基于DSP的數(shù)字圖像處理

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1、目錄 目錄 摘要…………………………………………………………………………………………….I Abstract………………………………………………………………………………………II 1緒論 1 1.1圖像處理的研究背景 1 1.2圖像處理國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.3 圖像處理研究內(nèi)容及意義 4 1.3.1圖像處理研究內(nèi)容 4 1.3.2本文的研究意義 5 1.4 小結(jié) 6 2 基于DSP的開發(fā)系統(tǒng) 7 2.1 DSP系統(tǒng)簡介 7 2.2 DSP芯片 7 2.2.1 DSP芯片的基本結(jié)構(gòu) 8 2.2.2 DSP芯片的種類 8 2.2.3世界主要的DSP芯片制造

2、公司及其產(chǎn)品 9 2.2.4 DSP發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用簡介 10 2.2.5 DSP技術(shù)展望 12 2.3 DSP芯片的特點 12 2.4圖像處理中DSP芯片的選擇 15 2.5基于DSP的圖像處理系統(tǒng) 16 3 CCS開發(fā)環(huán)境的應(yīng)用與仿真 17 3.1 CCS的安裝及簡介 17 3.1.1 CCS簡介 17 3.1.2 CCS的安裝使用 19 3.1.3 CCS的配置與使用 21 3.2仿真處理分析 22 4基于DSP的圖像處理 24 4.1圖像處理的基本概念 24 4.2圖像處理的硬件系統(tǒng) 24 4.2.1 TMS320C6000 DSP芯片的硬件系統(tǒng) 24 4

3、.2.2 TMS320C6000的硬件結(jié)構(gòu)簡介 26 4.2.3試驗平臺評估 28 4.3基于DSP的圖像處理實現(xiàn) 29 4.3.1圖像直方圖統(tǒng)計 29 4.3.2數(shù)字圖像邊緣檢測 sobel 算子 32 4.3.3數(shù)字圖像銳化 laplace 算子 34 4.3.4圖像取反 37 4.3.5數(shù)字圖像直方圖均衡化增強 38 4.4試驗及結(jié)果分析 40 結(jié)論……………………………………………………………………………...……………42 致謝 43 參考文獻 44 附錄 45 38 XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文

4、 1緒論 1.1圖像處理的研究背景 數(shù)字圖像處理又稱為計算機圖像處理在國外最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時的電子計算機已經(jīng)發(fā)展到一定水平，人們開始利用計算機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、復(fù)原、編碼、壓縮等。首次獲得實際成功應(yīng)用的是美國噴氣推進實驗室（JPL）。他們對航天探測器徘徊者7號在1964年發(fā)回的幾千張月球照片使用了圖像處理技術(shù)，如幾何校正、灰度變換、去除噪聲等方法進行處

5、理，并考慮了太陽位置和月球環(huán)境的影響，由計算機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)舉奠定了堅實的基礎(chǔ)，也推動了數(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射線計算機斷層攝影裝置，也就是我們通常所說的CT（Computer Tomograph）。CT的基本方法是根據(jù)

6、人的頭部截面的投影，經(jīng)計算機處理來重建截面圖像，稱為圖像重建。1975年EMI公司又成功研制出全身用的CT裝置，獲得了人體各個部位鮮明清晰的斷層圖像。1979年，這項無損傷診斷技術(shù)獲得了諾貝爾獎，說明它對人類作出了劃時代的貢獻。與此同時，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，隨著計算機技術(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算

7、機系統(tǒng)解釋圖像，實現(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算機視覺。很多國家，特別是發(fā)達國家投入更多的人力、物力到這項研究，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提出的視覺計算理論，這個理論成為計算機視覺領(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展，但它本身是一個比較難的研究領(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，因此計算機視覺是一個有待人們進一步探索的新領(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

8、從簡單的光學(xué)濾波到現(xiàn)在的激光全息技術(shù)，理論已經(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算機處理或?qū)嵤┑挠布幚?，因此也稱之為計算機圖像處理，其優(yōu)點是處理精度高，處理內(nèi)容豐富，可進行復(fù)雜的非線性處理，有靈活的變通能力。首次獲得實際成功應(yīng)用的是美國噴氣推進實驗室， 他們對航天探測器徘徊者7號在1 9 6 4年發(fā)回的幾千張月球照片使用了數(shù)字圖像處理技術(shù)，為人類登月創(chuàng)舉奠定了堅實的基礎(chǔ)， 也推動了數(shù)字圖像處理這門學(xué)科的誕生。與此同時， 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、機器人視覺、公安司法

9、、軍事制導(dǎo)、文化藝術(shù)等， 使圖像處理成為一門引人注目、前景遠大的新型學(xué)科。從7 0年代中期開始， 隨著計算機技術(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算機系統(tǒng)解釋圖像，實現(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算機視覺。 隨著計算機及通信技術(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)在實際應(yīng)用前都需要進行有針對性的處理，如根據(jù)圖像數(shù)據(jù)的特點和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)D像進行增強、銳化、除噪、除霧和識別等。此外，為了有效實時的傳輸信息，還必須對圖像進行壓縮，圖像粗粒技術(shù)尤其是實時圖像處理現(xiàn)在已經(jīng)成為一門熱門的研究課題。 圖像是人類

10、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，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、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?，F(xiàn)在世界各國都在利用各類衛(wèi)星所獲取的圖像進行資源調(diào)查

11、、災(zāi)害檢測、資源勘察、農(nóng)業(yè)規(guī)劃、城市規(guī)劃。在氣象預(yù)報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100M/s以上。要將這樣高速率的數(shù)據(jù)

12、實時傳送出去，必須采用編碼技術(shù)來壓縮信息的比特量。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)，先進設(shè)計和制造技術(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器人，將會給工農(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、存儲和顯示

13、的軍事自動化指揮系統(tǒng)和模擬訓(xùn)練系統(tǒng)等；公安方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。目前已投入運行的高速公路不停車自動收費系統(tǒng)中的車輛和車牌的自動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、動畫的制作、電子圖像游戲、紡織工藝品設(shè)計、服裝設(shè)計與制作、發(fā)型設(shè)計、文物資料照片的復(fù)制和修復(fù)、運動員動作分析和評分等等。目前正在形成一門新的藝術(shù)——計算機美術(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) 細胞分析、染色體分類、X射線成像 環(huán)境保護 水質(zhì)及大氣污

14、染調(diào)查等 地質(zhì) 資源勘測、地圖繪制、GIS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)字計算機問世以后，數(shù)字圖像處理技術(shù)出現(xiàn)了空前的發(fā)展，在該領(lǐng)域中需要進一步研究的問題主要有如下五個方面： （1）在進一步提高精度的同時，著重解決處理速度問題； （2）加強軟件研究，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

15、處理方法； （3）加強邊緣學(xué)科的研究工作，促進圖像處理技術(shù)的發(fā)展； （4）加強理論研究，逐步形成處理科學(xué)自身的理論體系； （5）時刻注意圖像處理領(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)容有以下幾個方面： （1） 圖像變換：由于圖像陣列很大，直接在空間域中進行處理，涉及計算量很大。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，不僅可減少計算量，而

16、且可獲得更有效的處理（如傅立葉變換可在頻域中進行數(shù)字濾波處理）。目前新興研究的小波變換在時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（即比特數(shù)），以便節(jié)省圖像傳輸、處理時間和減少所占用的存儲器容量。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） 圖像增強和復(fù)原圖像增強和復(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。如強化圖像高頻分量

17、，可使圖像中物體輪廓清晰，細節(jié)明顯；如強化低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，這是進一步進行圖像識別、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

18、為最簡單的二值圖像可采用其幾何特性描述物體的特性，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、復(fù)原、壓縮）后，進行圖像分割和特征提取，從而進行判決分類。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)

19、字圖像處理的工具可分為三大類:第一類包括各種正交變換和圖像濾波等方法,其共同點是將圖像變換到其它域(如頻域)中進行處理(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集合論的基礎(chǔ)上的運算。由于被處理圖像的數(shù)據(jù)量非常大且許多運算在本質(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。隨著人類活動范圍的不斷擴大

20、，圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域也將隨之不斷擴大。 1.3.2本文的研究意義 本文設(shè)計了一種高速數(shù)字圖象信號處理平臺的實現(xiàn)方案，在DSP芯片的固有功能和通用管腳接口的基礎(chǔ)上進行擴充，實現(xiàn)信號采集、壓縮和增強等基本的圖像處理功能，構(gòu)造一個具有通用性、可擴充性、靈活的多功能高速圖像數(shù)字信號處理平臺。通過深入學(xué)習(xí)DSP技術(shù)相關(guān)理論基礎(chǔ)知識，設(shè)計實用的DSP圖像處理算法及其實現(xiàn)程序，并實際進行測試驗證程序的實時性和有效分析現(xiàn)有算法的優(yōu)缺點和應(yīng)用范圍；對論文選定算法進行理論研究和程序仿真驗證，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)對程序進行測試，對程序進一步改進，提高程序的可靠性。 實時圖像信號處

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

22、人們開始利用計算機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、復(fù)原、編碼、壓縮等。隨著計算機技術(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算機系統(tǒng)解釋圖像，實現(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算機視覺。很多國家，特別是發(fā)達國家投入更多的人力、物力到這項研究，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)

23、原增強，圖像分割，圖像分類等。對圖像處理的研究有一定的專業(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)計了一種高速數(shù)字圖象信號處理平臺的實現(xiàn)方案，在DSP芯片的固有功能和通用管腳接口的基礎(chǔ)上進行擴充，實現(xiàn)信號采集、壓縮和增強等基本的圖像處理功能，構(gòu)造一個具有通用性、可擴充性、靈活的多功能高速圖像數(shù)字信號處理平臺。DSP技術(shù)最大的特點是結(jié)構(gòu)比較靈活，有較強的通用性，適于模塊化設(shè)計，從而能夠提高算法效率；同時其開發(fā)周期較短，系統(tǒng)易于維護和擴展，適合予實時信號處理。 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 Sig

24、nal Processing，簡稱DSP)是一門涉及許多學(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，隨著計算機和信息技術(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)域擁有很強的實力。 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 p

25、rocessor）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(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，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，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)缺點如下： DSP優(yōu)點：對元件值的容限不敏感，受溫度、環(huán)境等外部因素影響??；容易實現(xiàn)集成；VLS可以分時復(fù)用，共享處理器； 方便調(diào)整處理

26、器的系數(shù)實現(xiàn)自適應(yīng)濾波；可實現(xiàn)模擬處理不能實現(xiàn)的功能：線性相位、多抽樣率處理、級聯(lián)、易于存儲等；可用于頻率非常低的信號。 DSP缺點：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)點遠遠超過缺點。 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。一般認為，世界上第一個單片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是第一個具有硬件乘法器的商用DSP芯片，從而被認為是第一塊單片DSP器件。 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)

27、的發(fā)展，1982年美國德州儀器公司櫥柜世界上第一代DSP芯片TMS32010及其系列產(chǎn)品，標(biāo)志著實時數(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，如其定點的DSP芯片ADSP2101/2103/2105, ADSP2111/2103/2115, ADSP2161/62/64,浮點DSP有ADSP21000/020 ，ADSP21060/21062等

28、。 20世紀(jì)80年代以來，DSP芯片得到了突飛猛進的發(fā)展，從運算速度來看，MAC（一次乘加運算）時間已經(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個增加到現(xiàn)在的200個以上，引腳數(shù)量的增加也加強了結(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/

29、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。 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，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，可用來快速地實現(xiàn)各種信號處理算法，加之集成電路的優(yōu)化設(shè)計，使其處理速度比最快的CPU還快10—50倍。 D

30、SP芯片按用途或構(gòu)成分類可以分為下列幾種類型： 為不同算法而專門設(shè)計的專用芯片：例如用于做卷積/相關(guān)并具有橫向濾波器結(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運算而設(shè)計的，因而運算速度高，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

31、運算單元構(gòu)建，包括FIR、IIR、FFT、DCT，以及卷積碼的編/解碼器及RS編/解碼器等。其特點是計算復(fù)雜而且密集，數(shù)據(jù)量、運算量都很大。 積木式結(jié)構(gòu)：它是由乘法器、存儲器、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。它是一種早期實現(xiàn)方法，具有成本低、速度高等特點，由于是硬連接因而沒有可編程能力。目前主要用于接收機的前端某些高頻操作中。 用FPGA（現(xiàn)場可編程陳列）實現(xiàn)DSP的各種功能。實質(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Xinli

32、nx、Altera也正把FPGA產(chǎn)品擴展到DSP應(yīng)用中去。 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)集成在一個芯片上。通常，為滿足系統(tǒng)的性能要求和提高功率效率，會把DSP和MCU的多處理器處理平臺集成在一起。TI公司推出的開放多媒體應(yīng)用平臺（OMAP），用來支持2.5G和3G應(yīng)用而設(shè)計的處理器體系結(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

33、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)存和流量控制器，確保處理器能高效訪問外部存儲區(qū)，避免產(chǎn)生瓶頸現(xiàn)象，提高整個平臺的處理速度。 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：

34、 TMS320C2000系列主要用于工業(yè)控制領(lǐng)域，提供了全系列的高性能控制芯片，代碼運行效率高。除了較強的控制功能之外，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DSP芯片。處理速度最高可以達到900MIPS，功耗很低，可以達到0.33mA/MHz。非常適合移動和手持系統(tǒng)的應(yīng)用。主要有TMS320C54X和55X系列。 TMS320C6000系列為新一代高性價比DSP芯片，是高端DSP處理器的代表。C6000系列的DSP定點運算可以達到1200到8000MIPS（百萬條指令/秒），浮點運算可以達到60

35、0到1800MFLOPS（百萬次浮點操作/秒）的運算速度。主要有定點系列的TMS320C62X和浮點系列的TMS320C67X。TMS320C64X為TI最新推出的高性能定點DSP處理器，時鐘速度提高到1GHz，單片處理能力可達到8000MIPS。 （2）Analog Device公司 ADI公司的DSP目前主要分為3個系列：SHARC、Blackfin、TigerSHARC。 SHARC系列一直在雷達、聲納信號處理等領(lǐng)域享有很高的聲譽，很多商用、軍用的信號處理機中都可以看到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，完全是由于ADI優(yōu)秀的片

36、間互連技術(shù)（LINK口），利用這個LINK口可以很方便地將幾片、幾十片要求的場所利用DSP陣列就很容易達到了。 Blackfin是近幾年推出的針對性能要求比較高，同時功耗要求又比較低的場所。它所具備的優(yōu)點很合適在便攜式通信產(chǎn)品中使用。 TigerSHARC是從SHARC改進的高端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600MHz，處理能力高達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)

37、品，它在數(shù)字信息時代占據(jù)越來越重要的位置，所以其市場的擴展還存在著巨大的空間。DSP的性能、價格和功耗是決定其市場的三個重要因素。挑戰(zhàn)更高的性能，盡可能降低價格和功耗，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步的同時，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的突飛猛進，專用的數(shù)字信號處理芯片也獲得了飛速發(fā)展。 數(shù)字信號處理時在模擬信號變換為數(shù)字信號后對數(shù)字信號進行高速實時處理的專用處理器，它具有計算速度快、體積小、功耗低等優(yōu)點，是實現(xiàn)數(shù)字信號處理的

38、強大工具。近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步，處理器芯片的處理能力越來越強大，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)今世界先進的數(shù)字信

39、號處理系統(tǒng)的情況。 以Pentek公司一款處理板4293為例，使用8片TI公司300MHz的TMS320C6203芯片，具有19200MIPS的處理能力，同時集成了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

40、由4~8TS101b（TigerSHharc）芯片構(gòu)成，時鐘250MHz，具有6~12GFLOPS的處理能力。 DSP應(yīng)用產(chǎn)品獲得成功的一個標(biāo)志就是進入產(chǎn)業(yè)化。在以往的20年中，這一進程在不斷重復(fù)進行，而且周期在不斷縮小。在數(shù)字信息時代，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)化進程還是需要加速進行。隨著競爭的加劇，DSP生產(chǎn)商隨時調(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、電子對抗、圖像處理等方

41、面得到了廣泛的應(yīng)用，為科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟建設(shè)創(chuàng)造了很大價值。全國有很多高校、科研機構(gòu)的信號處理實驗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)計方面，也取得了寶貴的設(shè)計經(jīng)驗。以我國某電子技術(shù)研究所研制的DSP雷達數(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、系統(tǒng)多數(shù)據(jù)流設(shè)計、處理任務(wù)分配調(diào)度程序設(shè)計，實現(xiàn)高速實時雷達數(shù)字信號處理。以FFT算法為例，將任務(wù)分為3個流水處理過程：FFT、復(fù)數(shù)乘法、IFFT，實

42、現(xiàn)多片DSP組成并行處理。在33MHz時鐘下，1024點處理通過時間為0.7ms，可以實現(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)計和制造方面與國際先進水平還有較大差距。并且，主要的核心處理器件基本完全依賴進口，這也是我國半導(dǎo)體研究領(lǐng)域需要大力加強的工作之一。復(fù)雜的大型處理機PCB板級設(shè)計和制造也存在一定困難，也是需要我國科研人員發(fā)揚用于拼搏的精神，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)點是尺寸小、功耗低、性能高?，F(xiàn)在各D

43、SP廠紛紛采用新工藝，將幾個DSP核、MPU核、專用處理單元、外圍電路單元和存儲單元集成在一個芯片上，成為DSP系統(tǒng)集成電路。 （2）內(nèi)核結(jié)構(gòu)進一步改善 多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重數(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）進一步降低功耗和幾何尺寸 DSP的應(yīng)用范圍已經(jīng)擴大到人們工作生活的各個領(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

44、的處理要求。與常規(guī)DSP器件相比，F(xiàn)PGA器件配合傳統(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 DSP處理芯片，為了適應(yīng)信號處理運算的需要，結(jié)構(gòu)與通用的其他計算機或控制處理器相比，有較大的不同，主要的幾點為： （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具有獨立的地址和數(shù)據(jù)總線，可以同時取地址和操作數(shù)。 （3）流水處理。流水技術(shù)使多個不同的操作可以同時執(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

45、同的階段并行執(zhí)行，提高了程序執(zhí)行的效率和速度。 （4）高速的芯片內(nèi)存儲器。DSP芯片一般內(nèi)部集成有程序和數(shù)據(jù)存儲器，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運算的特點是尋址操作。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運算，它的蝶形運算相關(guān)節(jié)點從相鄰兩點直至跨越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，在通用機中對數(shù)據(jù)庫的操作，具有很大的隨機性，這種隨機尋址方式不是信號處理器的強項。 無論是專用的DSP芯片或通用DSP芯片在結(jié)構(gòu)考慮上

46、都能適應(yīng)DSP運算的這些特點。而專用芯片在結(jié)構(gòu)上考慮的更加專業(yè)化，更為合理，因而有更高的運算速度。 DSP微處理器（芯片）一般具有如下主要特點： （1）在一個指令周期內(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，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)； （3）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問； （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)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器； （7）可以并行執(zhí)行多個操作； （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

47、務(wù)是面向?qū)崟r數(shù)字信號處理，強調(diào)處理的高速性，為此在結(jié)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。目前，主流DSP芯片通常具有如下主要特點： （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)或改進的哈佛結(jié)構(gòu),可以同時訪問指令和數(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)公用一個存儲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，都要先從儲存器中出取出指令解碼，再取操作數(shù)執(zhí)行運算。哈弗結(jié)構(gòu)是一種并行的體系結(jié)構(gòu)，他的主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的存儲器，每個存

48、儲器獨立編址、獨立訪問。與兩個存儲器相對應(yīng)的是系統(tǒng)中的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機器周期內(nèi)同時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)存儲器在兩個分開的空間中，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)，可同時進行取指令和多個數(shù)據(jù)存取操作，并由輔助寄存器自動增減地址進行尋址，使CPU在一個機器周期內(nèi)可多次對程序空間和數(shù)據(jù)空間進行訪問，大大地提高了DSP的運行速度。 （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)

49、等操作可以重疊進行，平均說來多數(shù)指令可以在一個機器周期內(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)每個片斷，即每個片段對操作數(shù)進行部分處理，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。這些步驟可以獨立進行，這樣就可以實現(xiàn)多條指令在不同步驟上的重復(fù)運行，從而加快運行速度。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行。DAP芯片一般采用流水線方法。由于采用了流水線技術(shù)，D

50、AP芯片可以單周期完成乘法累加運算，大幅提高了運算速度，減少了指令執(zhí)行的時間，從而增強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

51、LMS指令專門用于完成系數(shù)對稱的FIR濾波器和LMS算法。 （6）支持并行指令操作。某些指令如裝載和存儲、存儲和加/減、存儲和乘法、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，具有較強的接口功能。片內(nèi)除了具有串行口、定時器、主機接口（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)、看門狗定時器（Watchdog）、實時時鐘（RTC）、多媒體卡控制器（MMC）等電路，可以方便地構(gòu)成一個功能完善的嵌入式DSP應(yīng)用系統(tǒng)。 （8）支持多處理器結(jié)

52、構(gòu)。為了滿足多處理器系統(tǒng)的設(shè)計，許多DSP芯片都采用支持多處理器的結(jié)構(gòu)。如：TMS320C40提供了6個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)計結(jié)構(gòu)，這里不一一列出?？傊?，DSP功能上的特點很大程度上是針對數(shù)字信號處理算法的特點，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運算的基本類型是乘法和累加(MAC)運算，對于卷積、相關(guān)、濾波和FFT基本上都是這一類運算。這樣的運算可以用通用機來完成，但受到其成本和結(jié)構(gòu)的

53、限制不可能有很高的實時處理能力。 2.4圖像處理中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，計算復(fù)雜，計算中間結(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）確定選擇定點或浮點DSP。數(shù)字信號處理算法的數(shù)據(jù)格式有定點和浮點之分，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。選擇定點或浮點DSP，首先要看模數(shù)轉(zhuǎn)換時需要的比特數(shù)，如果圖像的每個像素小于16bit，則用16bit定點DSP即可；如

54、果大于16bit。則需要用浮點DSP來捕捉更大的動態(tài)范圍。其次考慮算法的復(fù)雜度和經(jīng)濟問題。一般來說，浮點DSP芯片的運算精度高，動態(tài)范圍大，尋址空間大，指令運算能力較強，但功耗大、成本高、體積較大。定點DSP芯片的運算精度與浮點DSP芯片相同（數(shù)據(jù)位數(shù)和浮點芯片相同的情況下），而功耗、成本、體積與浮點DSP芯片相比較小，且易于實現(xiàn)，穩(wěn)定性好。 （2）根據(jù)DSP芯片運算速度選擇具體芯片。運算速度是DSP芯片的一個最重要的性能指標(biāo)，也是選擇DSP芯片時所需考慮的一個主要因素。DSP芯片的運算速度一般次用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

55、時間來測評DSP芯片的速度性能。 （3）其他考慮因素。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。 TMS320

56、C6000是基于超長指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)的通用DSP系列，具有超長指令字 能力。其內(nèi)部有8個并行處理單元，8條指令組成一個指令包，一個指令包的總字長為256位。它可在一個時鐘周期內(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200MHz，每秒可完成1.6G次操作。該結(jié)構(gòu)包括定點的C62x、浮點的C67x和新的C64x。C64x和C62x代碼兼容，但結(jié)構(gòu)有顯著的加強，其初期的工作頻率可達750MHz。C67x在C62x8個功能塊中的6個上增加了浮點功能，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)水平得到進一步的提高。

57、 2.5基于DSP的圖像處理系統(tǒng) 基于DSP的圖像處理系統(tǒng)的主要思想是利用C6000這樣具有強大運算能力的DSP來滿足圖像處理技術(shù)中運算速度和處理的實時性要求。以DSP為核心不見的圖像處理系統(tǒng)具有以下優(yōu)點： （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)計人員在開發(fā)過程中靈活方便的對軟件進行修改和升級； （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10－

58、5； （5）可重復(fù)性好。模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)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。 圖像處理計算量大且實時性要求高，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)卻常常不能達到實時處理，因此需要采用多個DSP并行處理方式，進一步提高算法的運行速度，達到真正的實時處理。目前比較采用的是雙DSP結(jié)構(gòu)。兩片DSP芯片交替進行采集和處理工作，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和圖像壓縮的并行操作，降低處理時間.而在一片DSP內(nèi)，也可將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)分為兩部分

59、，同時進行數(shù)據(jù)讀取和編碼，實現(xiàn)片內(nèi)并行操作，進一步節(jié)省時間。 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，它便于實時、嵌入式信號處理程序的編制和測試，它能夠加速開發(fā)進程，提高工作效率。CCS 提供了基本的代碼生成工

60、具，它們具有一系列的調(diào)試、分析能力。代碼生成工具奠定了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器語言目標(biāo)文件，機器語言格式為公用目標(biāo)格式（COFF）。 （3）連接器(linker) 把多個目標(biāo)文件組合成單個可執(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

61、一組文件收集到一個歸檔文件中。歸檔器也允許你通過刪除、替換、提取或添加文件來調(diào)整庫，其細節(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，其細節(jié)參見TMS320C54x匯編語言工具用戶指南。 （6）運行支持庫(run_time_support libraries) 它包括C 編譯器所支持的ANSI 標(biāo)準(zhǔn)運行支持函數(shù)、編譯器公用程序函數(shù)、浮點運算函數(shù)和C 編譯器支持的I/O 函數(shù)，其細節(jié)參

62、見TMS320C54x 最優(yōu)化C 編譯器用戶指南。 （7）十六進制轉(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，其細節(jié)參見TMS320C54x 匯編語言工具用戶指南。 （9）絕對列表器（absolu

63、te lister）它輸入目標(biāo)文件，輸出.abs 文件，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)計人員來講，利用匯編語言或C 語言進行DSP 功能開發(fā)，具有周期長、效率低的缺點，不利于算法驗證和產(chǎn)品的快速開發(fā)。 TI Code Composer Studio (CCStudio)是TI eXpressDSPTM實時軟件技術(shù)的重要組成部分,它可以使開發(fā)人員充分應(yīng)用DS

64、P的強大功能。隨著TI的TMS320C5000（C5K）和TMS320C6000（C6K）DSP平臺的應(yīng)用范圍不斷擴大,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

65、出更多面向高級DSP應(yīng)用的、緊湊的高性能代碼。通過實時接入的DSP開發(fā)者之家網(wǎng)站,內(nèi)置的Update Advisor對最新的工具、驅(qū)動程序及其技術(shù)進行自動的流線式管理。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

66、足其應(yīng)用需求。" 無縫管理大型的多場所、多處理器項目---- Code Composer Studio v3.1使開發(fā)人員能夠無縫管理任何復(fù)雜程度的項目,其項目管理器通過一個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。同時支持外部 "文件制作"功能,使項目能夠在PC和UNIX平臺上交叉運行。工作于同一項目的開發(fā)團隊,不再需要集中到一個地方,而可分散在不同的場所。他們可以通過采用一個改進的產(chǎn)品開發(fā)流程,就可實現(xiàn)同一組項目文件的共享。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平臺的高性能與C5000TM DSP平臺的低功耗相結(jié)合的系統(tǒng)開發(fā)者來說,Code Composer Studio v3.1為使其同時調(diào)試混合多處理器成為了可能。Code Composer Studio v3.1還增加了實時數(shù)據(jù)交換(RTDXTM)仿真功能,可支持來自任何地方的2至50個C5000和C6000 DSP器件同時運行。此外,支持RTDX的仿真器還實現(xiàn)了實時DSP/BIOSTM仿真調(diào)試,該高級調(diào)試功能