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

處理器的兩個基本組件是ALU和控制單元，目前市場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)字信號處理器、嵌入式處理器等。在本文中，小編將簡單介紹數(shù)字信號處理器特點、作用和種類等相關(guān)內(nèi)容。

數(shù)字信號處理器的概念

數(shù)字信號處理器，英文名Digital Signal Processing，簡稱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)字信號處理廣泛用于數(shù)字圖像處理、電信、音頻信號處理、語音識別系統(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、磁盤驅(qū)動器等產(chǎn)品。

數(shù)字信號處理器工作原理

數(shù)字信號處理器主要通過使用音頻、語音、溫度和視頻等真實世界的信號來工作，將它們數(shù)字化，然后對其進(jìn)行數(shù)學(xué)操作。數(shù)字信號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)字信號處理器包括程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、計算引擎和輸入/輸出等主要組件，其中：

程序存儲器用于存儲程序以處理數(shù)據(jù);

數(shù)據(jù)存儲器用于存儲要處理的數(shù)據(jù);

計算引擎執(zhí)行數(shù)學(xué)運算，訪問數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)和程序存儲器中的程序;

輸入/輸出提供不同的功能來連接外部組件。

數(shù)字信號處理器框圖

數(shù)字信號處理器的框圖如下圖所示：

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

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

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

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

在此框圖中，數(shù)字信號處理器是系統(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)字信號處理器。

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

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

數(shù)字信號處理器的特性

數(shù)字信號處理器的特性主要包括以下幾個方面內(nèi)容：

用于存儲程序的內(nèi)存與用于存儲數(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)位尋址的特殊說明。

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

包括專門設(shè)計的架構(gòu)來獲取多個數(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。

一個單元直接處理數(shù)據(jù)流路徑中的浮點數(shù)。

計算通常通過定點算術(shù)過程進(jìn)行以加快計算速度。

數(shù)字信號處理器的架構(gòu)

數(shù)字信號處理器的架構(gòu)分別是：

馮諾依曼架構(gòu)

哈佛架構(gòu)。

超級哈佛架構(gòu)。

1、馮諾依曼架構(gòu)

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

這里不計算將輸出傳輸回內(nèi)存所花費的時間，因為假設(shè)它將保留在中央處理單元中以進(jìn)行額外的操作。當(dāng)對串行執(zhí)行所有必要任務(wù)感到滿意時，這種類型的架構(gòu)非常適合。目前，大多數(shù)計算機(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)計所示，它包括兩個用于數(shù)據(jù)和程序指令的獨立存儲器，每個存儲器包括單獨的總線。當(dāng)總線獨立工作時，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)字信號處理器使用。

3、超級哈佛架構(gòu)

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

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

數(shù)字信號處理器的類型

數(shù)字信號處理器主要有有定點處理器和浮點處理器兩種類型。

1、定點數(shù)字信號處理器

在定點數(shù)字信號處理器中，每個數(shù)字都可以通過至少16位來指定，即使可以使用不同的長度。數(shù)字可以用不同的模式表示。

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

定點處理器用于不同的靈活嵌入式應(yīng)用，因為它使用低功耗和低成本。定點數(shù)字信號處理器是;TI的TM320C54x、ADI DSP BF53X、TM320C55x、TM320C64x、TM320C62x和摩托羅拉MSC810x。

2、浮點數(shù)字信號處理器

浮點數(shù)字信號處理器主要使用至少32位來存儲每個值，浮點信號處理器的顯著特點是符號數(shù)的間距不均勻。浮點數(shù)字信號處理器可以簡單地處理定點數(shù)，這是實現(xiàn)從模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收并傳輸?shù)?a href="http://m.1cnz.cn/tags/數(shù)模轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">數(shù)模轉(zhuǎn)換器的計數(shù)器和信號的要求。

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

數(shù)字信號處理器指令集

數(shù)字信號處理器指令集僅支持?jǐn)?shù)字密集型信號處理操作和通用應(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)字信號處理器和微處理的區(qū)別

數(shù)字信號處理器和微處理器之間的區(qū)別包括以下方面：

數(shù)字信號處理器的優(yōu)缺點

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

錯誤檢測和糾正

簡單的數(shù)據(jù)存儲

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

通過更廣泛的頻率工作

在數(shù)字系統(tǒng)中，DSP可以級聯(lián)而不會出現(xiàn)任何負(fù)載問題

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

通過使用DSP方法，可以簡單地實現(xiàn)復(fù)雜的信號處理算法

重量輕且更緊湊。

DSP系統(tǒng)是可升級的，因為它們是由軟件控制的。

數(shù)字信號處理器的缺點包括以下幾方面內(nèi)容：

與模擬通信相比，數(shù)字通信需要高帶寬來傳輸數(shù)據(jù)

大多數(shù)數(shù)字信號處理器都很昂貴

由于使用了額外的組件，DSP系統(tǒng)的復(fù)雜性將會增加

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

每個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設(shè)備進(jìn)行編程。

數(shù)字信號處理器應(yīng)用

數(shù)字信號處理器主要應(yīng)用包括音頻和語音處理、雷達(dá)、聲納和其他傳感器陣列處理、統(tǒng)計信號處理、頻譜密度估計、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)的信號處理、電信、地震學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等。