DSP與MCU在嵌入式系統中的應用.doc

華北水利水電大學課程報告課程名稱: 嵌入式系統原理與設計 姓 名: 張紅飛 學 號: 201215613 班 級: 2012156 專 業(yè): 電子信息工程 日 期: 2014 6 30 DSP與MCU在嵌入式系統中的應用摘要：嵌入式系統的發(fā)展速度正在加快。嵌入式系統已經滲透到我們生活中的每個角落，本文通過介紹DSP與MCU的定義，并比較分析了DSP技術與MCU的異同，詳細的介紹了DSP與MCU在嵌入式系統中的應用。引言：嵌入式技術在如今的生產和生活中扮演的越來越重要的角色。嵌入式系統在硬件上主要以單片機(MCU),微處理器(EMPU)和DSP為基礎。單片機技術日趨完善且應用廣泛,DSP專用于數據處理方面的應用,且逐步走向與控制相結合的道路。在軟件上,隨著應用復雜程度的增加,嵌入式操作系統逐步代替超級循環(huán)的軟件模式,成為新的發(fā)展方向。正文：1. DSP:數字信號處理（DSP）是從20世紀60年代以來，隨著信息學科和計算機學科的高速發(fā)展而迅速發(fā)展的一門新興學科。它的重要性日益在各個領域中表現初來。數字信號處理就是把信號用數字或符號表示的序列通過計算機信號處理設備，用數字的數值計算方法處理，以達到提取有用信息的便于應用的目的。自從數字信號處理器問世以來，由于它具有高速、靈活、可編程、低功耗和便于接口等特點，已在圖形、圖像處理，語音、語言處理，通用信號處理，測量分析，通信等領域發(fā)揮越來越重要的作用。數字信號處理有一些典型的算法，如大家熟知的快熟傅里葉變換，這一算法已經成為衡量DSP處理器運算速度的一個指標。要實現這些算法就需要有特殊的硬件支持，這就是數字信號處理器。數字信號處理技術能夠得到廣泛的普及和應用，很大程度上得益于數字信號好處理器性能的提高和價格的下降。 DSP技術的特點: 1，多總線結構，對于DSP來說，內部總線是個資源，總線越多，可以完成的功能就越復雜。2多處理單元：DSP的這種多處理單元結構還表現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，流水線結構，這種結構決定了DSP的指令基本上都是單周 指令衡量一個DSP速度也基 本上以單周指令時間為 標 準。4，D S P中一定有硬件乘法器 ，乘法運算一條指令 完成。并且乘法器是獨立的,可以和加法器等運算部件并行工作 ，提高了CPU的數字處理。5, DSP強大的數據處理能力和存儲管理能力,可以建立嵌入式數據庫管理系2.MCU: MCU(Micro Control Unit)中文名稱為微控制單元，又稱單片微型計算機(Single Chip Microcomputer)或者單片機，是指隨著大規(guī)模集成電 路的出現及其發(fā)展，將計算機的CPU、RAM、ROM、定時計數器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應用場合做不同組合控制MCU的特點： 1,功能齊全，應用可靠，抗干擾能力強。 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。 單片機軟硬結合體積小，很容易就嵌入到各個應用系統中去。因此嵌入式控制系統中少不了單片機，以單片機為核心的嵌入式控制系統在各個領域中都得到了廣泛的應用。2. DSP與MCU的比較:MCU和DSP一樣都是以數字信號為處理對象，隨著DSP的迅猛發(fā)展以及功能的不斷發(fā)展，許多MCU能實現的功能DSP也能實現，MCU具有豐富的控制功能，配有完善的外圍電路，使其與外設的連接比較方便，再加上MCU進入國內比較早，世界知名的電子廠商在國內的宣傳力度大，使設計者在使用時比較方便。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來實現，但如果僅為了實現這些功能選用DSP未免大材小用，從成本考慮也不允許這么做。因此在運算的控制領域內MCU仍將起主導作用。而對這些需要實時處理的場合，比如馬達的控制等，就可以考慮用DSP來實現。由于采用risc內核等先進的技術，使MCU期間的運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，而對于廣大的技術人員來說，DSP的普及姜維他們的設計又提供了一種好的懸著。就目前的技術現狀來說。將DSP與MCU結合構成的一個系統也是一種很好的方法，將dsp設計成一個高速不見，專門算法，MCU扶著管理外圍并協調DSP工作。1).區(qū)別.a.對密集乘法的支持DSP：1.專門的硬件實現單周期乘法.2.增加了累加器的寄存器來處理多個乘積的和，累加器寄存器比其他寄存器寬，增加稱為結果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不是用來設計做密集乘法任務的。2要求多個指令周期來做一次乘法b存儲器結構DSP: 1.采用哈佛結構，將存儲器空間分為兩個，分別存儲程序和數據。2. 它們有兩組總線連接到處理器核，允許同時對它們進行訪問?？梢詫⑻幚砥鞔尜A器帶寬加倍，重要的是同時為處理器核提供數據和指令。得以實現單周期的MAC指令。3.Dsp使用多個片內存儲器和多組總線來保證每個指令周期內的多次訪問，程序員要明確控制哪些數據和指令要存儲在片內存儲器。程序員要保證雙總線的有效利用。 MCU : 1.馮.諾依曼存儲器結構。只有一個存儲空間通過一組總線（一個地址總線和一個數據總線）連接到處理器核。做一次乘法會發(fā)生4次存儲器訪問，用掉至少四個指令周期。 2 . 使用控制邏輯決定哪些數據和指令存儲在片內的高速緩存中，程序員并不加以控制。統一的DSP和MCU兼?zhèn)鋬烧叩膬?yōu)點。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，它包括一個存儲器保護功能以及指令高速緩存和數據高速緩存，作為整個存儲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在嵌入式方面的應用：4.1：DSP技術在電力系統模擬量采集和測量中的應用：計算機進入電力系統調度后，引入了EMS/DMS/SCADA的概念，而電力系統數據采集和測量是SCADA的基礎部分。傳統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)橹绷髁浚谶M行A/D轉換送給計算機。應用了交流采用技術以后，經過二次PT、CT的變換后，直接對每周波的多點采樣值采用DSP處理算法進行計算，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化提供了功能綜合優(yōu)化的手段。4.2：DSP在變電站自動化的應用：變電站自動化元件較多，模擬量、開關量比較多而且比較分散，要求的實時性也較高，DSP能快速采集、精確處理各種信息，尤其在并行處理上可實現多機多任務操作，實用十分靈活、方便，片內諸多的接口為通訊及人機接口提供了容易的擴展，由于接口的多樣化，使勵磁、調速器及繼電保護的掛網監(jiān)控更容易。由于DSP集成度高，硬件設計方便，使設計起來更容易，而且增加了產品的可靠性，DSP在冗余設計上更容易，為水電站實現無人值班，少人值守的發(fā)展方向，提供了可靠的新技術。4.3：DSP在多媒體通信中的應用：多媒體包括文字、語言、圖像、圖形和數據等媒體。多媒體信息中絕大部分是視頻數據和音頻數據，兒數字化的音、視頻數據的數據量是非常龐大的，只有采用先進的壓縮編碼算法對其進行壓縮，節(jié)省儲存空間，提高通信線路的傳輸效率，才能使高速的多媒體通信系統成為可能。多媒體通信要求多媒體網絡終端應能快速處理信息，并具有較強的交互性。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用。如今的DSP基本能實時實現大部分已形成國際標準的語音編解碼算法與協議。移動通信中的語音壓縮和調制解調器也大量采用DSP?，F代DSP完全有能力實現中、低速的移頻鍵控、相移鍵控的調制與解調以及正交調幅調制與解調等。4.5：DSP在軟件無線電的應用：軟件無線電是一種新的無線通信技術，是基于同一硬件平臺上、安裝不同的軟件來靈活實現多通信功能多頻段的無線電臺，他可進一步擴展至有線領域。隨著DSP技術的發(fā)展和應用的成熟，特別是低功耗DSP芯片的出現，使軟件無線電的應用研究成為熱點。軟件無線電具有系統結構通用、功能實現軟件化和互操作性好等一系列優(yōu)點。其體系結構有電源、天線、多帶射頻轉換器和A/D/A變換器與DSP組成。信號的數字化是實現軟件無線電的先決條件。關鍵步驟是以可編程能力強的DSP來代替專用的數字電路，使系統硬件結構與功能相對獨立。這樣就可基于一個相對通用的硬件平臺，通過軟件實現不同的通信功能，并可對工作頻率、系統頻寬、調制方式和新品編碼等進行編程控制，系統的靈活性大大加強了。4.6：DSP在機器人控制中的應用：目前，由于人工智能、計算機科學、傳感器技術及其它相關學科的長足進步，使得機器人的研究在高水平上進行，同時也對機器人控制系統的性能提出了更高的要求。隨著機器人控制系統對實時性、數據量和計算要求的不斷提高，采用高速、高性能的DSP將成為主要的控制方式。將DSP應用于機器人的控制系統，充分利用DSP實時運算速度快的特點，這是當前發(fā)展的趨勢。尤其是隨著數字信號芯片速度的不斷提高，并易于構成并行處理網絡，可大大提高控系統的性能。5，MCU在嵌入式系統上的應用MCU在嵌入式系統上的應用遍及方方面面，如軍事，通信，交通，生活的個個方面，在此我們列舉一些例子在說明1，實現嵌入式應用系統間的短距離無線通信：在無線通信系統中，選擇一個應用簡便、使用可靠的無線通信模塊非常重要。運用MCU相關的無線收發(fā)模塊，能夠制作出具有抗干擾能力強，傳輸距離遠，低功耗的通信設備，廣泛應用于各種場合的無線通信領域，通信距離在 500M 米左右。利用 設計的無線通信系統可廣泛應用于手持設備通信、小型無線網絡、無線抄表、門禁系統、非接觸 8V 智能卡、數字圖像語音傳輸系統等諸多方面，具有廣闊的應用前景2，嵌入式MCU在軍用雷達電站系統中也有諸多應用3，MCU技術的應用使得電站系統工程的自動化程度提高。由于它體積小、縮程靈活、實現成本低 開發(fā) 周期 短 、可靠性好、系統穩(wěn)定等特點、非常適合當今社會高效、快節(jié)奏的合約式開發(fā)性制造業(yè)?？偨Y和展望：通過本報告的我查閱諸多資料，通過大量的閱讀專