數(shù)字信號(hào)處理器原理及應(yīng)用1

1、數(shù)字信號(hào)處理器原理及應(yīng)用課程名稱：課程簡(jiǎn)介課程簡(jiǎn)介: 數(shù)字信號(hào)處理器原理及應(yīng)用是電子信息工程專業(yè)的限選專業(yè)課程。數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，簡(jiǎn)寫：DSP）是專門用于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理算法的微處理器，廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信、雷達(dá)、遙感、聲納、語(yǔ)音合成、圖像處理、測(cè)量與控制、高清晰度電視、數(shù)字音響、多媒體技術(shù)、地球物理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、振動(dòng)工程以及機(jī)器人等各個(gè)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的微處理器相比，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）在結(jié)構(gòu)和原理上有重大差別。本課程主要介紹有關(guān)DSP的基本結(jié)構(gòu)與原理，如：哈佛結(jié)構(gòu)、多總線結(jié)構(gòu)、流水線結(jié)構(gòu)、多處理單元、特殊DSP指令、數(shù)據(jù)尋址方式、程序地

2、址生成方式、雙尋址RAM、定時(shí)器、時(shí)鐘發(fā)生器、主機(jī)接口（HPI）、同步串口（SP）、外部總線接口、指令系統(tǒng)、自舉加載器等。同時(shí)，介紹DSP的開(kāi)發(fā)工具、軟件和硬件設(shè)計(jì)、典型算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。DSP技術(shù)概述：DSP技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)技術(shù)，也是現(xiàn)代電工電子理論和技術(shù)的重要組成部分、研究對(duì)象及工具。1，信號(hào)處理功能的數(shù)字實(shí)現(xiàn)。2，復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理。3，智能化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。4，靈活多樣處理方法的實(shí)現(xiàn)。數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了工程設(shè)備的范圍。因此，DSP技術(shù)不僅是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的基本技術(shù)，也是現(xiàn)代科學(xué)研究和工程實(shí)際中的基本工具和處理方法。一、信號(hào)處理是非功率系統(tǒng)的基本特征1，信號(hào)處理的基本

3、概念。 可對(duì)物理系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型。這個(gè)物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述，就是物理系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的處理方式描述和要求。 信號(hào)處理的工程定義： 對(duì)信號(hào)按一定規(guī)則進(jìn)行變換，形成新的信號(hào)。 信號(hào)處理的數(shù)學(xué)定義： 對(duì)信號(hào)按一定規(guī)則進(jìn)行數(shù)學(xué)變換。 2，電子系統(tǒng)就是一個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)。3，信號(hào)處理就是一種數(shù)學(xué)運(yùn)算。DSP技術(shù)概述二、信號(hào)處理的基本內(nèi)容信號(hào)處理的基本內(nèi)容包括： 1，傳統(tǒng)意義的信號(hào)濾波。 2，波形變換。 3，信號(hào)轉(zhuǎn)換。 4，信號(hào)合成。 5，信號(hào)分離。 6，特征識(shí)別。 7，信號(hào)提取。 8，信息提取。嚴(yán)格地說(shuō)，信號(hào)處理并不等于信息處理。信息是馱載在信號(hào)之上的，從信息處理的角度看，首先應(yīng)處理信號(hào)，然后才是處理信息。因此，

4、信號(hào)處理屬于信息處理的一部分。DSP技術(shù)概述DSP技術(shù)概述三、工程信號(hào)處理 工程信號(hào)處理是指工程實(shí)際中所需要的工程信號(hào)處理技術(shù)，其中不包括信息處理技術(shù)。工程信號(hào)處理的基本內(nèi)容包括上述8項(xiàng)基本內(nèi)容。 工程信號(hào)處理的基本特點(diǎn)是信號(hào)對(duì)象比較明確，處理要求與應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)。四、ASP和DSP技術(shù)比較1，ASP和DSP處理技術(shù)的區(qū)別。 實(shí)時(shí)性。ASP技術(shù)屬于并行處理技術(shù)，因此，具有天然的實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)。DSP屬于串行處理技術(shù)，因此具有實(shí)時(shí)性差的特點(diǎn)。 頻率特性。在處理同樣的信號(hào)時(shí)，ASP需要的頻帶寬度一般遠(yuǎn)小于DSP系統(tǒng)。 靈活性。ASP是固定參數(shù)系統(tǒng)，系統(tǒng)的靈活性遠(yuǎn)不及DSP系統(tǒng)。 智能性。目前的ASP

5、技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能性。 實(shí)施性。ASP的實(shí)施技術(shù)比DSP要復(fù)雜的多，所以，DSP系統(tǒng)更易于工程實(shí)現(xiàn)。 集成性。集成性包括系統(tǒng)集成和電路集成兩方面。ASP難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，而從工程技術(shù)的角度看，ASP的電路集成成本和應(yīng)用性也遠(yuǎn)不及DSP系統(tǒng)。DSP技術(shù)概述2，工程應(yīng)用特點(diǎn)比較。ASP和DSP技術(shù)在工程技術(shù)中都有應(yīng)用。在一般情況下，不可能單獨(dú)使用ASP或DSP。 ASP和DSP技術(shù)比較：信號(hào)輸入。ASP技術(shù)在各種工程信號(hào)的輸入技術(shù)上，有著不可取代的位置。DSP技術(shù)往往都需要有ASP作為前置和后置技術(shù)。性能價(jià)格比。一般地說(shuō)，DSP技術(shù)比ASP技術(shù)具有更高的性能價(jià)格比。復(fù)雜程度。ASP技術(shù)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)高

6、于DSP技術(shù)。知識(shí)性。DSP技術(shù)需要有新的知識(shí)和技術(shù)，而由于電子技術(shù)等工程技術(shù)的限制，ASP技術(shù)往往不需要有新知識(shí)。原因是ASP技術(shù)的應(yīng)用范圍有限。軟件性。ASP技術(shù)幾乎不需要有軟件參與，而DSP技術(shù)則無(wú)法離開(kāi)軟件。集成性。集成性包括系統(tǒng)集成和電路集成兩方面。ASP難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，而從工程技術(shù)的角度看，ASP的電路集成成本和應(yīng)用性也遠(yuǎn)不及DSP系統(tǒng)。DSP技術(shù)概述五、DSP基本技術(shù)概念1，數(shù)字信號(hào)處理的基本方法。 經(jīng)典處理方法。包括變換和狀態(tài)方程的實(shí)現(xiàn)、經(jīng)典數(shù)字濾波、確定性的特征識(shí)別、經(jīng)典的非線性系統(tǒng)等。 現(xiàn)代處理方法。包括變參數(shù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、時(shí)-頻域處理技術(shù)、信號(hào)和信息提取技術(shù)等。 數(shù)學(xué)技術(shù)

7、。包括系統(tǒng)基本數(shù)學(xué)模型的建立和計(jì)算方法。傳統(tǒng)信號(hào)處理技術(shù)是建立在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上的技術(shù)，但算法比較簡(jiǎn)單。2，實(shí)現(xiàn)技術(shù)。 非實(shí)時(shí)處理的實(shí)現(xiàn) 實(shí)時(shí)處理的實(shí)現(xiàn)DSP技術(shù)概述4，算法概念。 算法代表了DSP系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 算法具有健壯性穩(wěn)定性、收斂性、收斂速度、突變性。 算法具有目標(biāo)針對(duì)性5，仿真技術(shù)基本概念。 參數(shù)仿真研究系統(tǒng)參數(shù)的變化條件。 電路仿真器件特性和應(yīng)用參數(shù)研究。 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)行為特性研究。DSP技術(shù)概述3，基本硬件技術(shù)。 DSP器件系統(tǒng) 單片機(jī)系統(tǒng) PLD器件系統(tǒng) 單板機(jī)系統(tǒng) PC機(jī)系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)DSP技術(shù)概述實(shí)踐環(huán)節(jié)與內(nèi)容或輔助學(xué)習(xí)活動(dòng)：實(shí)踐環(huán)節(jié)與內(nèi)容或輔助學(xué)習(xí)活動(dòng)： 對(duì)DSP的典

8、型算法進(jìn)行編程并調(diào)試。主要內(nèi)容：波形產(chǎn)生、波形調(diào)制、頻率變換、濾波器設(shè)計(jì)、頻譜分析等。 以上內(nèi)容可選擇其中一個(gè)，在課后完成。成績(jī)考評(píng)方式：成績(jī)考評(píng)方式： 總成績(jī)=平時(shí)作業(yè)+課外實(shí)踐+考勤+期末考試平時(shí)作業(yè)：完成規(guī)定的作業(yè)。課外實(shí)踐：完成規(guī)定的設(shè)計(jì)報(bào)告。考勤：缺勤三次以上，無(wú)此項(xiàng)成績(jī)。期末考試：教材和參考書：教材：戴明幀、周建江編TMS320C54X DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用北京航空航天大學(xué)，2001年參考書：Andrew Bateman、Iain Paterson-Stephens著DSP算法、應(yīng)用與設(shè)計(jì)機(jī)械工業(yè)出版社2003年學(xué)習(xí)的目標(biāo)與內(nèi)容：學(xué)習(xí)的目標(biāo)與內(nèi)容： 一、目標(biāo)1. 學(xué)會(huì)數(shù)字信號(hào)處理

9、理論與技術(shù)概念的應(yīng)用：要求在經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單系統(tǒng)和軟件的學(xué)習(xí)后，能用基本概念分析DSP系統(tǒng)特征。 2. 學(xué)會(huì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用：要求在硬件技術(shù)上掌握系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)與調(diào)試、DSP器件操作與調(diào)試。要求在軟件技術(shù)上掌握，仿真程序的使用、應(yīng)用軟件編程。 3. 結(jié)合專業(yè)學(xué)習(xí)基本應(yīng)用方法：要求獨(dú)立設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)二、內(nèi)容1，TMS320C54XX數(shù)字信號(hào)處理器 結(jié)構(gòu)原理、軟硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試2，ADSP-218X數(shù)字信號(hào)處理器 結(jié)構(gòu)原理TMS320C54X系列數(shù)字信號(hào)處理器結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用第一章綜述第一章綜述主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1. 什么是DSP? 2. 為什么要數(shù)字化？ 3. DSP系統(tǒng)的特點(diǎn) 4

10、. 哪些是典型的DSP運(yùn)算法則？ 5. 什么是實(shí)時(shí)系統(tǒng)？ 6. 為什么要用DSP處理器？ 7. DSP芯片的特點(diǎn) 8. DSP芯片的分類 9. DSP芯片的發(fā)展 10. DSP的應(yīng)用領(lǐng)域 11. DSP的選擇 12. DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程什么是DSP? Digital Signal Processing DSP (數(shù)字信號(hào)處理) 是對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理，包括對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮和識(shí)別等等。 Digital Signal Processor DSP (數(shù)字信號(hào)處理器)即DSP芯片，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法

11、。 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖 輸入 抗混疊 濾波A/DDSP芯片D/A 平滑 濾波輸出下圖是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖。此系統(tǒng)先將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)DSP芯片做數(shù)字信號(hào)處理后，再變換成模擬信號(hào)輸出。為什么要數(shù)字化？數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)非常的強(qiáng)大，而有時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)非常的強(qiáng)大，而有時(shí)候用模擬信號(hào)處理技術(shù)要達(dá)到相似的性候用模擬信號(hào)處理技術(shù)要達(dá)到相似的性能是很困難的（在模擬信號(hào)處理技術(shù)也能是很困難的（在模擬信號(hào)處理技術(shù)也能夠處理的情況下）。能夠處理的情況下）。v 例子：例子： 線性相位的有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器線性相位的有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)濾波器 自適應(yīng)濾波器自適應(yīng)濾波器為什么要數(shù)字化？模擬

12、信號(hào)處理過(guò)程是利用模擬元件來(lái)完模擬信號(hào)處理過(guò)程是利用模擬元件來(lái)完 成的，例如：成的，例如：電阻器電阻器電容器電容器電感器電感器v 由元件、溫度、電壓變化、機(jī)械振動(dòng)等由元件、溫度、電壓變化、機(jī)械振動(dòng)等引起的內(nèi)部容限的變化會(huì)顯著地影響模引起的內(nèi)部容限的變化會(huì)顯著地影響模擬電路的效果。擬電路的效果。為什么要數(shù)字化?用用DSPDSP便于：便于：改變應(yīng)用程序改變應(yīng)用程序更正應(yīng)用程序更正應(yīng)用程序更新應(yīng)用程序更新應(yīng)用程序另外另外DSPDSP可減少：可減少：噪音敏感度噪音敏感度芯片造價(jià)芯片造價(jià)程序調(diào)試時(shí)間程序調(diào)試時(shí)間功率損耗功率損耗為什么不數(shù)字化？高頻率信號(hào)因?yàn)橐韵聝蓚€(gè)原因不能進(jìn)行高頻率信號(hào)因?yàn)橐韵聝蓚€(gè)原因不

13、能進(jìn)行 數(shù)字化處理：數(shù)字化處理：模數(shù)轉(zhuǎn)換器（模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADCADC）不能在高頻下工作）不能在高頻下工作應(yīng)用程序會(huì)因?yàn)樘珡?fù)雜而不能實(shí)時(shí)工作應(yīng)用程序會(huì)因?yàn)樘珡?fù)雜而不能實(shí)時(shí)工作DSP系統(tǒng)的特點(diǎn) DSP系統(tǒng)是以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)的，因系統(tǒng)是以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)的，因此具有數(shù)字系統(tǒng)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)：此具有數(shù)字系統(tǒng)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)： 接口方便。接口方便。DSP系統(tǒng)與其他以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)系統(tǒng)與其他以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相互兼容的，因此，為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相互兼容的，因此，它與其他數(shù)字系統(tǒng)接口以實(shí)現(xiàn)某種功能是很它與其他數(shù)字系統(tǒng)接口以實(shí)現(xiàn)某種功能是很方便的；方便的； 編程方便。編程方便。DSP系統(tǒng)中的可編

14、程系統(tǒng)中的可編程DSP芯片可芯片可使設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)過(guò)程中靈活方便地對(duì)軟件使設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)過(guò)程中靈活方便地對(duì)軟件進(jìn)行修改和升級(jí)；進(jìn)行修改和升級(jí)；DSP系統(tǒng)的特點(diǎn)（續(xù)） 穩(wěn)定性好。穩(wěn)定性好。DSP系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，受系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小，可靠性高；環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小，可靠性高； 精度高。精度高。16位數(shù)字系統(tǒng)可達(dá)位數(shù)字系統(tǒng)可達(dá)105的精度；的精度； 可重復(fù)性好?？芍貜?fù)性好。模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)變化的影響而變化比較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本變化的影響而變化比較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測(cè)試、調(diào)試和不受影響，因此數(shù)字系

15、統(tǒng)便于測(cè)試、調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)；大規(guī)模生產(chǎn)； 集成方便。集成方便。DSP系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。哪些是典型的DSP運(yùn)算法則？在大部分的DSP運(yùn)算法則中，積之和（SOP）是個(gè)關(guān)鍵要素DSPDSP處理器必須實(shí)時(shí)地處理任務(wù)，那么處理器必須實(shí)時(shí)地處理任務(wù)，那么我們?nèi)绾味x我們?nèi)绾味x“實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)”呢？呢？ 實(shí)時(shí)的定義取決于應(yīng)用程序。實(shí)時(shí)的定義取決于應(yīng)用程序。例如：如果例如：如果DSPDSP芯片可在兩次抽樣間執(zhí)芯片可在兩次抽樣間執(zhí)行且完成如下操作，則一個(gè)行且完成如下操作，則一個(gè)100100點(diǎn)的點(diǎn)的FIRFIR濾波器就是實(shí)時(shí)的：濾波器就是

16、實(shí)時(shí)的：實(shí)時(shí)處理 990kknxkany)99()99() 1() 1 ()()0()(nxanxanxany 如果等待時(shí)間大于等于零（Waiting Time=0)，我們可以說(shuō)我們的應(yīng)用是實(shí)時(shí)的。實(shí)時(shí)處理為什么不用一個(gè)通用處理器（為什么不用一個(gè)通用處理器（General General Purpose Processor Purpose Processor ，GPPGPP）例如奔）例如奔騰處理器，來(lái)代替一個(gè)騰處理器，來(lái)代替一個(gè)DSPDSP處理器？處理器？ 一個(gè)奔騰和一個(gè)DSP處理器的功耗各是多少？ 一個(gè)奔騰和一個(gè)DSP處理器的造價(jià)各是多少？ 奔騰是如何計(jì)算SOP的？為什么要用DSP處理器？當(dāng)

17、考慮以下方面時(shí)，需要使用當(dāng)考慮以下方面時(shí)，需要使用DSPDSP處理器：處理器： 節(jié)省費(fèi)用 尺寸更小 低功耗 需實(shí)時(shí)地處理許多“高”頻率的信號(hào)當(dāng)考慮以下方面時(shí)，需要使用當(dāng)考慮以下方面時(shí)，需要使用GPPGPP處理器：處理器： 大的存儲(chǔ)器 高級(jí)操作系統(tǒng)為什么要用DSP處理器？ DSP芯片的特點(diǎn) 在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法； 哈佛結(jié)構(gòu)（程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)），可以同時(shí)訪哈佛結(jié)構(gòu)（程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)），可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)；問(wèn)指令和數(shù)據(jù)； 片內(nèi)具有快速片內(nèi)具有快速RAM，可通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在，可通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問(wèn)；兩塊中同時(shí)訪問(wèn)；

18、采用硬件支持低開(kāi)銷或無(wú)開(kāi)銷的循環(huán)及跳轉(zhuǎn)；采用硬件支持低開(kāi)銷或無(wú)開(kāi)銷的循環(huán)及跳轉(zhuǎn)； 快速的中斷處理和硬件快速的中斷處理和硬件IO； 具有在單個(gè)周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器；具有在單個(gè)周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器； 可并行執(zhí)行多個(gè)操作；可并行執(zhí)行多個(gè)操作； 流水線結(jié)構(gòu)，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重流水線結(jié)構(gòu)，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行；疊執(zhí)行；硬件 vs. 微碼 乘法DSP處理器對(duì)于處理乘法和加法操作是最優(yōu)化的：乘法和加法在硬件里是在一周期內(nèi)完成的例子: 無(wú)符號(hào)的 4位數(shù)乘法DSP芯片的分類 定點(diǎn)定點(diǎn)DSP芯片：芯片：精度、動(dòng)態(tài)范圍中等、功耗低、造價(jià)低； 浮點(diǎn)浮點(diǎn)DSP芯片：芯片：

19、高精度、寬動(dòng)態(tài)范圍、較高的功耗、較高的造價(jià)； 專用型專用型DSP芯片：用芯片：用ASIC技術(shù)設(shè)計(jì)的技術(shù)設(shè)計(jì)的DSPDSP芯片的發(fā)展 世界上第一個(gè)單片 DSP 芯片是1978年 AMI公司發(fā)布的 S2811，1979年美國(guó)Intel公司發(fā)布的商用可編程器件2920則是DSP芯片的一個(gè)主要里程碑。這兩種芯片內(nèi)部都沒(méi)有現(xiàn)代DSP芯片所必須有的單周期乘法器。1980 年，日本 NEC 公司推出的P D7720是第一個(gè)具有乘法器的商用 DSP 芯片。 在這之后，最成功的DSP 芯片當(dāng)數(shù)美國(guó)德州儀器公司（Texas Instruments，簡(jiǎn)稱TI）的一系列產(chǎn)品。TI 公司在1982年成功推出其第一代 D

20、SP 芯片之后，相繼推出了第二代、第三代、第四代、第五代 、第二代改進(jìn)型以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等。如今，TI公司的一系列DSP產(chǎn)品已經(jīng)成為當(dāng)今世界上最有影響的DSP芯片。TI公司也成為世界上最大的 DSP 芯片供應(yīng)商，其DSP市場(chǎng)份額占全世界份額近 50。DSP芯片的發(fā)展（續(xù)） 自1980年以來(lái)，DSP芯片得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，DSP芯片的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 從運(yùn)算速度來(lái)看，MAC（一次乘法和一次加法）時(shí)間已經(jīng)從20世紀(jì)80年代初的400ns降低到10ns以下，處理能力提高了幾十倍。DSP芯片內(nèi)部關(guān)鍵的乘法器部件占硅片的面積以大大下降，片內(nèi)RAM數(shù)量增加

21、一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。從制造工藝來(lái)看，1980年采用4m 的 N溝道MOS（NMOS）工藝，而現(xiàn)在則普遍采用亞微米（Micron）CMOS工藝。DSP芯片的引腳數(shù)量從1980年的最多64個(gè)增加到現(xiàn)在的200個(gè)以上，引腳數(shù)量的增加，意味著結(jié)構(gòu)靈活性的增加，如外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展和處理器間的通信等。此外，DSP芯片的發(fā)展使DSP系統(tǒng)的成本、體積、重量和功耗都有很大程度的下降。 TI的DSP芯片 TI的三大主力DSP產(chǎn)品 C2000系列：C20 x、F20 x、C24x、F24xx（控制器） C5000系列：C54x、C54xx、C55x（低功耗） C6000系列：C62x、C67x、C64x（高性能） TI

22、其他的DSP產(chǎn)品 C3x系列（浮點(diǎn)）：C30、C31、C32、VC33 C2x和C5x系列：C20、C25、C50等 C4x、C8x系列DSP的選擇lDSP芯片的運(yùn)算速度：芯片的運(yùn)算速度：指令周期：執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間。指令周期：執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間。MAC時(shí)間：執(zhí)行一次乘法和一次加法的時(shí)間。時(shí)間：執(zhí)行一次乘法和一次加法的時(shí)間。FFT執(zhí)行時(shí)間：運(yùn)行一個(gè)執(zhí)行時(shí)間：運(yùn)行一個(gè)N點(diǎn)點(diǎn)FFT程序的時(shí)間。程序的時(shí)間。MIPS:每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令。每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令。MOPS：每秒執(zhí)行百萬(wàn)次操作。：每秒執(zhí)行百萬(wàn)次操作。MFLOPS：每秒執(zhí)行百萬(wàn)次浮點(diǎn)操作。：每秒執(zhí)行百萬(wàn)次浮點(diǎn)操作。BOPS：每秒執(zhí)行

23、十億次操作。：每秒執(zhí)行十億次操作。DSP的選擇lDSP芯片的價(jià)格：芯片的價(jià)格：lDSP芯片的硬件資源：芯片的硬件資源：RAM、ROM、IO、串口、串口、DMA等。等。lDSP芯片的運(yùn)算精度：定點(diǎn)（芯片的運(yùn)算精度：定點(diǎn)（16、24位），浮點(diǎn)位），浮點(diǎn)（32位）位）lDSP芯片的開(kāi)發(fā)工具：強(qiáng)大芯片的開(kāi)發(fā)工具：強(qiáng)大lDSP芯片的功耗：芯片的功耗：l其它：芯片的封裝、等級(jí)等。其它：芯片的封裝、等級(jí)等。DSP系統(tǒng)的運(yùn)算量 按樣點(diǎn)處理：DSP算法對(duì)每個(gè)樣點(diǎn)循環(huán)一次。 按幀處理：DSP算法每隔一定的時(shí)間間隔循環(huán)一次。DSP的應(yīng)用領(lǐng)域l （1） 信號(hào)處理信號(hào)處理，如：數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、快速，如：數(shù)字濾波、

24、自適應(yīng)濾波、快速傅里葉變換、相關(guān)運(yùn)算、頻譜分析、卷積等。傅里葉變換、相關(guān)運(yùn)算、頻譜分析、卷積等。l （2） 通信通信，如：調(diào)制解調(diào)器、自適應(yīng)均衡、數(shù)據(jù)加，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(kuò)頻密、數(shù)據(jù)壓縮、回波抵消、多路復(fù)用、傳真、擴(kuò)頻通信、糾錯(cuò)編碼、波形產(chǎn)生等。通信、糾錯(cuò)編碼、波形產(chǎn)生等。l （3） 語(yǔ)音語(yǔ)音，如：語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別、，如：語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音增強(qiáng)、說(shuō)話人辨識(shí)、語(yǔ)音郵件、語(yǔ)音儲(chǔ)存等。語(yǔ)音增強(qiáng)、說(shuō)話人辨識(shí)、語(yǔ)音郵件、語(yǔ)音儲(chǔ)存等。l （4） 圖像圖像/圖形圖形，如：二維和三維圖形處理、圖像，如：二維和三維圖形處理、圖

25、像壓縮與傳輸、圖像增強(qiáng)、動(dòng)畫、機(jī)器人視覺(jué)等。壓縮與傳輸、圖像增強(qiáng)、動(dòng)畫、機(jī)器人視覺(jué)等。DSP的應(yīng)用領(lǐng)域（續(xù)）l （5） 軍事軍事，如：保密通信、雷達(dá)處理、聲納處，如：保密通信、雷達(dá)處理、聲納處理、導(dǎo)航等。理、導(dǎo)航等。l （6） 儀器儀表儀器儀表，如：頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、鎖，如：頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、鎖相環(huán)、地震處理等。相環(huán)、地震處理等。l （7） 自動(dòng)控制自動(dòng)控制，如：引擎控制、聲控、自動(dòng)駕，如：引擎控制、聲控、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人控制、磁盤控制。駛、機(jī)器人控制、磁盤控制。l （8） 醫(yī)療醫(yī)療，如：助聽(tīng)、超聲設(shè)備、診斷工具、，如：助聽(tīng)、超聲設(shè)備、診斷工具、病人監(jiān)護(hù)等。病人監(jiān)護(hù)等。l （9） 家用電器

26、家用電器，如：高保真音響、音樂(lè)合成、，如：高保真音響、音樂(lè)合成、音調(diào)控制、玩具與游戲、數(shù)字電話音調(diào)控制、玩具與游戲、數(shù)字電話/電視等電視等 。DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程 軟件編程硬件設(shè)計(jì)軟件調(diào)試硬件調(diào)試選擇 DSP 芯片定義系統(tǒng)性能指標(biāo) 系統(tǒng)集成系統(tǒng)測(cè)試和調(diào)試DSP 應(yīng)用主要內(nèi)容著重介紹：著重介紹：數(shù)字信號(hào)處理器的結(jié)構(gòu)和原理數(shù)字信號(hào)處理器的結(jié)構(gòu)和原理（以（以TMS320C54x為例）為例）DSP的開(kāi)發(fā)工具和技術(shù)的開(kāi)發(fā)工具和技術(shù)DSP的軟件編程的軟件編程DSP的應(yīng)用的應(yīng)用第二章定點(diǎn)DSP中的基本算術(shù)運(yùn)算本章簡(jiǎn)介介紹定點(diǎn)DSP的數(shù)字運(yùn)算基礎(chǔ)定點(diǎn)DSP中的數(shù)字表示Q表示法和S表示法DSP的定點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算DS

27、P中的數(shù)字運(yùn)算進(jìn)行定點(diǎn)數(shù)值運(yùn)算時(shí)，操作數(shù)一般采用整型數(shù)進(jìn)行定點(diǎn)數(shù)值運(yùn)算時(shí)，操作數(shù)一般采用整型數(shù)來(lái)表示。一個(gè)整型數(shù)的最大取值范圍取決于來(lái)表示。一個(gè)整型數(shù)的最大取值范圍取決于DSP的的字長(zhǎng)。顯然字長(zhǎng)越長(zhǎng)，所能表示的數(shù)據(jù)范圍越大，字長(zhǎng)。顯然字長(zhǎng)越長(zhǎng)，所能表示的數(shù)據(jù)范圍越大，精度越高。下面以精度越高。下面以16位定點(diǎn)運(yùn)算為例進(jìn)行討論。位定點(diǎn)運(yùn)算為例進(jìn)行討論。DSP芯片和所有微處理器一樣，以芯片和所有微處理器一樣，以2的補(bǔ)碼形的補(bǔ)碼形式表示帶符號(hào)數(shù)。最高為符號(hào)位，式表示帶符號(hào)數(shù)。最高為符號(hào)位，0表示數(shù)值為正，表示數(shù)值為正，1表示負(fù)數(shù)，其余位為數(shù)據(jù)位。表示負(fù)數(shù)，其余位為數(shù)據(jù)位。例如，例如，帶符號(hào)數(shù)帶符號(hào)數(shù)

28、 1111,1111,1111,1001BFFF9H7 0110,1110,1111,0000B6EF0H28400數(shù)的定標(biāo) 對(duì)于定點(diǎn)對(duì)于定點(diǎn)DSP處理器而言，參與數(shù)值運(yùn)算的處理器而言，參與數(shù)值運(yùn)算的數(shù)都看作數(shù)都看作16位的整型數(shù)。但在許多情況下，要處理位的整型數(shù)。但在許多情況下，要處理的數(shù)據(jù)不一定為整數(shù)。的數(shù)據(jù)不一定為整數(shù)。DSP是如何處理小數(shù)呢？應(yīng)是如何處理小數(shù)呢？應(yīng)該說(shuō)定點(diǎn)該說(shuō)定點(diǎn)DSP芯片本身是無(wú)能為力的。那么是不是芯片本身是無(wú)能為力的。那么是不是DSP芯片就不能處理各種小數(shù)呢？當(dāng)然不是。這種芯片就不能處理各種小數(shù)呢？當(dāng)然不是。這種情況下要由程序員來(lái)確定一個(gè)數(shù)的小數(shù)點(diǎn)位置處于情況下要由

29、程序員來(lái)確定一個(gè)數(shù)的小數(shù)點(diǎn)位置處于16位的哪一位。這就是數(shù)的定標(biāo)。位的哪一位。這就是數(shù)的定標(biāo)。Q表示法和S表示法及其十進(jìn)制數(shù)值范圍Q表示法S表示法十進(jìn)制數(shù)值范圍Q15S0.15-1 x 0.9999695Q14S1.14-2 x 1.9999390Q13S2.13-4 x 3.9998779Q12S3.12-8 x 7.9997559Q11S4.11-16 x 15.9995117Q10S5.10-32 x 31.9990234Q9S6.9-64 x 63.9980469Q8S7.8-128 x 127.9960938Q7S8.7-256 x 255.9921875Q6S9.6-512 x 5

30、11.9804375Q5S10.5-1024 x 1023.96875Q4S11.4-2048 x 2047.9375Q3S12.3-4096 x 4095.875Q2S13.2-8192 x 8191.75Q1S14.1-16384 x 16383.5Q0S15.0-32768 x 32767定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)有以下轉(zhuǎn)換關(guān)系：定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)有以下轉(zhuǎn)換關(guān)系：浮點(diǎn)數(shù)浮點(diǎn)數(shù)(x)轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù)(xq):xq=intx 2Q定點(diǎn)數(shù)定點(diǎn)數(shù)(xq)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)(x):x=floatxq 2Q例如，浮點(diǎn)數(shù)例如，浮點(diǎn)數(shù)x=0.4，定標(biāo)，定標(biāo)Q=15，則對(duì)應(yīng)定點(diǎn)數(shù)為，則對(duì)應(yīng)定點(diǎn)數(shù)為xq=in

31、t0.4 215=int13107.2=13107=3333H。反之，一個(gè)反之，一個(gè)Q15表示的定點(diǎn)數(shù)表示的定點(diǎn)數(shù)13107對(duì)應(yīng)的浮點(diǎn)數(shù)為：對(duì)應(yīng)的浮點(diǎn)數(shù)為：13107 215 0.3999939。在實(shí)際應(yīng)用中，在實(shí)際應(yīng)用中，Q數(shù)值由以下方法確定數(shù)值由以下方法確定:設(shè)系統(tǒng)中變量表示的數(shù)據(jù)最大絕對(duì)值為設(shè)系統(tǒng)中變量表示的數(shù)據(jù)最大絕對(duì)值為|max|，而且，而且|max|小于或小于或等于等于32767，由：，由： 2n-1 |max|2n可得可得Q=15n。例如，某變量取。例如，某變量取值范圍為值范圍為1到到1，那么變量的，那么變量的|max|=1,n=0,則則Q=15。 DSP定點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算在DSP運(yùn)算

32、中經(jīng)常用到Q表示法。 前面已經(jīng)介紹過(guò)，16位二進(jìn)制數(shù)的Q表示法，最高位為符號(hào)位，依次為15Q位的整數(shù)和Q位的小數(shù)。其表示的數(shù)據(jù)絕對(duì)值不超過(guò)215Q ，精度為1/2Q 。根據(jù)數(shù)據(jù)的范圍和精度要求，不同應(yīng)用的Q值一般不同。但通常情況更多的是將數(shù)表示為Q15格式表示的純小數(shù)和Q0格式表示的整數(shù)，這樣有利于乘法等運(yùn)算，即小數(shù)乘以小數(shù)結(jié)果仍為小數(shù)，整數(shù)乘以整數(shù)結(jié)果仍為整數(shù)。 1. 兩個(gè)定點(diǎn)數(shù)的算術(shù)運(yùn)算（1）兩個(gè)定點(diǎn)數(shù)的加/減法定點(diǎn)加/減法必須保證兩個(gè)操作數(shù)的定標(biāo)值一樣。如果兩個(gè)數(shù)據(jù)的Q值不同，在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的前提下調(diào)整Q值使數(shù)據(jù)精度最高，即盡量將Q值小的數(shù)調(diào)整為與另一個(gè)數(shù)的Q一樣大。另外，做加/減運(yùn)算時(shí)，必須注意運(yùn)算結(jié)果可能超出16位的表示范圍。例如，x=0.4，y=0.2，計(jì)算xy。根據(jù)Q法的表示范圍，采用Q15表示兩個(gè)數(shù)據(jù)可以得到最高精度的運(yùn)算結(jié)果。所以x，y的Q15定點(diǎn)表示分別為： xq=13107， yq=6553。xqyq=131076553=19660。將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)為：19660215 0.5999756。當(dāng)進(jìn)行加/減法運(yùn)算