数字信号处理(吴镇扬)课后习题答案(比较详细的解答过程)chap5-6PPT课件

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指令流的定时关系：
可反映冯.诺曼结构与哈佛结构处理方式的
差别。
典型情况下，完成一条指令需要3个步骤，即：
取指令、指令译码和执行指令。举一个最简单
的对存储器进行读写操作的指令，如图5.6-4，
指令1至指令3均为存、取数指令。
对冯.诺曼结构处理器，由于指令和数据要
从同一个存储空间存取，经由同一总线传输，
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图5.6-6 流水线的概念
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关于使用流水线方式的两个问题：
(a) 一项处理一般很难分解成若干个处理
规模一致、因而时间上有最佳配合（无须等待
）的流水段，为此需要用若干个寄存器来协调
流水线的节奏。
(b) 在流水线的启动和停止阶段，流水线
要逐步地被填满或出空。因此，对于一次性的
非重复计算，流水线方式并不适用，只有当预
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输入设备
运算器
输出设备
控制器
存储器
图5.6-1 冯.诺曼结构
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数据线 控制线
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冯.诺曼结构处理器具有以下几个特点： （1） 必须有一个存储器； （2） 必须有一个控制器； （3） 必须有一个运算器，用于完成算术
运算和逻辑 运算； （4） 必须有输入和输出设备，用于进行
人机通信。
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冯.诺曼的主要贡献就是提出并实现了“ 存储程序”的概念。由于指令和数据都是二 进制码，指令和操作数的地址又密切相关， 因此，当初选择这种结构是自然的。但是， 这种指令和数据共享同一总线的结构，使得 信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈， 影响了数据处理速度的提高。
如在一个周期里可以同时完成取指令、计 算下一个指令的地址、执行一个或两个数据传 输、更新一个或两个地址指针并且进行计算等 等。
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2）使用若干同样的处理单元对若干处理内容
相同（具有互换性）的操作同时作平等的处理。
并行处理的硬件开销很大，而且需要对各个
处理单元的输入和输出作复杂的管理。事实上，
在高度并行的结构里，主要的困难不是运算本身
，而是数据的组织和地址的产生。以FFT运算为
例，要求并行存取N/2个数据点，由于一般的存
储器在每个周期里只能在总线上传输一个数据，
因此，并行处理要有专门的缓冲区以要求的吞吐
率来高速度地供应数据，数据地址也必须高速产
生。
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5.6.2 DSP硬件构成
典型的DSP处理器中的运算/处理功能单元 主要包括以下几个部分：
因而它们无法重叠执行，只能顺序执行。
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图6-5 哈佛结构处理器- 指令流的定时关系示意12图
如果采用哈佛结构处理以上同样的3条存 取数指令，如图5.6-5，由于取指令和存取数据 分别经由不同的存储空间和不同的总线，使得 各条指令可以重叠执行，这样，也就克服了数 据流传输的瓶颈，提高了运算速度。
（2）使用两条独立的总线，分别作为CPU与 每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总 线之间毫无关联。
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改进的哈佛结构： 为了提高传输效率，节省总线，又提出了
改进的哈佛结构，如图5.6-3。
地址总线
程序 存储器
CPU
操作数 存储器
数据总线
图5.6-3 改进型哈佛结构
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改进型哈佛结构特点：
（1）使用两个独立的存储器模块，分别
•采用哈佛结构(多总线结构,即程序存储器 和数据存储器分开,各有各的总线,或地址总 线和数据总线分开)，甚至采用多地址总线 和多数据总线。还采用流水线及并行结构。
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5.6.1 数字信号处理器结构特点
5.6.1.1 冯.诺曼结构 1945年，冯.诺曼首先提出了“存储程序”
的概念和二进制原理，后来，人们把利用这种 概念和原理设计的电子计算机系统统称为“冯. 诺曼型结构”计算机。冯.诺曼结构的处理器使 用同一个存储器，经由同一个总线传输，如图 5.6-1。
期的循环操作足够长时，或是对一系列数据反
复执行同一指令时，采用流水线处理方式才是
合理的。
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5.6.1.4 并行处理
加快运算速度的另一种方法是采用并行处 理，这种方法克服了流水线方法要把一个处理 分解为若Hale Waihona Puke Baidu子处理的困难。
并行处理指： 1）DSP充分利用哈佛结构多重总线的优点， 在一个周期里使内部的各个处理单元同时工作 ，实现高度的并行处理。
5.6 数字信号处理硬件基础
数字信号处理中的主要运算是乘（除）加 （减）运算，在一般的计算机与微处理器中，乘 （除）法运算是用若干次加（减）法运算及移位 操作方式实现的；在处理器的结构方面，通用计 算机及微处理器采用冯.诺曼结构。
数字信号处理处理器在以上两方面有所不同。
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数字信号处理器特点：
•乘法运算直接用硬件乘法器完成，以提高 运算速度。
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流水线概念取自工厂自动化生产线，它是 一种可以使两个或更多的操作在执行时发生重 叠的技术，在流水线操作中，一个任务被分解 为若干子任务，这样它们就可在执行时相互重 叠。一个子任务被称为一个流水段。
在上面讨论哈佛结构的例子中，一个指令 可以分为3步完成，每一步可作为一个流水段， 当流水段填满时，处理器就可同时执行3个指令 ，所以平均每个指令只用1个时钟周期就可完成 。
哈佛结构强调了总的系统速度以及通讯和 处理器配置方面的灵活性。
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5.6.1.3 流水线处理
加快程序执行的一个途径是提高处理器 的时钟速度。但时钟速度的提高受工艺等的限 制，并不是可以无限提高的。而改进处理方法 则是提高程序流执行速度的另一个有效途径。
先进的处理方法有流水线处理和并行处 理，它们使得各项运算或处理都能在同一个时 钟周期里完成。
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5.6.1.2 哈佛结构
数字信号处理一般需要较大的数据流量和较 高的运算速度，为了提高数据吞吐量，在数字 信号处理器中大多采用哈佛结构，如图5.6-2。
程序总线
数据总线
程序 存储器
CPU
操作数 存储器
图5.6-2 哈佛结构
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与冯.诺曼结构处理器比较，哈佛结构处理 器有两个明显的特点：
（1）使用两个独立的存储器模块，分别存储 指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数 据并存；
存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令
和数据并存，以便实现并行处理；
（2）具有一条独立的地址总线和一条独
立的数据总线，利用公用地址总线访问两个存
储模块（程序存储模块和数据存储模块），公
用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据
存储模块与CPU之间的数据传输；
（3）两条总线由程序存储器和数据存储
器分时共用。