從數字信號處理架構來對比FPGA，ARM，DSP的優勢

從數字信號處理架構來對比FPGA，ARM，DSP的優勢

作者：lee神

1.內容概要

信號處理系統一般不單單是模擬信號或者數字信號，一般兩者都會有。信號的處理關注的是信號以及信號所包含的信息的表示、變換及運算。

圖1典型的數字信號處理系統

1>模擬信號（analog signal）的輸入一般包括（聲、電、光、熱等）模擬的連續信號；

2>模擬信號抗混疊（anti-aliasing filter）希望分開兩個或多個混疊在一起的信號，或者增強某些信號；

3>AD將模擬信號轉換成數字信號；

4>DSP/FPGA/ARM/MPU數字信號處理。

整個系統分為三個域，從模擬到數字，再到數字信號處理，再到數字變模擬。

數字信號處理一般所研究的內容涉及採樣、濾波、變換、檢測、譜分析、估計、壓縮以及識別等；數字信號處理的理論和演算法是密不可分的；相對於模擬信號系統處理，數字信號處理體積小、功耗低、精度高、易於大規模集成以及可進行二維以及多維處理等優勢。

數字信號處理系統的性能取決於三個因素：採樣頻率、架構和字長。

2.典型處理器對比

DSP晶元，也稱數字信號處理器，是一種特別適合於進行數字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實時快速地實現各種數字信號處理演算法。根據數字信號處理的要求，DSP晶元一般具有如下主要特點：

（1）在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法；

（2）程序和數據空間分開，可以同時訪問指令和數據；

（3）片內具有快速RAM，通常可通過獨立的數據匯流排在兩塊中同時訪問；

（4）具有低開銷或無開銷循環及跳轉的硬體支持；

（5）快速的中斷處理和硬體I/O支持；

（6）具有在單周期內操作的多個硬體地址產生器；

（7）可以並行執行多個操作；

（8）支持流水線操作，使取指、解碼和執行等操作可以重疊執行。

當然，與通用微處理器相比，DSP晶元的其他通用功能相對較弱些。

MPU(Microprocessor Unit)微處理器

微機中的中央處理器（CPU）稱為微處理器（MPU），是構成微機的核心部件，也可以說是微機的心臟。它起到控制整個微型計算機工作的作用，產生控制信號對相應的部件進行控制，並執行相應的操作。

微處理器的功能結構主要包括:運算器、控制器、寄存器三部分：

運算器的主要功能就是進行算術運算和邏輯運算。

控制器是整個微機系統的指揮中心，其主要作用是控制程序的執行。包括對指令進行解碼、寄存，並按指令要求完成所規定的操作，即指令控制、時序控制和操作控制。

寄存器用來存放操作數、中間數據及結果數據。

FPGA具有規則的可編程結構，可實現各種邏輯功能。

1>運算能力強，並行能力強。

2>設計過程中具有很大的靈活性。

3>通過集成可以降低系統成本。

3.混合系統

圖2 FPGA作預處理系統

圖3 FPGA作為協處理系統

圖4 FPGA+DSPs+ARM的數字信號處理系統

如圖2、3和4數字信號處理系統，在不同的情況下我們可以採用不同的系統，具體根據晶元各自的優勢來選擇不同的系統。

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