第一章数字信号处理,计算,程序,算法和硬线逻辑的基本概念 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
第一章 数字信号处理,计算,程序, 算法和硬线逻辑的基本概念
引言: 现代计算机与通讯系统电子设备中广泛使用了数字信号处理专用集成电路,它们主要 用于数字信号传输中所必需的滤波,变换,加密,解密,编码,解码,纠检错,压缩,解 压缩等操作.这些处理工作从本质上说都是数学运算.从原则上讲,它们完全可以用计算 机或微处理器来完成.这就是为什么我们常用 C,Pascal 或汇编语言来编写程序,以研究 算法的合理性和有效性的道理. 在数字信号处理的领域内有相当大的一部分工作是可以事后处理的.我们可以利用通 用的计算机系统来处理这类问题.如在石油地质调查中,我们通过钻探和一系列的爆破, 记录下各种地层的回波数据,然后用计算机对这些数据进行处理,去除噪声等无用信息, 最后我们可以得到地层的构造,从而找到埋藏的石油.因为地层不会在几年内有明显的变 化,因此花几十天的时间把地层的构造分析清楚也能满足要求.这种类型的数字信号处理 是非实时的,用通用的计算机就能满足需要. 还有一类数字信号处理必须在规定的时间内完成,如在军用无线通信系统和机载雷达系统 中我们常常需要对检测到的微弱信号增强,加密,编码,压缩,在接收端必须及时地解压 缩,解码和解密并重现清晰的信号.我们很难想象用一个通用的计算机系统来完成这项工 作,因此,我们不得不自行设计非常轻便小巧的高速专用硬件系统来完成该任务. 有的数字信号处理对时间的要求非常苛刻,以至于用高速的通用微处理器芯片也无法在规 定的时间内完成必须的运算.我们必须为这样的运算设计专用的硬线逻辑电路,这可以在 高速 FPGA 器件上实现或制成高速专用集成电路. 这是因为通用微处理器芯片是为一般目的 而设计的,运算的步骤必须通过程序编译后生成的机器码指令加载到存贮器中,然后在微 处理器芯片控制下,按时钟的节拍,逐条取出指令,分析指令,然后执行指令,直至程序 的结束.微处理器芯片中的内部总线和运算部件也是为通用的目的而设计,即使是专为信 号处理而设计的通用微处理器,因为它的通用性,也不可能为某一个特殊的算法来设计一 系列的专用的运算电路,而且其内部总线的宽度也不能随意改变,只有通过改变程序,才 能实现这个特殊的算法.因而其运算速度就受到限制. 本章的目的是想通过对数字信号处理,计算(Computing) ,算法和数据结构,编程语言和 程序,体系结构和硬线逻辑等基本概念的介绍,了解算法与硬线逻辑之间的关系从而引入 利用 Verilog HDL 硬件描述语言设计复杂的数字逻辑系统的概念和方法.向读者展示一种 九十年代才真正开始在美国等先进的工业国家逐步推广的数字逻辑系统的设计方法.借助 于这种方法,在电路设计自动化仿真和综合工具的帮助下,只要我们对并行的计算结构有
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第一章数字信号处理,计算,程序,算法和硬线逻辑的基本概念 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
一定程度的了解,对有关算法有深入的研究,我们完全有能力设计并制造出有自己知识产 权的 DSP(数字信号处理)类和任何复杂的数字逻辑集成电路芯片,为我国的电子工业和 国防现代化作出应有的贡献.
1.1 数字信号处理 大规模集成电路设计制造技术和数字信号处理技术,近三十年来,各自得到了迅速的发展. 这两个表面上看来没有什么关系的技术领域实质上是紧密相关的.因为数字信号处理系统 往往要进行一些复杂的数学运算和数据的处理,并且又有实时响应的要求,它们通常是由 高速专用数字逻辑系统或专用数字信号处理器所构成,电路是相当复杂的.因此只有在高 速大规模集成电路设计制造技术进步的基础上,才有可能实现真正有意义的实时数字信号 处理系统.对实时数字信号处理系统的要求不断提高,也推动了高速大规模集成电路设计 制造技术的进步.现代专用集成电路的设计是借助于电子电路设计自动化(EDA)工具完成 的.学习和掌握硬件描述语言(HDL)是使用电子电路设计自动化(EDA)工具的基础. 1.2 计算(Computing) 说到数字信号处理,我们自然就会想到数学计算(或数学运算) .现代计算机和通信系统中 广泛采用了数字信号处理的技术和方法.基本思路是先把信号用一系列的数字来表示,如 是连续的模拟信号,则需通过采样和模拟数字转换,把信号转换成一系列的数字信号,然 后对这些数字信号进行各种快速的数学运算,其目的是多种多样的,有的是为了加密,有 的是通过编码来减少误码率以提高信道的通信质量,有的是为了去掉噪声等无关的信息也 可以称为滤波,有的是为了数据的压缩以减少占用的频道….有时我们也把某些种类的数 字信号处理运算称为变换如离散傅利叶变换 (DFT)离散余弦变换 , (DCT)小波变换 , (Wavelet T)等. 我们这里所说的计算是从英语 Computing 翻译过来的,它的含义要比单纯的数学计算广泛 得多. "Computing 这门学问研究怎样系统地有步骤地描述和转换信息,实质上它是一门覆 盖了多个知识和技术范畴的学问,其中包括了计算的理论,分析,设计,效率和应用.它 提出的最基本的问题是什么样的工作能自动完成,什么样的不能.(摘自 Denning et al., " "Computing as a Discipline," Communication of ACM, January,1989) . 本文中凡提到计算这个词处,指的就是上面一段中 Computing 所包含的意思.由传统的观 点出发,我们可以从三个不同的方面来研究计算,即从数学,科学和工程的不同角度. 由比较现代的观点出发,我们可以从四个主要的方面来研究计算,即从算法和数据结构, 编程语言,体系结构,软件和硬件设计方法学.本课本的主题是从算法到硬线逻辑的实现, 因此我们将从算法和数据结构,编程语言和程序,体系结构和硬线逻辑以及设计方法学等 方面的基本概念出发来研究和探讨用于数字信号处理等领域的复杂硬线逻辑电路的设计技 术和方法.特别强调利用 Verilog 硬件描述语言的 Top-Down 设计方法的介绍.

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