DSP與MCU在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用.doc

華北水利水電大學(xué)課程報(bào)告課程名稱: 嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì) 姓 名: 張紅飛 學(xué) 號(hào): 201215613 班 級(jí): 2012156 專 業(yè): 電子信息工程 日 期: 2014 6 30 DSP與MCU在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要：嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展速度正在加快。嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)滲透到我們生活中的每個(gè)角落，本文通過介紹DSP與MCU的定義，并比較分析了DSP技術(shù)與MCU的異同，詳細(xì)的介紹了DSP與MCU在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用。引言：嵌入式技術(shù)在如今的生產(chǎn)和生活中扮演的越來越重要的角色。嵌入式系統(tǒng)在硬件上主要以單片機(jī)(MCU),微處理器(EMPU)和DSP為基礎(chǔ)。單片機(jī)技術(shù)日趨完善且應(yīng)用廣泛,DSP專用于數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用,且逐步走向與控制相結(jié)合的道路。在軟件上,隨著應(yīng)用復(fù)雜程度的增加,嵌入式操作系統(tǒng)逐步代替超級(jí)循環(huán)的軟件模式,成為新的發(fā)展方向。正文：1. DSP:數(shù)字信號(hào)處理（DSP）是從20世紀(jì)60年代以來，隨著信息學(xué)科和計(jì)算機(jī)學(xué)科的高速發(fā)展而迅速發(fā)展的一門新興學(xué)科。它的重要性日益在各個(gè)領(lǐng)域中表現(xiàn)初來。數(shù)字信號(hào)處理就是把信號(hào)用數(shù)字或符號(hào)表示的序列通過計(jì)算機(jī)信號(hào)處理設(shè)備，用數(shù)字的數(shù)值計(jì)算方法處理，以達(dá)到提取有用信息的便于應(yīng)用的目的。自從數(shù)字信號(hào)處理器問世以來，由于它具有高速、靈活、可編程、低功耗和便于接口等特點(diǎn)，已在圖形、圖像處理，語音、語言處理，通用信號(hào)處理，測量分析，通信等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。數(shù)字信號(hào)處理有一些典型的算法，如大家熟知的快熟傅里葉變換，這一算法已經(jīng)成為衡量DSP處理器運(yùn)算速度的一個(gè)指標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)這些算法就需要有特殊的硬件支持，這就是數(shù)字信號(hào)處理器。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)能夠得到廣泛的普及和應(yīng)用，很大程度上得益于數(shù)字信號(hào)好處理器性能的提高和價(jià)格的下降。 DSP技術(shù)的特點(diǎn): 1，多總線結(jié)構(gòu)，對(duì)于DSP來說，內(nèi)部總線是個(gè)資源，總線越多，可以完成的功能就越復(fù)雜。2多處理單元：DSP的這種多處理單元結(jié)構(gòu)還表現(xiàn)在將一些特殊的算法 作成硬件以提高速度，典型的FFT的違反尋址，語音的a律，u律算法等。3，流水線結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)決定了DSP的指令基本上都是單周 指令衡量一個(gè)DSP速度也基 本上以單周指令時(shí)間為 標(biāo) 準(zhǔn)。4，D S P中一定有硬件乘法器 ，乘法運(yùn)算一條指令 完成。并且乘法器是獨(dú)立的,可以和加法器等運(yùn)算部件并行工作 ，提高了CPU的數(shù)字處理。5, DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和存儲(chǔ)管理能力,可以建立嵌入式數(shù)據(jù)庫管理系2.MCU: MCU(Micro Control Unit)中文名稱為微控制單元，又稱單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Microcomputer)或者單片機(jī)，是指隨著大規(guī)模集成電 路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)計(jì)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場合做不同組合控制MCU的特點(diǎn)： 1,功能齊全，應(yīng)用可靠，抗干擾能力強(qiáng)。 2.簡單方便，易于普及。3 .發(fā)展迅速，前景廣闊。4.嵌入容易，用途廣泛。 單片機(jī)軟硬結(jié)合體積小，很容易就嵌入到各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中去。因此嵌入式控制系統(tǒng)中少不了單片機(jī)，以單片機(jī)為核心的嵌入式控制系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。2. DSP與MCU的比較:MCU和DSP一樣都是以數(shù)字信號(hào)為處理對(duì)象，隨著DSP的迅猛發(fā)展以及功能的不斷發(fā)展，許多MCU能實(shí)現(xiàn)的功能DSP也能實(shí)現(xiàn)，MCU具有豐富的控制功能，配有完善的外圍電路，使其與外設(shè)的連接比較方便，再加上MCU進(jìn)入國內(nèi)比較早，世界知名的電子廠商在國內(nèi)的宣傳力度大，使設(shè)計(jì)者在使用時(shí)比較方便。而DSP則以處理速度快建廠，盡管MCU的許多控制功能，如鍵盤控制，液晶顯示等，能用DSP來實(shí)現(xiàn)，但如果僅為了實(shí)現(xiàn)這些功能選用DSP未免大材小用，從成本考慮也不允許這么做。因此在運(yùn)算的控制領(lǐng)域內(nèi)MCU仍將起主導(dǎo)作用。而對(duì)這些需要實(shí)時(shí)處理的場合，比如馬達(dá)的控制等，就可以考慮用DSP來實(shí)現(xiàn)。由于采用risc內(nèi)核等先進(jìn)的技術(shù)，使MCU期間的運(yùn)算速度也有很大的提高，因此在未來的幾年里，在中低檔的DSP和快速的mcu之間的競爭將較為激烈，而對(duì)于廣大的技術(shù)人員來說，DSP的普及姜維他們的設(shè)計(jì)又提供了一種好的懸著。就目前的技術(shù)現(xiàn)狀來說。將DSP與MCU結(jié)合構(gòu)成的一個(gè)系統(tǒng)也是一種很好的方法，將dsp設(shè)計(jì)成一個(gè)高速不見，專門算法，MCU扶著管理外圍并協(xié)調(diào)DSP工作。1).區(qū)別.a.對(duì)密集乘法的支持DSP：1.專門的硬件實(shí)現(xiàn)單周期乘法.2.增加了累加器的寄存器來處理多個(gè)乘積的和，累加器寄存器比其他寄存器寬，增加稱為結(jié)果bits的額外bits避免溢出.3.幾乎所有的指令集都包含有顯示的MAC指令. MCU：1不是用來設(shè)計(jì)做密集乘法任務(wù)的。2要求多個(gè)指令周期來做一次乘法b存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)DSP: 1.采用哈佛結(jié)構(gòu)，將存儲(chǔ)器空間分為兩個(gè)，分別存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。2. 它們有兩組總線連接到處理器核，允許同時(shí)對(duì)它們進(jìn)行訪問?？梢詫⑻幚砥鞔尜A器帶寬加倍，重要的是同時(shí)為處理器核提供數(shù)據(jù)和指令。得以實(shí)現(xiàn)單周期的MAC指令。3.Dsp使用多個(gè)片內(nèi)存儲(chǔ)器和多組總線來保證每個(gè)指令周期內(nèi)的多次訪問，程序員要明確控制哪些數(shù)據(jù)和指令要存儲(chǔ)在片內(nèi)存儲(chǔ)器。程序員要保證雙總線的有效利用。 MCU : 1.馮.諾依曼存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。只有一個(gè)存儲(chǔ)空間通過一組總線（一個(gè)地址總線和一個(gè)數(shù)據(jù)總線）連接到處理器核。做一次乘法會(huì)發(fā)生4次存儲(chǔ)器訪問，用掉至少四個(gè)指令周期。 2 . 使用控制邏輯決定哪些數(shù)據(jù)和指令存儲(chǔ)在片內(nèi)的高速緩存中，程序員并不加以控制。統(tǒng)一的DSP和MCU兼?zhèn)鋬烧叩膬?yōu)點(diǎn)。它的指令集由16 bit，32 bit和64 bit操作碼組成，但是由于最常用的指令采用16 bit編碼，所以編譯代碼密度大小與那些流行的MCU相同。另外，它包括一個(gè)存儲(chǔ)器保護(hù)功能以及指令高速緩存和數(shù)據(jù)高速緩存，作為整個(gè)存儲(chǔ)器管理單元的一部分。此外，容易提供一套完整的C/C開發(fā)工具，提供可選匯編語言或者全部匯編語言適合算法優(yōu)化的編程。4DSP在嵌入式方面的應(yīng)用：4.1：DSP技術(shù)在電力系統(tǒng)模擬量采集和測量中的應(yīng)用：計(jì)算機(jī)進(jìn)入電力系統(tǒng)調(diào)度后，引入了EMS/DMS/SCADA的概念，而電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和測量是SCADA的基礎(chǔ)部分。傳統(tǒng)的模擬量的采集和獲得，通過變送器將一次PT和CT的電氣量變?yōu)橹绷髁?，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換送給計(jì)算機(jī)。應(yīng)用了交流采用技術(shù)以后，經(jīng)過二次PT、CT的變換后，直接對(duì)每周波的多點(diǎn)采樣值采用DSP處理算法進(jìn)行計(jì)算，得到電壓和電流的有效值和相角，免去了變送器環(huán)節(jié)。這不僅使得分布布置的分布式RTU很快地發(fā)展起來，而且還為變電站自動(dòng)化提供了功能綜合優(yōu)化的手段。4.2：DSP在變電站自動(dòng)化的應(yīng)用：變電站自動(dòng)化元件較多，模擬量、開關(guān)量比較多而且比較分散，要求的實(shí)時(shí)性也較高，DSP能快速采集、精確處理各種信息，尤其在并行處理上可實(shí)現(xiàn)多機(jī)多任務(wù)操作，實(shí)用十分靈活、方便，片內(nèi)諸多的接口為通訊及人機(jī)接口提供了容易的擴(kuò)展，由于接口的多樣化，使勵(lì)磁、調(diào)速器及繼電保護(hù)的掛網(wǎng)監(jiān)控更容易。由于DSP集成度高，硬件設(shè)計(jì)方便，使設(shè)計(jì)起來更容易，而且增加了產(chǎn)品的可靠性，DSP在冗余設(shè)計(jì)上更容易，為水電站實(shí)現(xiàn)無人值班，少人值守的發(fā)展方向，提供了可靠的新技術(shù)。4.3：DSP在多媒體通信中的應(yīng)用：多媒體包括文字、語言、圖像、圖形和數(shù)據(jù)等媒體。多媒體信息中絕大部分是視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)，兒數(shù)字化的音、視頻數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量是非常龐大的，只有采用先進(jìn)的壓縮編碼算法對(duì)其進(jìn)行壓縮，節(jié)省儲(chǔ)存空間，提高通信線路的傳輸效率，才能使高速的多媒體通信系統(tǒng)成為可能。多媒體通信要求多媒體網(wǎng)絡(luò)終端應(yīng)能快速處理信息，并具有較強(qiáng)的交互性。因此，DSP在語音編碼、圖像壓縮與還原的語音通信中得到了成功的應(yīng)用。如今的DSP基本能實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)大部分已形成國際標(biāo)準(zhǔn)的語音編解碼算法與協(xié)議。移動(dòng)通信中的語音壓縮和調(diào)制解調(diào)器也大量采用DSP?，F(xiàn)代DSP完全有能力實(shí)現(xiàn)中、低速的移頻鍵控、相移鍵控的調(diào)制與解調(diào)以及正交調(diào)幅調(diào)制與解調(diào)等。4.5：DSP在軟件無線電的應(yīng)用：軟件無線電是一種新的無線通信技術(shù)，是基于同一硬件平臺(tái)上、安裝不同的軟件來靈活實(shí)現(xiàn)多通信功能多頻段的無線電臺(tái)，他可進(jìn)一步擴(kuò)展至有線領(lǐng)域。隨著DSP技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的成熟，特別是低功耗DSP芯片的出現(xiàn)，使軟件無線電的應(yīng)用研究成為熱點(diǎn)。軟件無線電具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通用、功能實(shí)現(xiàn)軟件化和互操作性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。其體系結(jié)構(gòu)有電源、天線、多帶射頻轉(zhuǎn)換器和A/D/A變換器與DSP組成。信號(hào)的數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)軟件無線電的先決條件。關(guān)鍵步驟是以可編程能力強(qiáng)的DSP來代替專用的數(shù)字電路，使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與功能相對(duì)獨(dú)立。這樣就可基于一個(gè)相對(duì)通用的硬件平臺(tái)，通過軟件實(shí)現(xiàn)不同的通信功能，并可對(duì)工作頻率、系統(tǒng)頻寬、調(diào)制方式和新品編碼等進(jìn)行編程控制，系統(tǒng)的靈活性大大加強(qiáng)了。4.6：DSP在機(jī)器人控制中的應(yīng)用：目前，由于人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、傳感器技術(shù)及其它相關(guān)學(xué)科的長足進(jìn)步，使得機(jī)器人的研究在高水平上進(jìn)行，同時(shí)也對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。隨著機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)量和計(jì)算要求的不斷提高，采用高速、高性能的DSP將成為主要的控制方式。將DSP應(yīng)用于機(jī)器人的控制系統(tǒng)，充分利用DSP實(shí)時(shí)運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，這是當(dāng)前發(fā)展的趨勢。尤其是隨著數(shù)字信號(hào)芯片速度的不斷提高，并易于構(gòu)成并行處理網(wǎng)絡(luò)，可大大提高控系統(tǒng)的性能。5，MCU在嵌入式系統(tǒng)上的應(yīng)用MCU在嵌入式系統(tǒng)上的應(yīng)用遍及方方面面，如軍事，通信，交通，生活的個(gè)個(gè)方面，在此我們列舉一些例子在說明1，實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)間的短距離無線通信：在無線通信系統(tǒng)中，選擇一個(gè)應(yīng)用簡便、使用可靠的無線通信模塊非常重要。運(yùn)用MCU相關(guān)的無線收發(fā)模塊，能夠制作出具有抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，低功耗的通信設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各種場合的無線通信領(lǐng)域，通信距離在 500M 米左右。利用 設(shè)計(jì)的無線通信系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于手持設(shè)備通信、小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線抄表、門禁系統(tǒng)、非接觸 8V 智能卡、數(shù)字圖像語音傳輸系統(tǒng)等諸多方面，具有廣闊的應(yīng)用前景2，嵌入式MCU在軍用雷達(dá)電站系統(tǒng)中也有諸多應(yīng)用3，MCU技術(shù)的應(yīng)用使得電站系統(tǒng)工程的自動(dòng)化程度提高。由于它體積小、縮程靈活、實(shí)現(xiàn)成本低 開發(fā) 周期 短 、可靠性好、系統(tǒng)穩(wěn)定等特點(diǎn)、非常適合當(dāng)今社會(huì)高效、快節(jié)奏的合約式開發(fā)性制造業(yè)?？偨Y(jié)和展望：通過本報(bào)告的我查閱諸多資料，通過大量的閱讀專