數(shù)字信號處理DSP技術(shù)

1、一、數(shù)字信號處理DSP技術(shù)TMS320C54X概述目錄 一. DSP技術(shù)概述 1. DSP的含義 2. DSP芯片的特點 3. DSP芯片的應(yīng)用 二. TMS320系列DSP芯片介紹 1. TMS320系列的基本結(jié)構(gòu) 2. TMS320系列的分類 3. TMS320C54X的基本特點 4. TMS320C54X的BOOT設(shè)計 5. TMS320C54X的指令集 6. 編程中需注意的問題 三. 總結(jié)DSP技術(shù)概述DSP的含義 DSP（Digital Signal Processing）也就是我們常說的數(shù)字信號處理，它是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對信號進行采集，變換，濾波，估值，增強，壓

2、縮，識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。 DSP芯片就是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應(yīng)用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。DSP芯片的特點 根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點： 1.在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法； 2.程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)； 3.片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問； 4.具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持； 5.快速的中斷處理和硬件I/O支持； 6.具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器； 7.可以并行執(zhí)行多個操作； 8.支持流水線操作，使取指，譯碼和執(zhí)行等操作

3、可以重疊執(zhí)行。DSP芯片的應(yīng)用 在近20年里，DSP芯片在信號處理，通信，雷達等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，DSP芯片的價格越來越低，性能價格比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。它的應(yīng)用主要有： 1.信號處理-如數(shù)字濾波，快速傅立葉變換，相關(guān)運算，譜分析，卷積，模式匹配，加窗，波形產(chǎn)生等； 2.通信-如調(diào)制解調(diào)器，自適應(yīng)均衡，數(shù)據(jù)加密，數(shù)據(jù)壓縮，回波抵消，多路復(fù)用，傳真，擴頻通信，糾錯編碼，可視電話等； 3.語音-如語音編碼，語音合成，語音識別，語音增強，說話人辨認，說話人確認，語音郵件，語音存儲等； 4.圖形/圖像-如二維和三維圖形處理，圖像壓縮與傳輸，圖像增強，動畫，機器人視覺等； 5.軍事

4、-如保密通信，雷達處理，聲納處理，導(dǎo)航，導(dǎo)彈制導(dǎo)等； 6.儀器儀表-如頻譜分析，函數(shù)發(fā)生，鎖相環(huán)，地震處理等； 7.自動控制-如引擎控制，聲控，自動駕駛，機器人控制，磁盤控制等； 8.醫(yī)療-如助聽，超聲設(shè)備，診斷工具，病人監(jiān)護等； 9.家用電器-如高保真音響，音樂合成，音調(diào)控制，玩具與游戲，數(shù)字電話/電視等。TMS320系列DSP芯片介紹 目前世界上生產(chǎn)DSP芯片的公司主要有TI（德州儀器）公司，AD（美國模擬器件）公司，Technologics（朗訊技術(shù)）公司和Motorola（摩托羅拉）公司四大公司，而TI公司則是世界上最大的DSP芯片供應(yīng)商。TMS320系列產(chǎn)品就是該公司的DSP產(chǎn)品。T

5、MS320系列的基本結(jié)構(gòu) 1.哈佛結(jié)構(gòu)。它不同于傳統(tǒng)的馮.諾曼結(jié)構(gòu)的并行體系結(jié)構(gòu)，其主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，每個存儲器獨立編址，獨立訪問。系統(tǒng)中設(shè)計了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。 TMS320系列DSP芯片更在基本的哈佛結(jié)構(gòu)上作了改進，一是允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中，并被算術(shù)運算指令直接使用，增強了芯片的靈活性；二是指令存儲在高速緩沖器中，當(dāng)執(zhí)行此指令時，不需要再從存儲器中讀取指令，節(jié)約了一個指令周期的時間； 2.流水線操作。TMS320系列處理器的流水線深度從2-6級不等，也就是說，處理器可以并行處理2-6條指令，每條指令處于流水線上的不同

6、階段。例如在一個三級流水線操作中，取指，譯碼和執(zhí)行操作可以獨立地處理，這可使指令執(zhí)行能夠完全重疊。這樣就增強了處理器的處理能力。 3.專用的硬件乘法器。在一般形式的FIR濾波器中，乘法是DSP的重要組成部分。在TMS320系列中，由于具有專用的硬件乘法器，乘法可以在一個指令周期內(nèi)完成。這樣可以大量降低FIR的計算時間。 4.特殊的DSP指令。在TMS320系列中有一些特殊的DSP指令，它們在一個指令周期內(nèi)用一條指令就可以實現(xiàn)普通需要幾條指令才可以實現(xiàn)功能，如MAC指令，它可以在一個指令周期中完成一次乘法和一次加法運算。這樣即節(jié)省了時間，又提高了編程的靈活性。 5.快速的指令周期。目前TMS32

7、0系列處理器的指令周期已經(jīng)達到了20ns以下，有的甚至達到了幾個ns，這使得DSP芯片能夠?qū)崟r實現(xiàn)許多DSP應(yīng)用。TMS320系列的分類 TMS320系列處理器主要分為三種： 1.定點DSP芯片。它的數(shù)據(jù)是以定點格式工作的。如TMS320C1X，TMS320C 2X/C2XX，TMS320C5X，TMS320C54X，TMS320C62X等幾代產(chǎn)品。 2.浮點DSP芯片。它的數(shù)據(jù)是以浮點格式工作的。如TMS320C3X，TMS320C 4X，TMS320C67X等。 3.多處理器DSP芯片。它內(nèi)部集成了多個DSP芯片以獲得更好的性能。如TM S320C8X。 在這些芯片中，TMS320C54X

8、是為實現(xiàn)低功耗，高性能而專門設(shè)計的定點DSP芯片，它主要應(yīng)用于無線系統(tǒng)中，下來我們對它做一個較為詳細的介紹。TMS320C54X的基本特點 1.中央處理單元 先進的多總線結(jié)構(gòu)，有一條程序總線（PB），三條數(shù)據(jù)總線（CB，DB和EB）和四條地址總線（PAB，CAB，DAB和EAB） 1個40位的算術(shù)邏輯單元（ALU），1個40位的桶形移位器和2個獨立的40位累加器A和B 1個17x17的乘法器和兩個40位加法器，乘法器可以耦合到加法器以完成單周期的MAC指令 內(nèi)部集成了維特比加速器以及與它相關(guān)的比較，選擇和存儲單元（CSSU） 指數(shù)編碼器用來在單周期內(nèi)計算40位累加器值的指數(shù) 2個地址產(chǎn)生器，其

9、中包括8個輔助寄存器和2個輔助寄存器運算單元 2.存儲器 192Kx16-bit可尋址存儲空間，其中包括64K字程序空間，64K字數(shù)據(jù)空間和64K字I/O空間，對于548，549，5402和5410還可以外部擴展程序空間 3.數(shù)據(jù)尋址 54X提供了7種數(shù)據(jù)尋址方式： 立即數(shù)尋址 絕對尋址 累加器尋址 直接尋址 間接尋址 存儲器映射寄存器尋址 堆棧尋址 4.程序存儲器尋址 使用程序計數(shù)器（PC）尋址，但是，對于一些指令需要用到絕對尋址。 5.中斷 54X支持軟件中斷（如INTR，TRAP，RESET）和硬件中斷，中斷可分為可屏蔽中斷（如TINT，INT0等）和不可屏蔽中斷（如RESET和NMI）

10、，其中RESET的優(yōu)先級最高，不可屏蔽中斷的優(yōu)先級高于可屏蔽中斷的優(yōu)先級，硬件中斷的優(yōu)先級則高于軟件中斷的優(yōu)先級。 6.流水線 54X有6級流水線：預(yù)取指，取指，解碼，訪問，讀取和執(zhí)行。 7.運算速度 指令周期為25/20/15/12.5/10ns，運算能力為40/50/66/80/100MIPS（百萬條指令/秒）。 8.低功耗方式 TMS320C54X可以在3.3V或2.7V電壓下工作，三個低功耗方式（IDLE1，IDLE2和IDLE3）可以節(jié)省DSP的功耗，所以它特別適合于無線移動設(shè)備。 9.片上的外設(shè) 可軟件編程的等待狀態(tài)發(fā)生器，使得與速度較慢的設(shè)備通訊更加方便； 片上的鎖相環(huán)時鐘發(fā)生器

11、可以對外部始終信號進行倍頻或分頻，從而得到自己所需要的時鐘頻率，當(dāng)分頻時還可節(jié)省系統(tǒng)的功耗； 可以禁止對外部數(shù)據(jù)總線，地址總線以及控制信號的控制； 可以軟件編程的定時器； 一些特殊的端口：標(biāo)準(zhǔn)的同步全雙工串行口和時分復(fù)用（TDM）串行口，自動緩沖串行口（auto-BSP），多通道緩沖串行口（MCBSP），直接內(nèi)存訪問（DMA）控制器和與外部處理器通信的HPI（Host Port Interface）接口。每一個型號的芯片都有各自不同的端口配置。 10.符合國際IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描邏輯接口，即JTAG掃描邏輯電路，用于仿真和測試，可以實現(xiàn)在線仿真。TMS320C54X的BOOT設(shè)

12、計 由于直接將程序?qū)懭隓SP芯片非常困難，所以TMS320C54X DSP芯片都在片內(nèi)設(shè)置有BOOT程序，它的主要作用是在開機時將用戶程序從外部裝入到程序存儲器。 54X提供了多種BOOT方法，包括： 并行I/O口BOOT 串行口BOOT HPI BOOT 外部并行BOOT WARM BOOT 支持8位/16位及多塊程序BOOT 這些不同的BOOT方式可以滿足用戶不同的應(yīng)用場合。 在使用BOOT時，必須將DSP設(shè)置為微計算機工作方式，以便使DSP復(fù)位后能運行內(nèi)部BOOT程序。TMS320C54X的指令集 54X的指令可以分為四個大類：算術(shù)指令，邏輯指令，程序控制指令，讀取和存儲指令 1.算術(shù)指

13、令 包括了加法指令（ADD.），減法指令（SUB.），乘法指令（MPY.），乘加指令（MAC.）和乘減指令（MAS.），32位操作數(shù)指令（DADD,DSUB.）和一些專用指令（ABDST,FIRS,SQDST.）。其中大部分指令都只需要一個指令周期，只有個別指令需要2-3個指令周期。 2.邏輯指令 包括了與指令（AND.），或指令（OR .），異或指令（XOR.），移位指令（ROL.）和測試指令（BITF.）。根據(jù)操作數(shù)的不同，這些指令需要1-2個指令周期。 3.程序控制指令 包括了轉(zhuǎn)移指令（B,BC.），調(diào)用指令（CALL.），中斷指令（INTR,TRAP），返回指令（RET.），重復(fù)指令（

14、RPT .），堆棧操作指令（FRAME,POPD.）和其它程序控制指令（IDLE, NOP.）。這些指令根據(jù)情況不同分別需要1-6個指令周期。 4.讀取和存儲指令 包括了讀取指令（LD.），存儲指令（ST.），條件存儲指令（CMPS, SACCD.），并行的讀取和乘法指令（LD | MAC.），并行的讀取和存儲指令（ST | LD.），并行的存儲和乘法指令（ST | MAC.），并行的讀取和加減指令（LD | ADD,LD | SUB）以及其它讀取類型和存儲類型指令（MVDD,PORTW, READA.）。這些指令根據(jù)情況不同分別需要1-5個指令周期。編程中需注意的問題 1. 流水線沖突 TMS320C54X采用了6級流水線操作，因此流水線沖突不可避免。一般情況下，當(dāng)發(fā)生流水線沖突時，由DSP自動插入延遲解決沖突問題。但有時DSP無法自動解決，這時就需要通過調(diào)整程序語句的次序或在程序中插入一定數(shù)量的NOP來解決。 2. 目前，54X都有C語言和匯編語言開發(fā)工具，這使得開發(fā)DSP程序更加方便和高效。在某些