基于DSP的數(shù)字圖像處理(共56頁)

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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 目錄 摘要…………………………………………………………………………………………….I Abstract………………………………………………………………………………………II 結(jié)論……………………………………………………………………………...……………42 專心---專注---專業(yè) 1緒論 1.1圖像處理的研究背景 數(shù)字

2、圖像處理又稱為計(jì)算機(jī)圖像處理在國外最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)的電子計(jì)算機(jī)已經(jīng)發(fā)展到一定水平，人們開始利用計(jì)算機(jī)來處理圖形和圖像信息。數(shù)字圖像處理作為一門學(xué)科大約形成于20世紀(jì)60年代初期。早期的圖像處理的目的是改善圖像的質(zhì)量，它以人為對象，以改善人的視覺效果為目的。圖像處理中，輸入的是質(zhì)量低的圖像，輸出的是改善質(zhì)量后的圖像，常用的圖像處理方法有圖像增強(qiáng)、復(fù)原、編碼、壓縮等。首次獲得實(shí)際成功應(yīng)用的是美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）。他們對航天探測器徘徊者7號在1964年發(fā)回的幾千張?jiān)虑蛘掌褂昧藞D像處理技術(shù)，如幾何校正、灰度變換、去除噪聲等方法進(jìn)行處理，并考慮了太陽位置和月球環(huán)境的影響，由計(jì)算

3、機(jī)成功地繪制出月球表面地圖，獲得了巨大的成功。隨后又對探測飛船發(fā)回的近十萬張照片進(jìn)行更為復(fù)雜的圖像處理，以致獲得了月球的地形圖、彩色圖及全景鑲嵌圖，獲得了非凡的成果，為人類登月創(chuàng)舉奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也推動(dòng)了數(shù)字圖像處理這門學(xué)科的誕生。在以后的宇航空間技術(shù)，如對火星、土星等星球的探測研究中，數(shù)字圖像處理都發(fā)揮了巨大的作用。數(shù)字圖像處理取得的另一個(gè)巨大成就是在醫(yī)學(xué)上獲得的成果。1972年英國EMI公司工程師Housfield發(fā)明了用于頭顱診斷的X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置，也就是我們通常所說的CT（Computer Tomograph）。CT的基本方法是根據(jù)人的頭部截面的投影，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理來重建截面圖

4、像，稱為圖像重建。1975年EMI公司又成功研制出全身用的CT裝置，獲得了人體各個(gè)部位鮮明清晰的斷層圖像。1979年，這項(xiàng)無損傷診斷技術(shù)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，說明它對人類作出了劃時(shí)代的貢獻(xiàn)。與此同時(shí)，圖像處理技術(shù)在許多應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛重視并取得了重大的開拓性成就，屬于這些領(lǐng)域的有航空航天、生物醫(yī)學(xué)過程、工業(yè)檢測、機(jī)器人視覺、公安司法、軍事制導(dǎo)、文化藝術(shù)等，使圖像處理成為一門引人注目、前景遠(yuǎn)大的新型學(xué)科。隨著圖像處理技術(shù)的深入發(fā)展，從70年代中期開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能、思維科學(xué)研究的迅速發(fā)展，數(shù)字圖像處理向更高、更深層次發(fā)展。人們已開始研究如何用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解釋圖像，實(shí)現(xiàn)類似人類視覺系統(tǒng)理解外部

5、世界，這被稱為圖像理解或計(jì)算機(jī)視覺。很多國家，特別是發(fā)達(dá)國家投入更多的人力、物力到這項(xiàng)研究，取得了不少重要的研究成果。其中代表性的成果是70年代末MIT的Marr提出的視覺計(jì)算理論，這個(gè)理論成為計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域其后十多年的主導(dǎo)思想。圖像理解雖然在理論方法研究上已取得不小的進(jìn)展，但它本身是一個(gè)比較難的研究領(lǐng)域，存在不少困難，因人類本身對自己的視覺過程還了解甚少，因此計(jì)算機(jī)視覺是一個(gè)有待人們進(jìn)一步探索的新領(lǐng)域。 1.2圖像處理國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 所謂圖像處理，就是對圖像信息進(jìn)行加工以滿足人的視覺心理或應(yīng)用需求的行為。圖像處理的手段有光學(xué)和數(shù)字兩種方法。前者從簡單的光學(xué)濾波到現(xiàn)在的激光全息技術(shù)，理論已

6、經(jīng)日趨完善；但是光學(xué)處理圖像精度不夠高，穩(wěn)定性差。數(shù)字圖像處理一般都用計(jì)算機(jī)處理或?qū)嵤┑挠布幚恚虼艘卜Q之為計(jì)算機(jī)圖像處理，其優(yōu)點(diǎn)是處理精度高，處理內(nèi)容豐富，可進(jìn)行復(fù)雜的非線性處理，有靈活的變通能力。首次獲得實(shí)際成功應(yīng)用的是美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室， 他們對航天探測器徘徊者7號在1 9 6 4年發(fā)回的幾千張?jiān)虑蛘掌褂昧藬?shù)字圖像處理技術(shù)，為人類登月創(chuàng)舉奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)， 也推動(dòng)了數(shù)字圖像處理這門學(xué)科的誕生。與此同時(shí)， 圖像處理技術(shù)在許多應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛重視并取得了重大的開拓性成就， 屬于這些領(lǐng)域的有航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程、工業(yè)檢測、機(jī)器人視覺、公安司法、軍事制導(dǎo)、文化藝術(shù)等， 使圖像處理成為一門

7、引人注目、前景遠(yuǎn)大的新型學(xué)科。從7 0年代中期開始， 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能、思維科學(xué)研究的迅速發(fā)展， 數(shù)字圖像處理向更高、更深層次發(fā)展。人們已開始研究如何用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解釋圖像，實(shí)現(xiàn)類似人類視覺系統(tǒng)理解外部世界， 這被稱為圖像理解或計(jì)算機(jī)視覺。 隨著計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)的發(fā)展，圖像和視頻的應(yīng)用愈加廣泛。大部分圖像數(shù)據(jù)在實(shí)際應(yīng)用前都需要進(jìn)行有針對性的處理，如根據(jù)圖像數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)D像進(jìn)行增強(qiáng)、銳化、除噪、除霧和識別等。此外，為了有效實(shí)時(shí)的傳輸信息，還必須對圖像進(jìn)行壓縮，圖像粗粒技術(shù)尤其是實(shí)時(shí)圖像處理現(xiàn)在已經(jīng)成為一門熱門的研究課題。 圖像是人類獲取和交換信息的主要來源，因此，圖像處理的應(yīng)

8、用領(lǐng)域必然涉及到人類生活和工作的方方面面。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也將隨之不斷擴(kuò)大。數(shù)字圖像處理技術(shù)未來應(yīng)用領(lǐng)域主要有以下六個(gè)方面： （1）航天航空技術(shù)方面 數(shù)字圖像處理技術(shù)在航天航空技術(shù)方面的應(yīng)用，除JPL對月球、火星照片的處理之外，另一方面是在飛機(jī)遙感和衛(wèi)星遙感技術(shù)中。圖像在空中先處理（數(shù)字化編碼）成數(shù)字信號存人磁帶中，在衛(wèi)星經(jīng)過地面站上空時(shí)，再高速傳送下來，然后由處理中心分析判讀。這些圖像無論是在成像、存儲(chǔ)、傳輸過程中，還是在判讀分析中，都必須采用很多數(shù)字圖像處理方法。現(xiàn)在世界各國都在利用各類衛(wèi)星所獲取的圖像進(jìn)行資源調(diào)查、災(zāi)害檢測、資源勘察、農(nóng)業(yè)規(guī)劃、城市規(guī)劃。在

9、氣象預(yù)報(bào)和對太空其它星球研究方面，數(shù)字圖像處理技術(shù)也發(fā)揮了相當(dāng)大的作用。 （2）生物醫(yī)學(xué)工程方面數(shù)字圖像處理技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程方面的應(yīng)用十分廣泛，且很有成效。除了CT技術(shù)之外，還有一類是對醫(yī)用顯微技術(shù)的處理分析，如染色體分析、癌細(xì)胞識別等。此外，在X光肺部圖像增晰、超聲波圖像處理、心電圖分析、立體定向放射治療等醫(yī)學(xué)診斷方面都廣泛地應(yīng)用圖像處理技術(shù)。 （3）通信工程方面當(dāng)面通信的主要發(fā)展方向是聲音、文字、圖像和數(shù)據(jù)結(jié)合的流媒體通信。其中以圖像通信最為復(fù)雜和困難，因圖像的數(shù)據(jù)量十分巨大，如傳送彩色電視信號的速率達(dá)100M/s以上。要將這樣高速率的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送出去，必須采用編碼技術(shù)來壓縮信息的比

10、特量。在一定意義上講，編碼壓縮是這些技術(shù)成敗的關(guān)鍵。 （4）工業(yè)工程方面在工業(yè)工程領(lǐng)域中圖像處理技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，它大大提高了工作效率，如自動(dòng)裝配線中質(zhì)量檢測，流體力學(xué)圖片的阻力和升力分析，郵政信件的自動(dòng)分揀，在一些惡性環(huán)境內(nèi)識別工件及物體的形狀和排列狀態(tài)，先進(jìn)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)中采用工業(yè)視覺等等。其中值得一提的是研制具備視覺、聽覺和觸覺功能的智能機(jī)器人，將會(huì)給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來新的面貌，目前已在工業(yè)生產(chǎn)中的噴漆、焊接、裝配中得到有效的利用。 （5）軍事公安方面在軍事方面圖像處理和識別主要用于導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)，各種偵察照片的判讀，具有圖像傳輸、存儲(chǔ)和顯示的軍事自動(dòng)化指揮系統(tǒng)和模擬訓(xùn)練系統(tǒng)等；公安方

11、面主要用于指紋識別、人臉鑒別、不完整圖片的復(fù)原以及交通監(jiān)控、事故分析等。目前已投入運(yùn)行的高速公路不停車自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)中的車輛和車牌的自動(dòng)識別就是圖像處理技術(shù)成功應(yīng)用的例子。 （6）文化藝術(shù)方面的應(yīng)用 目前這類應(yīng)用有電視畫面的數(shù)字編輯、動(dòng)畫的制作、電子圖像游戲、紡織工藝品設(shè)計(jì)、服裝設(shè)計(jì)與制作、發(fā)型設(shè)計(jì)、文物資料照片的復(fù)制和修復(fù)、運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作分析和評分等等。目前正在形成一門新的藝術(shù)——計(jì)算機(jī)美術(shù)。 表1-1 圖像處理各領(lǐng)域應(yīng)用 學(xué)科 應(yīng)用 物理、化學(xué) 結(jié)晶分析、譜分析等 生物、醫(yī)學(xué) 細(xì)胞分析、染色體分類、X射線成像 環(huán)境保護(hù) 水質(zhì)及大氣污染調(diào)查等 地質(zhì) 資源勘測、地圖繪制、GI

12、S等 農(nóng)業(yè)、林業(yè) 農(nóng)作物估產(chǎn)、植被分布調(diào)查等 氣象 衛(wèi)星云圖分析等 通信 傳真、電視、多媒體通信等 工業(yè) 工業(yè)探傷、機(jī)器人、產(chǎn)品質(zhì)量檢測等 軍事 導(dǎo)彈導(dǎo)航、軍事偵察等 漁業(yè) 魚群分布調(diào)查等 水利 河流分布、水利及水害調(diào)查等 法律 指紋識別等 自20世紀(jì)60年代第三代數(shù)字計(jì)算機(jī)問世以后，數(shù)字圖像處理技術(shù)出現(xiàn)了空前的發(fā)展，在該領(lǐng)域中需要進(jìn)一步研究的問題主要有如下五個(gè)方面： （1）在進(jìn)一步提高精度的同時(shí)，著重解決處理速度問題； （2）加強(qiáng)軟件研究，開發(fā)新的處理方法，特別要注意移植和借鑒其他學(xué)科的技術(shù)和研究成果，創(chuàng)造新的處理方法； （3）加強(qiáng)邊緣學(xué)科的研究工作，

13、促進(jìn)圖像處理技術(shù)的發(fā)展； （4）加強(qiáng)理論研究，逐步形成處理科學(xué)自身的理論體系； （5）時(shí)刻注意圖像處理領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化問題。 數(shù)字圖像處理的今后的應(yīng)用越來越廣泛，地位越來越重要，在未來現(xiàn)代化建設(shè)中將要發(fā)揮無與倫比的重要作用。 1.3 圖像處理研究內(nèi)容及意義 1.3.1圖像處理研究內(nèi)容 數(shù)字圖像處理主要研究的內(nèi)容有以下幾個(gè)方面： （1） 圖像變換：由于圖像陣列很大，直接在空間域中進(jìn)行處理，涉及計(jì)算量很大。因此，往往采用各種圖像變換的方法，如傅里葉變換、沃爾什變換、離散余弦變換等間接處理技術(shù)，將空間域的處理轉(zhuǎn)換為變換域處理，不僅可減少計(jì)算量，而且可獲得更有效的處理（如傅立葉變換可在頻域中

14、進(jìn)行數(shù)字濾波處理）。目前新興研究的小波變換在時(shí)域和頻域中都具有良好的局部化特性，它在圖像處理中也有著廣泛而有效的應(yīng)用。 （2） 圖像編碼壓縮圖像編碼壓縮技術(shù)可減少描述圖像的數(shù)據(jù)量（即比特?cái)?shù)），以便節(jié)省圖像傳輸、處理時(shí)間和減少所占用的存儲(chǔ)器容量。壓縮可以在不失真的前提下獲得，也可以在允許的失真條件下進(jìn)行。編碼是壓縮技術(shù)中最重要的方法，它在圖像處理技術(shù)中是發(fā)展最早且比較成熟的技術(shù)。 （3） 圖像增強(qiáng)和復(fù)原圖像增強(qiáng)和復(fù)原的目的是為了提高圖像的質(zhì)量，如去除噪聲，提高圖像的清晰度等。圖像增強(qiáng)不考慮圖像降質(zhì)的原因，突出圖像中所感興趣的部分。如強(qiáng)化圖像高頻分量，可使圖像中物體輪廓清晰，細(xì)節(jié)明顯；如強(qiáng)化低

15、頻分量可減少圖像中噪聲影響。圖像復(fù)原要求對圖像降質(zhì)的原因有一定的了解，一般講應(yīng)根據(jù)降質(zhì)過程建立"降質(zhì)模型"，再采用某種濾波方法，恢復(fù)或重建原來的圖像。 （4） 圖像分割：圖像分割是數(shù)字圖像處理中的關(guān)鍵技術(shù)之一。圖像分割是將圖像中有意義的特征部分提取出來，其有意義的特征有圖像中的邊緣、區(qū)域等，這是進(jìn)一步進(jìn)行圖像識別、分析和理解的基礎(chǔ)。雖然目前已研究出不少邊緣提取、區(qū)域分割的方法，但還沒有一種普遍適用于各種圖像的有效方法。因此，對圖像分割的研究還在不斷深入之中，是目前圖像處理中研究的熱點(diǎn)之一。 （5） 圖像描述：圖像描述是圖像識別和理解的必要前提。作為最簡單的二值圖像可采用其幾何特性描述物體的

16、特性，一般圖像的描述方法采用二維形狀描述，它有邊界描述和區(qū)域描述兩類方法。對于特殊的紋理圖像可采用二維紋理特征描述。隨著圖像處理研究的深入發(fā)展，已經(jīng)開始進(jìn)行三維物體描述的研究，提出了體積描述、表面描述、廣義圓柱體描述等方法。 （6） 圖像分類（識別）：圖像分類（識別）屬于模式識別的范疇，其主要內(nèi)容是圖像經(jīng)過某些預(yù)處理（增強(qiáng)、復(fù)原、壓縮）后，進(jìn)行圖像分割和特征提取，從而進(jìn)行判決分類。圖像分類常采用經(jīng)典的模式識別方法，有統(tǒng)計(jì)模式分類和句法（結(jié)構(gòu)）模式分類，近年來新發(fā)展起來的模糊模式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式分類在圖像識別中也越來越受到重視。 應(yīng)用工具：數(shù)字圖像處理的工具可分為三大類:第一類包括各種

17、正交變換和圖像濾波等方法,其共同點(diǎn)是將圖像變換到其它域(如頻域)中進(jìn)行處理(如濾波)后,再變換到原來的空間(域)中；第二類方法是直接在空間域中處理圖像,它包括各種統(tǒng)計(jì)方法、微分方法及其它數(shù)學(xué)方法；第三類是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算,它不同于常用的頻域和空域的方法,是建立在積分幾何和隨機(jī)集合論的基礎(chǔ)上的運(yùn)算。由于被處理圖像的數(shù)據(jù)量非常大且許多運(yùn)算在本質(zhì)上是并行的,所以圖像并行處理結(jié)構(gòu)和圖像并行處理算法也是圖像處理中的主要研究方向。 應(yīng)用領(lǐng)域：圖像是人類獲取和交換信息的主要來源，因此，圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域必然涉及到人類生活和工作的方方面面。隨著人類活動(dòng)范圍的不斷擴(kuò)大，圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域也將隨之不斷擴(kuò)大。 1

18、.3.2本文的研究意義 本文設(shè)計(jì)了一種高速數(shù)字圖象信號處理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方案，在DSP芯片的固有功能和通用管腳接口的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)信號采集、壓縮和增強(qiáng)等基本的圖像處理功能，構(gòu)造一個(gè)具有通用性、可擴(kuò)充性、靈活的多功能高速圖像數(shù)字信號處理平臺(tái)。通過深入學(xué)習(xí)DSP技術(shù)相關(guān)理論基礎(chǔ)知識，設(shè)計(jì)實(shí)用的DSP圖像處理算法及其實(shí)現(xiàn)程序，并實(shí)際進(jìn)行測試驗(yàn)證程序的實(shí)時(shí)性和有效分析現(xiàn)有算法的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍；對論文選定算法進(jìn)行理論研究和程序仿真驗(yàn)證，并給出算法原理說明和相應(yīng)DSP程序；用原始信號數(shù)據(jù)對程序進(jìn)行測試，對程序進(jìn)一步改進(jìn)，提高程序的可靠性。 實(shí)時(shí)圖像信號處理系統(tǒng)中，低層的信號預(yù)處理算法處理的數(shù)據(jù)量大

19、，對處理速度的要求高，但運(yùn)算結(jié)構(gòu)相對比較簡單，高層處理算法的特點(diǎn)是所處理的數(shù)據(jù)量較低層算法少，但算法的控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適于用運(yùn)算速度高，尋址方式靈活的硬件芯片。因此，實(shí)現(xiàn)圖像處理的最佳選擇是功能強(qiáng)大的DSP技術(shù)。 DSP技術(shù)最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較靈活，有較強(qiáng)的通用性，適于模塊化設(shè)計(jì)，從而能夠提高算法效率；同時(shí)其開發(fā)周期較短，系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展，適合予實(shí)時(shí)信號處理。 1.4 小結(jié) 數(shù)字圖像處理又稱為計(jì)算機(jī)圖像處理，它是指將圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并利用計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行處理的過程。數(shù)字圖像處理最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)的電子計(jì)算機(jī)已經(jīng)發(fā)展到一定水平，人們開始利用計(jì)算機(jī)來處理圖形和圖像信息。數(shù)字

20、圖像處理作為一門學(xué)科大約形成于20世紀(jì)60年代初期。早期的圖像處理的目的是改善圖像的質(zhì)量，它以人為對象，以改善人的視覺效果為目的。圖像處理中，輸入的是質(zhì)量低的圖像，輸出的是改善質(zhì)量后的圖像，常用的圖像處理方法有圖像增強(qiáng)、復(fù)原、編碼、壓縮等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能、思維科學(xué)研究的迅速發(fā)展，數(shù)字圖像處理向更高、更深層次發(fā)展。人們已開始研究如何用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解釋圖像，實(shí)現(xiàn)類似人類視覺系統(tǒng)理解外部世界，這被稱為圖像理解或計(jì)算機(jī)視覺。很多國家，特別是發(fā)達(dá)國家投入更多的人力、物力到這項(xiàng)研究，取得了不少重要的研究成果。圖像處理的方法主要有圖像變換，壓縮編碼，圖像復(fù)原增強(qiáng)，圖像分割，圖像分類等。對圖像處理的研

21、究有一定的專業(yè)的方法及工具，以及廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，包括航天，工業(yè)，軍事，醫(yī)學(xué)，通信，文化等等。本文設(shè)計(jì)了一種高速數(shù)字圖象信號處理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方案，在DSP芯片的固有功能和通用管腳接口的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)信號采集、壓縮和增強(qiáng)等基本的圖像處理功能，構(gòu)造一個(gè)具有通用性、可擴(kuò)充性、靈活的多功能高速圖像數(shù)字信號處理平臺(tái)。DSP技術(shù)最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較靈活，有較強(qiáng)的通用性，適于模塊化設(shè)計(jì)，從而能夠提高算法效率；同時(shí)其開發(fā)周期較短，系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展，適合予實(shí)時(shí)信號處理。 2 基于DSP的開發(fā)系統(tǒng) 2.1 DSP系統(tǒng)簡介 數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP)是

22、一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實(shí)信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實(shí)力。 模 擬 信 號 A/D 轉(zhuǎn)換 數(shù) 字 信 號 DSP 處理 數(shù) 字 信 號 D/A 轉(zhuǎn)換 模 擬 信 號 DSP（digital signal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以

23、數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。 圖2-1 典型的DSP系統(tǒng)結(jié)構(gòu) DSP的一些優(yōu)缺點(diǎn)如下： DSP優(yōu)點(diǎn)：對元件值的容限不敏感，受溫度、環(huán)境等外部因素影響?。蝗菀讓?shí)現(xiàn)集成；VLS可以分時(shí)復(fù)用，共享處理器； 方便調(diào)整處理器的系數(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波；可實(shí)現(xiàn)模擬處理不能實(shí)現(xiàn)的功能

24、：線性相位、多抽樣率處理、級聯(lián)、易于存儲(chǔ)等；可用于頻率非常低的信號。 DSP缺點(diǎn)：需要模數(shù)轉(zhuǎn)換；受采樣頻率的限制，處理頻率范圍有限； 數(shù)字系統(tǒng)由耗電的有源器件構(gòu)成，沒有無源設(shè)備可靠。但是其優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過缺點(diǎn)。 2.2 DSP芯片 在數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展的初期（上世紀(jì)50~60年代），人們只能在微處理器上完成數(shù)字信號的處理。一般認(rèn)為，世界上第一個(gè)單片DSP芯片是1978年AMI公司發(fā)布的S2811。1980年，日本NEC公司推出的D7720是第一個(gè)具有硬件乘法器的商用DSP芯片，從而被認(rèn)為是第一塊單片DSP器件。 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，1982年美國德州儀器公司櫥柜世界上第一代D

25、SP芯片TMS32010及其系列產(chǎn)品，標(biāo)志著實(shí)時(shí)數(shù)字信號處理領(lǐng)域的重大突破。TI公司穗后推出了第二代DSP芯片TMS32020及其系列，至今，TI公司已經(jīng)推出了其第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X、TMS320C64X等芯片。 美國Analog Device公司在DSP芯片市場也有一定份額，推出了一系列具有自己特色的DSP芯片，如其定點(diǎn)的DSP芯片ADSP2101/2103/2105, ADSP2111/2103/2115, ADSP2161/62/64,浮點(diǎn)DSP有ADSP21000/020 ，ADSP21060/21062等。 20世紀(jì)80年代以來，DSP芯片得到了突飛猛進(jìn)

26、的發(fā)展，從運(yùn)算速度來看，MAC（一次乘加運(yùn)算）時(shí)間已經(jīng)從80年代初期的400ns降到了10ns以下（如TI公司的TMS32054X、TMS320C62X/C67X等），處理能力提高了幾十倍。DSP芯片的引腳數(shù)量從1980年的64個(gè)增加到現(xiàn)在的200個(gè)以上，引腳數(shù)量的增加也加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的靈活性。 2.2.1 DSP芯片的基本結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)所需要處理的信號一般為自然條件下的模擬信號，這就需要首先將輸入的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字的電信號。這就需要A/D輸入給DSP系統(tǒng)，DSP系統(tǒng)對數(shù)字信號進(jìn)行某種處理之后，一般還需要輸出為模擬信號來供人們使用，所以又用到了A/D（數(shù)模轉(zhuǎn)換）模塊，將處理后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模擬值。

27、 數(shù)字信號處理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，可重復(fù)性好，可以大規(guī)模集成，使得信號處理功能更復(fù)雜，手段更靈活，精度更高。 2.2.2 DSP芯片的種類 數(shù)字信號處理器（DSP）是一類具有專門為數(shù)字信號處理任務(wù)而優(yōu)化設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的通用處理器件，具有處理速度快和有復(fù)合功能的單周期指令等特點(diǎn)，在高速圖像處理中得到了越來越多的應(yīng)用。DAP芯片內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開存儲(chǔ)和傳輸?shù)墓鸾Y(jié)構(gòu)，具有專門硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DAP指令，可用來快速地實(shí)現(xiàn)各種信號處理算法，加之集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其處理速度比最快的CPU還快10—50倍。 DSP芯片按用途或構(gòu)成分類可以分為下列幾種類型：

28、為不同算法而專門設(shè)計(jì)的專用芯片：例如用于做卷積/相關(guān)并具有橫向?yàn)V波器結(jié)構(gòu)，INMOS公司的A100、A110；HARRIS公司的HPS43168；PLESSYGEC公司的PDSP16256等。用于做FFT，Austek公司的A41102，PLESSYGEC公司的PDSP16150等。這些都是為做FIR、IIR、FFT運(yùn)算而設(shè)計(jì)的，因而運(yùn)算速度高，但是具有有限的可編程能力，靈活性差。 為某種目的應(yīng)用專門設(shè)計(jì)系統(tǒng)，即ASIC系統(tǒng)。它只涉及一種或一種以上自然類型數(shù)據(jù)的處理，例如音頻、視頻、語音的壓縮和解壓，調(diào)制/解調(diào)器等。其內(nèi)部都是由基本DSP運(yùn)算單元構(gòu)建，包括FIR、IIR、FFT、DCT，以

29、及卷積碼的編/解碼器及RS編/解碼器等。其特點(diǎn)是計(jì)算復(fù)雜而且密集，數(shù)據(jù)量、運(yùn)算量都很大。 積木式結(jié)構(gòu)：它是由乘法器、存儲(chǔ)器、控制電路等單元邏輯電路搭接而成，這種結(jié)構(gòu)方式也稱為硬連線邏輯電路。它是一種早期實(shí)現(xiàn)方法，具有成本低、速度高等特點(diǎn)，由于是硬連接因而沒有可編程能力。目前主要用于接收機(jī)的前端某些高頻操作中。 用FPGA（現(xiàn)場可編程陳列）實(shí)現(xiàn)DSP的各種功能。實(shí)質(zhì)上這也是一種硬連接邏輯電路，但由于有現(xiàn)場可編程能力，允許根據(jù)需要迅速重新組合基礎(chǔ)邏輯來滿足使用要求，因而更加靈活，而且比通用DSP芯片具有更高的速度。一些大的公司如Xinlinx、Altera也正把FPGA產(chǎn)品擴(kuò)展到DSP應(yīng)用

30、中去。 通用可編程DSP芯片：這是目前用得最多的數(shù)字信號處理應(yīng)用器件。 片上系統(tǒng)Soc(Systemon Chip)，這是數(shù)字化應(yīng)用及微電子技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，是下一代基于DSP產(chǎn)品的主要發(fā)展方向之一。它把一種應(yīng)用系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上。通常，為滿足系統(tǒng)的性能要求和提高功率效率，會(huì)把DSP和MCU的多處理器處理平臺(tái)集成在一起。TI公司推出的開放多媒體應(yīng)用平臺(tái)（OMAP），用來支持2.5G和3G應(yīng)用而設(shè)計(jì)的處理器體系結(jié)構(gòu)，它支持語音、音頻、圖像和視頻信號處理應(yīng)用的各種性能。其中關(guān)鍵器件有：低功耗的DSP芯片，用來做媒體處理；MCU用來支持應(yīng)用操作系統(tǒng)及以控制為核心的應(yīng)用處理；MTC是內(nèi)存和

31、流量控制器，確保處理器能高效訪問外部存儲(chǔ)區(qū)，避免產(chǎn)生瓶頸現(xiàn)象，提高整個(gè)平臺(tái)的處理速度。 2.2.3世界主要的DSP芯片制造公司及其產(chǎn)品 （1）TI公司 TI公司（Texas Instruments）公司在世界一直處于領(lǐng)先的地位。近年，TI在原來的TMS320CIX、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C5X、TMS320C8X的基礎(chǔ)上又推出了3種高性價(jià)比的DSP系列：TMS320C2000、TMS320C5000和TMS320C6000系列。這3種芯片，在我國的信號處理硬件領(lǐng)域應(yīng)用也是非常廣泛，下面作些簡要介紹： TMS320C2000系列主要用于工業(yè)控制領(lǐng)域，提

32、供了全系列的高性能控制芯片，代碼運(yùn)行效率高。除了較強(qiáng)的控制功能之外，還提供了方便的接口與高性能外圍器件相連。主要型號有TMS320C24X和28X系列。 TMS320C5000系列為高性能的低功耗定點(diǎn)DSP芯片。處理速度最高可以達(dá)到900MIPS，功耗很低，可以達(dá)到0.33mA/MHz。非常適合移動(dòng)和手持系統(tǒng)的應(yīng)用。主要有TMS320C54X和55X系列。 TMS320C6000系列為新一代高性價(jià)比DSP芯片，是高端DSP處理器的代表。C6000系列的DSP定點(diǎn)運(yùn)算可以達(dá)到1200到8000MIPS（百萬條指令/秒），浮點(diǎn)運(yùn)算可以達(dá)到600到1800MFLOPS（百萬次浮點(diǎn)操作/秒）的運(yùn)算

33、速度。主要有定點(diǎn)系列的TMS320C62X和浮點(diǎn)系列的TMS320C67X。TMS320C64X為TI最新推出的高性能定點(diǎn)DSP處理器，時(shí)鐘速度提高到1GHz，單片處理能力可達(dá)到8000MIPS。 （2）Analog Device公司 ADI公司的DSP目前主要分為3個(gè)系列：SHARC、Blackfin、TigerSHARC。 SHARC系列一直在雷達(dá)、聲納信號處理等領(lǐng)域享有很高的聲譽(yù)，很多商用、軍用的信號處理機(jī)中都可以看到SHARC的身影。單片處理能力有限的SHARC之所以能夠在通信信號處理領(lǐng)域有這么高的聲譽(yù)，完全是由于ADI優(yōu)秀的片間互連技術(shù)（LINK口），利用這個(gè)LINK口可以很方

34、便地將幾片、幾十片要求的場所利用DSP陣列就很容易達(dá)到了。 Blackfin是近幾年推出的針對性能要求比較高，同時(shí)功耗要求又比較低的場所。它所具備的優(yōu)點(diǎn)很合適在便攜式通信產(chǎn)品中使用。 TigerSHARC是從SHARC改進(jìn)的高端DSP，它的出現(xiàn)是ADI公司的DSP在高端領(lǐng)域應(yīng)用開創(chuàng)了歷史性的局面。新推出的第二代TigerSHARC ADSP-TS201S主頻高達(dá)600MHz，處理能力高達(dá)14.4GOPS，還有超大容量的RAM，使它一出世就在高端領(lǐng)域脫穎而出。尤其適合軟件無線電的應(yīng)用。 DSP已經(jīng)發(fā)展成為了一種成熟的技術(shù)，也是一種成熟的產(chǎn)品，它在數(shù)字信息時(shí)代占據(jù)越來越重要的位置，所以其市場

35、的擴(kuò)展還存在著巨大的空間。DSP的性能、價(jià)格和功耗是決定其市場的三個(gè)重要因素。挑戰(zhàn)更高的性能，盡可能降低價(jià)格和功耗，一直是DSP追求的目標(biāo)。 2.2.4 DSP發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用簡介 DSP處理系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 數(shù)字信號處理是一門涉及許多領(lǐng)域的新型學(xué)科，在現(xiàn)代科技發(fā)展中發(fā)揮著極其重要的作用。近年來，數(shù)字信號處理理論在不斷取得進(jìn)步的同時(shí)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的突飛猛進(jìn)，專用的數(shù)字信號處理芯片也獲得了飛速發(fā)展。 數(shù)字信號處理時(shí)在模擬信號變換為數(shù)字信號后對數(shù)字信號進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理的專用處理器，它具有計(jì)算速度快、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理的強(qiáng)大工具。近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，處理器芯片的

36、處理能力越來越強(qiáng)大，似的信號處理的研究可以主要放在算法和軟件方面，不再像過去那樣需要過多的考慮硬件。由于它的出色性能，DAP目前被廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信、信號處理、工業(yè)控制、圖像處理等領(lǐng)域。 （1）國際發(fā)展現(xiàn)狀 簡略國際DSP處理發(fā)展的現(xiàn)狀，國外的商業(yè)化信號處理設(shè)備一直保持著快速的發(fā)展勢頭。歐美等科技國保持著國際領(lǐng)先的地位。例如美國DSP research 公司，Pentek公司，Motorola公司，加拿大Dy4公司等，他們很多已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)大的規(guī)模，競爭也愈發(fā)激烈。我們從國際知名DSP技術(shù)公司發(fā)布的產(chǎn)品中就可以了解一些當(dāng)今世界先進(jìn)的數(shù)字信號處理系統(tǒng)的情況。 以Pentek公司一款處理板4

37、293為例，使用8片TI公司300MHz的TMS320C6203芯片，具有19200MIPS的處理能力，同時(shí)集成了8片32MB的SDAM，數(shù)據(jù)吞吐600MB/s。該公司另一款處理板4294集成了4片Motorola MPC7410 G4PowerPC處理器，工作頻率400/500MHz,兩級緩存256K×64bit，最高具有16MB的SDRAM。 ADI公司的TigerSHARC芯片也由于其出色的協(xié)同工作能力，可以組成強(qiáng)大的處理器陣列，在諸多領(lǐng)域（特別是軍事領(lǐng)域）獲得了廣泛的應(yīng)用。以英國Transtech DSP公司的TP-P36N為例，它由4~8TS101b（TigerSHharc）芯片構(gòu)

38、成，時(shí)鐘250MHz，具有6~12GFLOPS的處理能力。 DSP應(yīng)用產(chǎn)品獲得成功的一個(gè)標(biāo)志就是進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化。在以往的20年中，這一進(jìn)程在不斷重復(fù)進(jìn)行，而且周期在不斷縮小。在數(shù)字信息時(shí)代，更多的新技術(shù)和新產(chǎn)品需要快速地推上市場，因此，DSP的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程還是需要加速進(jìn)行。隨著競爭的加劇，DSP生產(chǎn)商隨時(shí)調(diào)整發(fā)展規(guī)劃，以全面的市場規(guī)劃和完善的解決方案，加上新的開發(fā)理念，不斷深化產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 （2）我國發(fā)展現(xiàn)狀 隨著我國信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，近年來我國的數(shù)字信號處理學(xué)科發(fā)展較快。DSP處理器已經(jīng)在我國的數(shù)字通信、信號處理、雷達(dá)、電子對抗、圖像處理等方面得到了廣泛的應(yīng)用，為科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)創(chuàng)造了很

39、大價(jià)值。全國有很多高校、科研機(jī)構(gòu)的信號處理實(shí)驗(yàn)室都在大力研究性能更高的數(shù)字信號處理設(shè)備，取得了很多研究成果。我國的科研人員通過對先進(jìn)的DSP芯片的研究，已經(jīng)研制出一些高性能處理設(shè)備的解決方案，并且在板級PCB設(shè)計(jì)方面，也取得了寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。以我國某電子技術(shù)研究所研制的DSP雷達(dá)數(shù)字信號處理通用模塊為例，它使用了6片ADSP21060和大規(guī)?？删幊唐骷?gòu)成通用處理模塊。通過信號處理算法并行設(shè)計(jì)、系統(tǒng)多數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)、處理任務(wù)分配調(diào)度程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)雷達(dá)數(shù)字信號處理。以FFT算法為例，將任務(wù)分為3個(gè)流水處理過程：FFT、復(fù)數(shù)乘法、IFFT，實(shí)現(xiàn)多片DSP組成并行處理。在33MHz時(shí)鐘下，102

40、4點(diǎn)處理通過時(shí)間為0.7ms，可以實(shí)現(xiàn)單通道數(shù)據(jù)率為1MHz，雙通道并行工作為2MHz。 但是應(yīng)該看到，我國在數(shù)字信號處理理論、高速高性能處理器設(shè)計(jì)和制造方面與國際先進(jìn)水平還有較大差距。并且，主要的核心處理器件基本完全依賴進(jìn)口，這也是我國半導(dǎo)體研究領(lǐng)域需要大力加強(qiáng)的工作之一。復(fù)雜的大型處理機(jī)PCB板級設(shè)計(jì)和制造也存在一定困難，也是需要我國科研人員發(fā)揚(yáng)用于拼搏的精神，繼續(xù)的刻苦努力。 2.2.5 DSP技術(shù)展望 （1）向著集成DSP方向發(fā)展 目前的DSP多數(shù)基于RISC（精簡指令集）結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、功耗低、性能高?，F(xiàn)在各DSP廠紛紛采用新工藝，將幾個(gè)DSP核、MPU核、專用

41、處理單元、外圍電路單元和存儲(chǔ)單元集成在一個(gè)芯片上，成為DSP系統(tǒng)集成電路。 （2）內(nèi)核結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善 多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重?cái)?shù)據(jù)（SIMD）、超長指令字結(jié)構(gòu)（VLIM）、超標(biāo)量結(jié)構(gòu)、超流水結(jié)構(gòu)、多處理、多線程及可并行擴(kuò)展的超級哈佛結(jié)構(gòu)在高性能處理器將占據(jù)主導(dǎo)地位。 （3）進(jìn)一步降低功耗和幾何尺寸 DSP的應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)大到人們工作生活的各個(gè)領(lǐng)域，特別是便攜式手持產(chǎn)品對于低功耗和尺寸的要求很高，提高DSP的運(yùn)算速度和降低功耗尺寸是完全可能的。 （4）與可編程器件結(jié)合 DSP在許多新的領(lǐng)域的應(yīng)用要求它借助PLD或FPGA來滿足日益增長的處理要求。與常規(guī)DSP器件相比，F(xiàn)PGA器件配合傳

42、統(tǒng)DSP器件可以處理更多的信道，來滿足無線通信、多媒體等領(lǐng)域的多功能和高性能的需求。 2.3 DSP芯片的特點(diǎn) DSP處理芯片，為了適應(yīng)信號處理運(yùn)算的需要，結(jié)構(gòu)與通用的其他計(jì)算機(jī)或控制處理器相比，有較大的不同，主要的幾點(diǎn)為： （1）具有專用的算術(shù)單元，如硬件乘法器，DSP內(nèi)部設(shè)有硬件乘法器來完成乘法操作，以提高乘法速度。 （2）具有特殊的總線結(jié)構(gòu)——哈佛結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使DSP具有獨(dú)立的地址和數(shù)據(jù)總線，可以同時(shí)取地址和操作數(shù)。 （3）流水處理。流水技術(shù)使多個(gè)不同的操作可以同時(shí)執(zhí)行，處理器內(nèi)將每條指令的執(zhí)行分為取址、解碼、執(zhí)行等階段，不同的階段并行執(zhí)行，提高了程序執(zhí)行的效率和速度。 （

43、4）高速的芯片內(nèi)存儲(chǔ)器。DSP芯片一般內(nèi)部集成有程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，訪問速度快，緩解總線接口的壓力，提高程序執(zhí)行的速度。 DSP運(yùn)算的特點(diǎn)是尋址操作。數(shù)據(jù)尋址范圍大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜但很有規(guī)律。例如FFT運(yùn)算，它的蝶形運(yùn)算相關(guān)節(jié)點(diǎn)從相鄰兩點(diǎn)直至跨越N/2間隔的地址范圍，每次變更都很有規(guī)律，級間按一定規(guī)律排列，雖然要運(yùn)算log2N遍，但每級的地址都可以預(yù)測，也就是尋址操作很有規(guī)律而且可以預(yù)測。這就不同于一般的通用機(jī)，在通用機(jī)中對數(shù)據(jù)庫的操作，具有很大的隨機(jī)性，這種隨機(jī)尋址方式不是信號處理器的強(qiáng)項(xiàng)。 無論是專用的DSP芯片或通用DSP芯片在結(jié)構(gòu)考慮上都能適應(yīng)DSP運(yùn)算的這些特點(diǎn)。而專用芯片在結(jié)構(gòu)上考慮

44、的更加專業(yè)化，更為合理，因而有更高的運(yùn)算速度。 DSP微處理器（芯片）一般具有如下主要特點(diǎn)： （1）在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法； （2）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)； （3）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問； （4）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持； （5）快速的中斷處理和硬件I/O支持； （6）具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器； （7）可以并行執(zhí)行多個(gè)操作； （8）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。 DSP芯片的主要任務(wù)是面向?qū)崟r(shí)數(shù)字信號處理，強(qiáng)調(diào)處理的高速性，為此在結(jié)

45、構(gòu)、指令系統(tǒng)、指令流程上，比普通微處理器均做了很大的改進(jìn)。目前，主流DSP芯片通常具有如下主要特點(diǎn)： （1）采用哈佛結(jié)構(gòu)。DSP芯片普遍采用數(shù)據(jù)總線和程序總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)或改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu),可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)，比傳統(tǒng)處理器的馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)有更快的指令執(zhí)行速度。傳統(tǒng)的馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)是程序和數(shù)據(jù)公用一個(gè)存儲(chǔ)空間和單一的地址及數(shù)據(jù)總線，處理器要執(zhí)行任何指令時(shí)，都要先從儲(chǔ)存器中出取出指令解碼，再取操作數(shù)執(zhí)行運(yùn)算。哈弗結(jié)構(gòu)是一種并行的體系結(jié)構(gòu)，他的主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問。與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對應(yīng)的是系統(tǒng)中

46、的4套總線：程序的數(shù)據(jù)總線與地址總線，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線與地址總線。這種分離的數(shù)據(jù)總線和地址總線可以允許在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)同時(shí)獲取指令字和操作數(shù)，從而提高了執(zhí)行速度，是數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。又由于程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在兩個(gè)分開的空間中，因此取指和執(zhí)行能完全疊加。 （2）采用多總線結(jié)構(gòu)。DSP芯片都采用多總線結(jié)構(gòu)，可同時(shí)進(jìn)行取指令和多個(gè)數(shù)據(jù)存取操作，并由輔助寄存器自動(dòng)增減地址進(jìn)行尋址，使CPU在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可多次對程序空間和數(shù)據(jù)空間進(jìn)行訪問，大大地提高了DSP的運(yùn)行速度。 （3）采用流水線結(jié)構(gòu)。利用這種流水線結(jié)構(gòu)，使得取指、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行、存數(shù)等操作可以重疊進(jìn)行，平均說來多數(shù)指令可以在一個(gè)機(jī)器周

47、期內(nèi)完成。流水線處理器是有一系列處理電路組成，這些處理電路成為片段或部分。操作數(shù)流水經(jīng)每個(gè)片斷，即每個(gè)片段對操作數(shù)進(jìn)行部分處理，操作數(shù)經(jīng)過所有片段后才能得到最后結(jié)果。流水線操作即把一條指令分成一系列步驟來完成，不同步驟完成不同任務(wù)，一條指令只有經(jīng)過所有步驟才能得到結(jié)果。這些步驟可以獨(dú)立進(jìn)行，這樣就可以實(shí)現(xiàn)多條指令在不同步驟上的重復(fù)運(yùn)行，從而加快運(yùn)行速度。流水線分為指令流水線和算術(shù)流水線。指令流水線是指取指令和執(zhí)行指令的不同階段在流水線上進(jìn)行；算術(shù)流水線是指算術(shù)操作的不同階段在流水線上進(jìn)行。DAP芯片一般采用流水線方法。由于采用了流水線技術(shù)，DAP芯片可以單周期完成乘法累加運(yùn)算，大幅提高了運(yùn)算速

48、度，減少了指令執(zhí)行的時(shí)間，從而增強(qiáng)了處理器的處理的能力。處理器可以并行處理2—4條指令，每條指令處于流水線的不同階段。 （4）配有專用的硬件乘法-累加器。DSP芯片都配有專用的硬件乘法-累加器，可在一個(gè)周期內(nèi)完成一次乘法和一次累加操作，從而保證在單指令周期內(nèi)完成數(shù)字信號處理中用得最多的乘法-累加運(yùn)算。 （5）具有特殊的尋址方式和指令。為了滿足信號處理的需要，在DSP的指令系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了特殊的尋址方式和指令。如：循環(huán)尋址方式可以使得信號處理中常用的卷積、相關(guān)、FIR濾波等算法容易地實(shí)現(xiàn)，位反轉(zhuǎn)尋址方式使得FFT算法的效率大大提高，F(xiàn)IRS和LMS指令專門用于完成系數(shù)對稱的FIR濾波器和LMS

49、算法。 （6）支持并行指令操作。某些指令如裝載和存儲(chǔ)、存儲(chǔ)和加/減、存儲(chǔ)和乘法、裝載和乘法等可以并行執(zhí)行，可以充分利用流水線特性，提高了代碼執(zhí)行效率。 （7）硬件配置強(qiáng)，具有較強(qiáng)的接口功能。片內(nèi)除了具有串行口、定時(shí)器、主機(jī)接口（HPI）、DMA控制器、軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器等電路外，還配有中斷處理器、PLL、片內(nèi)存儲(chǔ)器、測試接口等單元電路，有的還有USB接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、看門狗定時(shí)器（Watchdog）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、多媒體卡控制器（MMC）等電路，可以方便地構(gòu)成一個(gè)功能完善的嵌入式DSP應(yīng)用系統(tǒng)。 （8）支持多處理器結(jié)構(gòu)。為了滿足多處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，許多DSP芯片都采用

50、支持多處理器的結(jié)構(gòu)。如：TMS320C40提供了6個(gè)用于處理器間高速通信的32位專用通信接口，使處理器之間可直接對通，應(yīng)用靈活、使用方便。 一些其他特殊功能的DSP芯片還具有一些專用的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，這里不一一列出?？傊?，DSP功能上的特點(diǎn)很大程度上是針對數(shù)字信號處理算法的特點(diǎn)，針對性地組成專用的結(jié)構(gòu)，以滿足處理的需要。 當(dāng)然，與通用微處理器相比，DSP微處理器（芯片）的其他通用功能相對較弱些。 DSP運(yùn)算的基本類型是乘法和累加(MAC)運(yùn)算，對于卷積、相關(guān)、濾波和FFT基本上都是這一類運(yùn)算。這樣的運(yùn)算可以用通用機(jī)來完成，但受到其成本和結(jié)構(gòu)的限制不可能有很高的實(shí)時(shí)處理能力。 2.4圖像處理

51、中DSP芯片的選擇 對圖像處理技術(shù)而言，由于要處理的數(shù)據(jù)量大，計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算中間結(jié)果精度要求高，因此需要選擇合適的DSP芯片。DSP芯片的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)需要而確定。一般來說，選擇DSP芯片是應(yīng)考慮如下諸多因素： （1）確定選擇定點(diǎn)或浮點(diǎn)DSP。數(shù)字信號處理算法的數(shù)據(jù)格式有定點(diǎn)和浮點(diǎn)之分，而數(shù)字信號處理系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)格式?jīng)Q定了他所處理信號的處理精度、動(dòng)態(tài)范圍和信噪比，且不同數(shù)據(jù)格式的易用性和開發(fā)難度也不一樣。選擇定點(diǎn)或浮點(diǎn)DSP，首先要看模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)需要的比特?cái)?shù)，如果圖像的每個(gè)像素小于16bit，則用16bit定點(diǎn)DSP即可；如果大于16bit。則需要用浮點(diǎn)DSP來捕捉更大的動(dòng)態(tài)

52、范圍。其次考慮算法的復(fù)雜度和經(jīng)濟(jì)問題。一般來說，浮點(diǎn)DSP芯片的運(yùn)算精度高，動(dòng)態(tài)范圍大，尋址空間大，指令運(yùn)算能力較強(qiáng)，但功耗大、成本高、體積較大。定點(diǎn)DSP芯片的運(yùn)算精度與浮點(diǎn)DSP芯片相同（數(shù)據(jù)位數(shù)和浮點(diǎn)芯片相同的情況下），而功耗、成本、體積與浮點(diǎn)DSP芯片相比較小，且易于實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性好。 （2）根據(jù)DSP芯片運(yùn)算速度選擇具體芯片。運(yùn)算速度是DSP芯片的一個(gè)最重要的性能指標(biāo)，也是選擇DSP芯片時(shí)所需考慮的一個(gè)主要因素。DSP芯片的運(yùn)算速度一般次用DSP的指令周期、單周期的乘加次數(shù)或采用數(shù)字信號處理中的基準(zhǔn)程序，如用FFT和數(shù)字濾波等的執(zhí)行時(shí)間來測評DSP芯片的速度性能。 （3）其他考慮因

53、素。在硬件方面還應(yīng)考慮芯片的外部總線結(jié)構(gòu)、片上存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、DMA功能、串行通信口和芯片間通信能力等因素，在軟件方面主要是開發(fā)軟件的功能性和時(shí)間要求等因素。 目前，應(yīng)用最為廣泛的是TI（Texas Instruments）公司TMS320C6000系列的數(shù)字信號處理器，成為世界上最大的DSP芯片供應(yīng)商。TMS320C6000系列是IT公司于1997年推出的高端系列DSP。在該系列的DSP在芯片設(shè)計(jì)上，最初主要是針對多通道無線通信和有線通信的應(yīng)用領(lǐng)域，但由于其優(yōu)異的高速處理性能和出色的對外接口能力，使它也很適用于圖像處理領(lǐng)域。 TMS320C6000是基于超長指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)的通用DS

54、P系列，具有超長指令字 能力。其內(nèi)部有8個(gè)并行處理單元，8條指令組成一個(gè)指令包，一個(gè)指令包的總字長為256位。它可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)并行執(zhí)行8條指令。這種高速高性能數(shù)字信號處理器的工作頻率可達(dá)200MHz，每秒可完成1.6G次操作。該結(jié)構(gòu)包括定點(diǎn)的C62x、浮點(diǎn)的C67x和新的C64x。C64x和C62x代碼兼容，但結(jié)構(gòu)有顯著的加強(qiáng)，其初期的工作頻率可達(dá)750MHz。C67x在C62x8個(gè)功能塊中的6個(gè)上增加了浮點(diǎn)功能，因此其指令集是不同的。 將TMS320C6000系列的數(shù)字信號處理器用于圖像處理系統(tǒng)開發(fā)中，勢必使技術(shù)水平得到進(jìn)一步的提高。 2.5基于DSP的圖像處理系統(tǒng) 基于DSP的圖

55、像處理系統(tǒng)的主要思想是利用C6000這樣具有強(qiáng)大運(yùn)算能力的DSP來滿足圖像處理技術(shù)中運(yùn)算速度和處理的實(shí)時(shí)性要求。以DSP為核心不見的圖像處理系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）接口方便。DSP系統(tǒng)與其他以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備均互相兼容，同這樣的系統(tǒng)接口來實(shí)現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這樣的系統(tǒng)接口要容易的多； （2）編程方便。DSP系統(tǒng)中的可編程DSP芯片可使設(shè)計(jì)人員在開發(fā)過程中靈活方便的對軟件進(jìn)行修改和升級； （3）穩(wěn)定性好。DSP系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫度及噪音的影響較小，可靠性高； （4）精度高。16位數(shù)字系統(tǒng)的精度可達(dá)10－5； （5）可重復(fù)性好。模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)

56、性能變化的影響較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本上不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試、調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)； （6）集成方便。DSP系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。 圖像處理計(jì)算量大且實(shí)時(shí)性要求高，雖然DSP芯片對提高處理速度有一定的優(yōu)越性，但是對如遙感圖像等大型且重要的圖像數(shù)據(jù)卻常常不能達(dá)到實(shí)時(shí)處理，因此需要采用多個(gè)DSP并行處理方式，進(jìn)一步提高算法的運(yùn)行速度，達(dá)到真正的實(shí)時(shí)處理。目前比較采用的是雙DSP結(jié)構(gòu)。兩片DSP芯片交替進(jìn)行采集和處理工作，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和圖像壓縮的并行操作，降低處理時(shí)間.而在一片DSP內(nèi)，也可將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)分為兩部分，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和編碼，實(shí)現(xiàn)片內(nèi)并行操作，進(jìn)一步節(jié)

57、省時(shí)間。 3 CCS開發(fā)環(huán)境的應(yīng)用與仿真 3.1 CCS的安裝及簡介 3.1.1 CCS簡介 CCS的全稱是Code Composer Studio，它是美國德州儀器公司（Texas Instrument,TI）出品的代碼開發(fā)和調(diào)試套件。TI公司的產(chǎn)品線中有一大塊業(yè)務(wù)是數(shù)字信號處理器（DSP）和微處理器（MCU），CCS便是供用戶開發(fā)和調(diào)試DSP和MCU程序的集成開發(fā)軟件。CCS 提供了配置、建立、調(diào)試、跟蹤和分析程序的工具，它便于實(shí)時(shí)、嵌入式信號處理程序的編制和測試，它能夠加速開發(fā)進(jìn)程，提高工作效率。CCS 提供了基本的代碼生成工具，它們具有一系列的調(diào)試、分析能力。代碼生成工具奠定

58、了CCS 所提供的開發(fā)環(huán)境的基礎(chǔ)。 代碼生成工具包括： （1）C 編譯器(C compiler)產(chǎn)生匯編語言源代碼。 （2）匯編器(assembler) 把匯編語言源文件翻譯成機(jī)器語言目標(biāo)文件，機(jī)器語言格式為公用目標(biāo)格式（COFF）。 （3）連接器(linker) 把多個(gè)目標(biāo)文件組合成單個(gè)可執(zhí)行目標(biāo)模塊。它一邊創(chuàng)建可執(zhí)行模塊，一邊完成重定位以及決定外部參考。連接器的輸入是可重定位的目標(biāo)文件和目標(biāo)庫文件，有關(guān)連接器的細(xì)節(jié)參見TMS320C54x 最優(yōu)化C 編譯器用戶指南和匯編語言工具用戶指南。 （4）歸檔器（archiver）允許你把一組文件收集到一個(gè)歸檔文件中。歸檔器也允許你通過刪除

59、、替換、提取或添加文件來調(diào)整庫，其細(xì)節(jié)參見TMS320C54x 匯編語言工具用戶指南。 （5）助記符到代數(shù)匯編語言轉(zhuǎn)換公用程序（mnimonic_to_algebricassembly translator utility）把含有助記符指令的匯編語言源文件轉(zhuǎn)換成含有代數(shù)指令的匯編語言源文件，其細(xì)節(jié)參見TMS320C54x匯編語言工具用戶指南。 （6）運(yùn)行支持庫(run_time_support libraries) 它包括C 編譯器所支持的ANSI 標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行支持函數(shù)、編譯器公用程序函數(shù)、浮點(diǎn)運(yùn)算函數(shù)和C 編譯器支持的I/O 函數(shù)，其細(xì)節(jié)參見TMS320C54x 最優(yōu)化C 編譯器用戶指南。

60、 （7）十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換公用程序(hex conversion utility) 它把COFF 目標(biāo)文件轉(zhuǎn)換成TI-Tagged、ASCII-hex、 Intel、 Motorola-S、或Tektronix 等目標(biāo)格式，可以把轉(zhuǎn)換好的文件下載到EPROM編程器中，其細(xì)節(jié)參見TMS320C54x 匯編語言工具用戶指南。 （8）交叉引用列表器（cross_reference lister）它用目標(biāo)文件產(chǎn)生參照列表文件，可顯示符號及其定義，以及符號所在的源文件，其細(xì)節(jié)參見TMS320C54x 匯編語言工具用戶指南。 （9）絕對列表器（absolute lister）它輸入目標(biāo)文件，輸出.abs 文

61、件，通過匯編.abs 文件可產(chǎn)生含有絕對地址的列表文件。如果沒有絕對列表器，這些操作將需要冗長乏味的手工操作才能完成。 數(shù)字信號處理器（DSP）作為一種可編程專用芯片，是數(shù)字信號處理理論實(shí)用化過程的重要技術(shù)工具，在語音處理、圖像處理等技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但對于算法設(shè)計(jì)人員來講，利用匯編語言或C 語言進(jìn)行DSP 功能開發(fā)，具有周期長、效率低的缺點(diǎn)，不利于算法驗(yàn)證和產(chǎn)品的快速開發(fā)。 TI Code Composer Studio (CCStudio)是TI eXpressDSPTM實(shí)時(shí)軟件技術(shù)的重要組成部分,它可以使開發(fā)人員充分應(yīng)用DSP的強(qiáng)大功能。隨著TI的TMS320C5000（C5

62、K）和TMS320C6000（C6K）DSP平臺(tái)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,已經(jīng)由其應(yīng)用于下載視頻流的手持因特網(wǎng)接入產(chǎn)品擴(kuò)展到蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)和光網(wǎng)絡(luò)的通信基礎(chǔ)設(shè)施,eXpressDSPTM也便獲得了越來越多軟件工程師的青睞。 eXpressDSP還包含了DSP/BIOS可伸縮內(nèi)核,TMS320TMDSP標(biāo)準(zhǔn)算法的應(yīng)用互操作性和可重復(fù)使用性以及400多家第三方廠商支持。大部分廠商提供eXpressDSP兼容算法、即插式應(yīng)用以及種類繁多的硬件配件和咨詢服務(wù)智能化使軟件開發(fā)更加輕松快捷。 Code Composer Studio 3.1能夠使開發(fā)人員編制出更多面向高級DSP應(yīng)用的、緊湊的高性能代碼。通過實(shí)

63、時(shí)接入的DSP開發(fā)者之家網(wǎng)站,內(nèi)置的Update Advisor對最新的工具、驅(qū)動(dòng)程序及其技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)的流線式管理。只要確保代碼和功能調(diào)用的正確輸入,憑借編輯器程序中的Dynamic CodeMaestro技術(shù)即可快速生成C和C++編碼。 TI 的 eXpressDSP? 產(chǎn)品市場營銷經(jīng)理 Mike Trujillo 說："通過充分利用 CCStudio 的工具與功能，編程人員能夠大大縮短應(yīng)用開發(fā)的時(shí)間。使用 CCStudio 生成的高度優(yōu)化代碼，工程師能夠最大限度地發(fā)揮高性能 DSP 的全部功能，或者，在其它情況下能夠以成本更低的器件來滿足其應(yīng)用需求。" 無縫管理大型的多場所、多處理器項(xiàng)

64、目---- Code Composer Studio v3.1使開發(fā)人員能夠無縫管理任何復(fù)雜程度的項(xiàng)目,其項(xiàng)目管理器通過一個(gè)集成版本的控制接口與通用資源控制器連接,管理著成千上萬的文件。同時(shí)支持外部 "文件制作"功能,使項(xiàng)目能夠在PC和UNIX平臺(tái)上交叉運(yùn)行。工作于同一項(xiàng)目的開發(fā)團(tuán)隊(duì),不再需要集中到一個(gè)地方,而可分散在不同的場所。他們可以通過采用一個(gè)改進(jìn)的產(chǎn)品開發(fā)流程,就可實(shí)現(xiàn)同一組項(xiàng)目文件的共享。于是可以使他們的開發(fā)周期縮短數(shù)周,并獲得時(shí)間上提前于競爭對手推向市場的優(yōu)勢。 ---- 對于那些希望把業(yè)界領(lǐng)先的C6000TM DSP平臺(tái)的高性能與C5000TM DSP平臺(tái)的低功耗相結(jié)合的系統(tǒng)開發(fā)

65、者來說,Code Composer Studio v3.1為使其同時(shí)調(diào)試混合多處理器成為了可能。Code Composer Studio v3.1還增加了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換(RTDXTM)仿真功能,可支持來自任何地方的2至50個(gè)C5000和C6000 DSP器件同時(shí)運(yùn)行。此外,支持RTDX的仿真器還實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)DSP/BIOSTM仿真調(diào)試,該高級調(diào)試功能可以使開發(fā)人員更深入地了解DSP代碼在硬件或仿真狀態(tài)中的運(yùn)行情況。 3.1.2 CCS的安裝使用 TI公司提供了高效的C編譯器和集成開發(fā)環(huán)境Code Composer Studio，學(xué)習(xí)C6X的編程應(yīng)該從學(xué)習(xí)CCS的使用開始。 首先安裝CCS以下

66、的例子以CCS5000 軟件為例，其他系列軟件參考此例子安裝。 A.打開安裝光盤的“CCS 開發(fā)軟件”目錄，所有的開發(fā)軟件都放在這個(gè)目錄下。請選擇CCS 5000.EXE 文件，雙擊后如圖3-1： 圖3-1 CCS5000 軟件安裝示意圖 注意：建議先用winrar 軟件把ccs5000.exe 解壓縮到硬盤中再點(diǎn)擊setup.exe 來安裝。如果光盤中是已經(jīng)解壓縮后的軟件，點(diǎn)擊安裝目錄下setup.exe 來安裝。 B. 然后進(jìn)入如下界面圖3-2 圖3-2 CCS5000 軟件安裝示意圖 C. 按照提示點(diǎn)擊NEXT 后，轉(zhuǎn)到軟件安裝提示目錄圖3-3 圖3-3 CCS5000 軟件安裝示意圖 D. 圖3.6 中可以選擇把開發(fā)軟件安裝在不同的目錄下，通過“Browse”按鈕選擇。 E. 然后繼續(xù)點(diǎn)擊next 后，將自動(dòng)進(jìn)行安裝。等到安裝結(jié)束后，按照圖CCS5000 軟件安裝示意圖3-4選擇重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)。 圖3-4 CCS5000 軟件安裝示意圖 F. 如果安裝的是CCS2000 或CC3X4X 的軟件，到這一步驟就全部安裝完成了。如果安裝的是CCS