p>

數(shù)字信號(hào)處理器的缺點(diǎn)包括以下幾方面內(nèi)容：

與模擬通信相比，數(shù)字通信需要高帶寬來(lái)傳輸數(shù)據(jù)

大多數(shù)數(shù)字信號(hào)處理器都很昂貴

由于使用了額外的組件，DSP系統(tǒng)的復(fù)雜性將會(huì)增加

數(shù)字信號(hào)處理器使用多個(gè)晶體管，與模擬信號(hào)處理器相比，這些晶體管消耗更多功率

每個(gè)DSP的硬件架構(gòu)和軟件指令都不同，因此需要高技能的工程師對(duì)設(shè)備進(jìn)行編程。

數(shù)字信號(hào)處理器應(yīng)用

數(shù)字信號(hào)處理器主要應(yīng)用包括音頻和語(yǔ)音處理、雷達(dá)、聲納和其他傳感器陣列處理、統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理、頻譜密度估計(jì)、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)字圖像處理、音頻編碼、視頻編碼、圖像壓縮、控制系統(tǒng)的信號(hào)處理、電信、地震學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等。