DSP与通用cpu单片机对比电子教案.docx

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DSP与通用cpu单片机对比电子教案

DSP与通用cpu、单片机对比

DSP与通用CPU和单片机的对比论文

姓名：

xxx

学号：

XXXXXXX

院（系）别：

信息与科学技术学院

专业：

应用电子技术教育

班别：

XXXXX

指导老师：

魏XXX

2011-XXXX

摘要

DSP,CPU,与单片机在设计原理上都是一样的，应用上各具特点，所以结构功能有所不同。

dsp为快速处理数字信号而设计，结构上数据，地址总线分开，数据的吞吐量更大。

指令集的设计多考虑信号处理。

不过现在，为提高微处理器mcu的性能，像arm在设计上，总线也是分开的。

cpu主要是完成指令的处理，外围接口是独立设计的，像存储器，总线控制器是独立的，没有集成到cpu中。

而单片机多应用在嵌入式平台，外围的接口是集成在一起的。

一颗芯片就能完成。

关键词：

了解DSP通用CPU结构特点MCS－51单片机对比

第一章：

简单了解DSP----------------------------------------------------3

第二章：

CPU的结构-------------------------------------------------------4

第三章：

MCS－51单片机-------------------------------5

第四章：

DSP与INTEL通用CPU对比-----------------------6

第五章：

DSP与单片机（MCS-51）对比---------------------7

参考文献：

--------------------------------------------7

第一章．简单了解DSP

1.1DSP的结构特点

数字信号处理（DigitalSignalProcessing，简称DSP）,DSP的硬件结构，大体上与通用的微处理器相类似，由CPU、存储器、总线、外设、接口、时钟等部分组成，但又有其鲜明的特点。

DSP体系结构的特点

DSP是数字信号处理器的简称。

20世纪80年代初NEC推出第一块DSP芯片μPD7720,而后德州仪器公司推出的TMS系列DSP芯片标志着数字信号处理领域的重大突破,从此DSP技术取得了突飞猛进的发展。

现在不但DSP芯片的性能大大提高,而且其价格也下降了许多。

DSP芯片已经开始在计算机外设、通信、工业控制、家用电器等方面广泛地发挥作用。

DSP与传统单片机相比最大的特点是它适合于数字信号处理。

其主要特征如下

1.1.1DSP的哈佛结构总线

这种总线结构有别于冯·诺依曼总线结构。

它的程序与数据具有独立的存储空间,有着各自独立的数据与地址总线,甚至其DMA控制器也有自己的数据总线与地址总线。

TI公司新近推出的TMS320VC33系列DSP就具有互相独立的程序总线、数据总线、DMA总线。

这使得DSP在取指令的同时还能写一个数据,读一个数据,并进行一次DMA操作,而且这4个操作可以同时进行。

这样的总线结构使得程序执行速度快,数据吞吐量也特别的大。

这与冯·诺依曼总线结构对数据与程序只能分时进行读写而导致的执行速度慢,数据吞吐量低的特点形成鲜明的对比。

1.1.2.流水线操作

DSP采用流水线操作以减少指令执行的时间,从而进一步增强处理器的数据处理能力。

现在DSP的流水线深度一般都在4级以上,在TI的TMS320C6000系列DSP芯片中,其深度更是达到了8级。

而流水线的深度决定了DSP可以同时处理的指令数,这就意味着TMS320C6000系列DSP芯片同时可以重叠执行8条指令。

1.1.3、采用硬件乘法器

在一般的计算机上,算术逻辑单元（ALU）只能完成2个操作数的加、减和逻辑运算,而乘法和除法则由加和移位操作来实现。

但在大量的数字信号处理算法中,例如:

IIR、FIR滤波、FFT、WT（小波变换）,都要用到大量的乘法运算,而乘法运算的速度一直都是数字信号处理实现中的一个瓶颈问题。

一般的计算机仅仅依靠加和移位来实现数字信号处理无疑要付出很大的时间代价。

但DSP用硬件乘法器完成乘法运算,并且乘法运算能在一个指令周期内完成,这大大缩短了程序实现算法所花费的时间。

总之，DSP在硬件结构上为进行快速精确的数字信号处理运算做好了准备。

除此之外,DSP的一些指令和寻址方式也是专门为各种运算的快速完成而精心设置的,如:

段循环指令、累加指令、并行指令、循环寻址方式，位反寻址方式等。

DSP在硬件和软件上的这些特点无疑为数字信号处理技术在各方面的广泛应用打开了方便之门。

1.1.4DSP微处理器（芯片）一般具有如下主要特点：

（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；

（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；

（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；

（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；

（5）快速的中断处理和硬件I/O支持；

（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；

（7）可以并行执行多个操作；

（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行

当然，与通用微处理器相比，DSP微处理器（芯片）的其他通用功能相对较弱些。

DSP优点：

　　对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部因素影响小；

　　容易实现集成；VLSI

　　可以分时复用，共享处理器；

　　方便调整处理器的系数实现自适应滤波；

可实现模拟处理不能实现的功能：

线性相位、多抽样率处理、级联、易于存储等；

　　可用于频率非常低的信号。

DSP缺点：

　　需要模数转换；受采样频率的限制，处理频率范围有限；数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。

但是其优点远远超过缺点。

1.2DSP技术的应用

　　语音处理：

语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。

　　图像/图形：

二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。

　　军事；保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球定位、跳频电台、搜索和反搜索等。

　　仪器仪表：

频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。

　　自动控制：

控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。

　　医疗：

助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等。

　　家用电器：

数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等。

第二章．CPU的结构

2.1CPU结构特点

CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件。

CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。

它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。

指令：

是计算机规定执行操作的类型和操作数的基本命令。

指令是由一个字节或者多个字节组成，其中包括操作码字段、一个或多个有关操作数地址的字段以及一些表征机器状态的状态字和特征码。

有的指令中也直接包含操作数本身。

运算逻辑部件：

　　运算逻辑部件，可以执行定点或浮点的算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址的运算和转换。

寄存器部件：

　　寄存器部件，包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。

通用寄存器又可分定点数和浮点数两类，它们用来保存指令中的寄存器操作数和操作结果。

通用寄存器是中央处理器的重要组成部分，大多数指令都要访问到通用寄存器。

通用寄存器的宽度决定计算机内部的数据通路宽度，其端口数目往往可影响内部操作的并行性。

控制部件

　　控制部件，主要负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。

　　其结构有两种：

一种是以微存储为核心的微程序控制方式；一种是以逻辑硬布线结构为主的控制方式。

　　微存储中保持微码，每一个微码对应于一个最基本的微操作，又称微指令；各条指令是由不同序列的微码组成，这种微码序列构成微程序。

中央处理器在对指令译码以后，即发出一定时序的控制信号，按给定序列的顺序以微周期为节拍执行由这些微码确定的若干个微操作，即可完成某条指令的执行。

　　简单指令是由（3～5）个微操作组成，复杂指令则要由几十个微操作甚至几百个微操作组成。

　　逻辑硬布线控制器则完全是由随机逻辑组成。

指令译码后，控制器通过不同的逻辑门的组合，发出不同序列的控制时序信号，直接去执行一条指令中的各个操作。

第三章.MCS－51单片机

MCS－51单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、并行I/O口、串行I/O口、定时/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。

MCS－51系列单片机的结构特点

就CPU的结构来说，通用微机的CPU内部有一定数量的通用或专用寄存器，而MCS－51系列单片机则在数据RAM区开辟了一个工作寄存器区。

该区共有4组，每组8个寄存器，共计可提供32个工作寄存器，相当于通用微机CPU中的通用寄存器。

除此之外，MCS－51系列单片机还有颇具特色的21个特殊功能寄存器SFR。

要理解MCS－51系列单片机的工作，必须对特殊功能寄存器SFR的工作有清楚的了解。

SFR使仅具有40条引脚的单片机系统的功能有很大的扩展。

由于这些SFR的作用，每个通道在程序控制下，都可有第二功能，从而使得有限的引脚能衍生出更多的功能。

而且，利用SFR可完成对定时器、串行口、中断逻辑的控制，这就使得单片机可以把定时/计数器、串行口、中断逻辑等集成在一个芯片上。

MCS－51系列单片机在存储器结构上与通用微机也有不同之处，通用微机中程序存储器和数据存储器是一个地址空间，而单片机把程序存储器和数据存储器分成两个独立的地址空间，采用不同的寻址方式，使用两个不同的地址指针，PC指向程序存储器，DPTR指向数据存储器。

采用这种结构主要是考虑到工业控制的特点。

一般工业控制系统中，需要较大的程序存储器空间和较小的随机存储器空间，不同于通用微机需要较大的数据存储器空间。

MCS－51系列单片机在输入输出接口方面的特点是，通道口引线在程序的控制下都可有第二功能，可由用户系统设计者灵活选择。

比如数据线和地址线低8位可分时合用通道0，而地址线高8位与其它信号线也可合用通道2。

由于存储器和接口都在片内，就给应用提供了方便，往往只在其引脚处增加驱动器即可简化接口设计工作，提高单片机与外设数据交换的处理速度。

同时，功能变换和选择由相应的指令来控制实现，而不是靠硬件上的跳线短接等方法实现。

MCS－51系列单片机I/O引脚一线多功能的特点方便了用户，但在组成应用系统时，也应根据其特点分时使用。

MCS－51系列单片机的另一个显著特点是内部有一个全双工串行口，即可同时发送和接收；有两个物理上独立的接收、发送缓冲器。

发送缓冲器只能写入不能读出，接收缓冲器只能读出不能写入。

在程序的控制下，串行口能工作于四种方式，用户可根据需要，设定为移位寄存器方式以扩展I/O口和外接同步输入输出设备，或用作异步通信口，以实现双机或多机通信，极为方便地组成分布式控制系统。

第四章．DSP与INTEL通用CPU对比

从表面上来看，DSP与标准微处理器有许多共同的地方：

一个以ALU为核心的处理器、地址和数据总线、RAM、ROM以及I/O端口，从广义上讲，DSP、微处理器和微控制器（单片机）等都属于处理器，可以说DSP是一种CPU。

但DSP和一般的CPU又不同：

首先是体系结构：

CPU是冯.诺伊曼结构的，而DSP有分开的代码和数据总线即“哈佛结构”，这样在同一个时钟周期内可以进行多次存储器访问——这是因为数据总线也往往有好几组。

有了这种体系结构，DSP就可以在单个时钟周期内取出一条指令和一个或者两

从表面上来看，DSP与标准微处理器有许多共同的地方：

一个以ALU为核心的处理器、地址和数据总线、RAM、ROM以及I/O端口，从广义上讲，DSP、微处理器和微控制器（单片机）等都属于处理器，可以说DSP是一种CPU。

但DSP和一般的CPU又不同：

首先是体系结构：

CPU是冯.诺伊曼结构的，而DSP有分开的代码和数据总线即“哈佛结构”，这样在同一个时钟周期内可以进行多次存储器访问——这是因为数据总线也往往有好几组。

有了这种体系结构，DSP就可以在单个时钟周期内取出一条指令和一个或者两个（或者更多）的操作数。

    标准化和通用性：

CPU的标准化和通用性做得很好，支持操作系统，所以以CPU为核心的系统方便人机交互以及和标准接口设备通信，非常方便而且不需要硬件开发了；但这也使得CPU外设接口电路比较复杂，DSP主要还是用来开发嵌入式的信号处理系统了，不强调人机交互，一般不需要很多通信接口，因此结构也较为简单，便于开发。

如果只是着眼于嵌入式应用的话，嵌入式CPU和DSP的区别应该只在于一个偏重控制一个偏重运算了。

    流水线结构：

大多数DSP都拥有流水结构，即每条指令都由片内多个功能单元分别完成取指、译码、取数、执行等步骤，这样可以大大提高系统的执行效率。

但流水线的采用也增加了软件设计的难度，要求设计者在程序设计中考虑流水的需要。

快速乘法器：

信号处理算法往往大量用到乘加（multiply-accumulate，MAC）运算。

DSP有专用的硬件乘法器，它可以在一个时钟周期内完成MAC运算。

硬件乘法器占用了DSP芯片面积的很大一部分。

（与之相反，通用CPU采用一种较慢的、迭代的乘法技术，它可以在多个时钟周期内完成一次乘法运算，但是占用了较少了硅片资源）。

    地址发生器：

DSP有专用的硬件地址发生单元，这样它可以支持许多信号处理算法所要求的特定数据地址模式。

这包括前（后）增（减）、环状数据缓冲的模地址以及FFT的比特倒置地址。

地址发生器单元与主ALU和乘法器并行工作，这就进一步增加了DSP可以在一个时钟周期内可以完成的工作量。

    硬件辅助循环：

信号处理算法常常需要执行紧密的指令循环。

对硬件辅助循环的支持，可以让DSP高效的循环执行代码块而无需让流水线停转或者让软件来测试循环终止条件。

    低功耗：

DSP的功耗较小，通常在0.5W到4W，采用低功耗的DSP甚至只有0.05W，可用电池供电，很适合嵌入式系统；而CPU的功耗通常在20W以上。

第五章.DSP与单片机（MCS-51）对比

DSP是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。

其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。

再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。

它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。

它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。

DSP也是一个片子上的系统，所以可以叫单片机，只不过的一种特俗类型的单片机，它是32位处理器，处理速度很快，一般用在高速，大数据处理上

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

单片机是将中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等集成在一个片子上组成各一个系统。

有些人通常将单片机局限于51内核的MCU。

也就造成了一说单片机就认为是51单片机。

参考文献：

1.《DSP技术的发展与应用》（第二版）彭启琼，李玉柏，管庆编著，高等教育出版社2009.7

2.《单片机应用系统设计技术》----基于C51的proteus仿真（第二版）张齐，朱宁西编著，电子工业出版社

3.《现代微机计算机与接口教程》（第二版）杨文显主编，清华大学出版社

4.《MCS-51/52单片机原理与应用》闻新，李东江，马文弟编著，北京科学出版社