定點數(shù)字信號處理器DSP技術與應用課件

1、定點數(shù)字信號處理器（DSP）技術與應用16位定點DSPADSP218X/219X1課程的主要內(nèi)容和目的本課程主要介紹 ADSP-218X / 219X系列16位定點DSP的體系結(jié)構和軟/硬件開發(fā)環(huán)境，通過幾個典型的實驗使大家初步掌握DSP系統(tǒng)的硬件構成、 軟件開發(fā)以及系統(tǒng)的綜合調(diào)試方法。課程的重要性： 直接面向應用。 IT工程師三大實用技能* PCB設計* DSP應用* FPGA應用2第一部分數(shù)字信號處理器（DSP）概述3數(shù)字信號處理及數(shù)字信號處理器（DSP）Digital Signal Processor4數(shù)字信號處理器（DSP）結(jié)構特點 DSP面向高性能、重復性、數(shù)值運算密集型的實時處理，

2、它具有適合數(shù)字信號處理算法的指令、適合數(shù)字信號處理數(shù)據(jù)結(jié)構的存儲器結(jié)構和尋址機構、并行處理能力和嵌入式性能等。其體系結(jié)構一般具有以下特點：采用分離地址與數(shù)據(jù)總線的哈佛結(jié)構（CPU：馮 .諾伊曼結(jié)構），有著較高的指令執(zhí)行速度，但結(jié)構復雜需要兩套地址產(chǎn)生電路。采用流水線技術，使取指、譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)指等步驟并行完成，提高了指令的執(zhí)行速度。除了算數(shù)邏輯單元（ALU）外，具有獨立的乘加器，使其能夠在一個周期內(nèi)完成相乘和累加兩個操作，加快了各種典型處理算法的處理速度。具有適用于典型處理算法的特殊存儲器尋址方式，如循環(huán)尋址、位反序?qū)ぶ返?。針對實時處理的專用的數(shù)據(jù)接口（RAM、DMA、SPORT，etc.

3、)，使數(shù)據(jù)的存取速度得以提高。專門的指令流控制邏輯，如無附加開銷的循環(huán)轉(zhuǎn)移指令。集成度高，能夠?qū)崿F(xiàn)單片、低功耗的處理系統(tǒng)。6數(shù)字信號處理器（DSP）的應用領域通用數(shù)字信號處理（數(shù)字濾波、卷積、相關、變換等）通信（高效調(diào)制/解調(diào)、編/解碼器、自適應均衡、IP處理、軟件無線電等）語音處理（語音識別/合成/壓縮/解壓縮等）圖形/圖象處理（圖象變換、模式識別、圖象壓縮/解壓縮等）自動控制（高精度、高速度伺服控制）軍事/航空/航天（雷達/聲吶信號處理、雷達成像、制導/火控系統(tǒng)、導航/定位系統(tǒng)、戰(zhàn)場C3I系統(tǒng)等）消費電子（數(shù)字高清晰度電視（HDTV）、CD/VCD/DVD編解碼器、多媒體信息處理、汽車電子

4、等）7DSP的分類 主要分為通用DSP和專用DSP兩大類通用DSP：其所要實現(xiàn)的處理算法由軟件程序控制實現(xiàn)。應 用靈活性大，通過更改軟件程序能夠?qū)崿F(xiàn)不同的 處理算法。 產(chǎn)品是各種類型的可編程DSP芯片，應用較廣泛 的是： TI公司的TMS320系列 AD公司的ADSP21XX系列專用DSP：針對某種具體應用而設計，所要實現(xiàn)的處理算法 由硬件直接實現(xiàn)。運算處理速度極高，但完成的 算法單一、精度和動態(tài)范圍有限，需要與外圍電 路配合才能構成系統(tǒng)，功耗也較大，因此應用范 圍較窄， 主要應用于儀器/ 儀表以及軍事等需要 極高處理能力的領域。 主要產(chǎn)品：FFT專用DSP、卷積/相關器、復乘加 器等。* 用

5、ASIC/FPGA實現(xiàn)的DSP9DSP的分類DSP專用DSP橫向濾波器FFT復乘/累加器求模/相角嵌入式DSP定點 DSP32bit浮點DSP32bit浮點并行DSP超高性能DSP16bit 定點DSP24bit 定點DSP通用DSP10數(shù)字信號處理器（DSP）的開發(fā)與調(diào)試 DSP系統(tǒng)的設計分為硬件/軟件兩個部分。兩者可以在各自的開發(fā)平臺上分別進行前期設計與調(diào)試，然后進行系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。具體開發(fā)流程如圖所示。硬件設計 DSP選型/系統(tǒng)結(jié)構確立 性能/功耗分析 開發(fā)周期/成本分析 電路設計/調(diào)試調(diào)試工具：DSP在線硬件仿真器（Emulator)、DSP開發(fā)/評估板（Evaluation Board)

6、、示波器、邏輯分析儀。軟件設計 算法確定/程序流程圖 軟件編制（匯編/C語言） 匯編/編譯/鏈接 軟件模擬調(diào)試工具：匯編/編譯/鏈接程序，軟件模擬/調(diào)試器（Simulator/Debugger)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)對整個系統(tǒng)的軟/硬件進行的綜合調(diào)試。調(diào)試工具：硬件仿真器、DSP開發(fā)/調(diào)試集成環(huán)境（IDE/IDDE）、DSP OS，etc.11ADSP-218x在線仿真器12ADSP-218x開發(fā)/評估板13ADSP-218x開發(fā)/評估板所包含的功能部件14DSP系統(tǒng)的開發(fā)流程圖電路/軟件設計電路原理圖設計生成電路網(wǎng)表設計印制電路板印制板制造器件安裝軟件流程圖繪制高級語言程序設計匯編語言程序設計匯編算法庫實

7、時運行庫編譯匯編鏈接軟件模擬修正硬件調(diào)試軟/硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)示波器邏輯分析儀16DSP系統(tǒng)的開發(fā)流程圖系統(tǒng)聯(lián)調(diào)系統(tǒng)在線仿真硬件電路軟件程序PC機仿真仿真結(jié)果?有誤錯修正固化程序嵌入系統(tǒng)設備進行聯(lián)調(diào)連接外部設備綜合測試滿足系統(tǒng)要求?否修正否修正成品制造示波器邏輯分析儀17二進制代數(shù)復習19DSP中的二進制數(shù)表示方法ADSP-2100系列定點數(shù)DSP使用2的補碼進行操作。若要有效地對該系列DSP進行編程，了解以下概念及定義是非常重要的。1) 有符號 / 無符號數(shù)格式2) 小數(shù) / 整數(shù)格式3) 小數(shù)的范圍4) 16進制到2進制的轉(zhuǎn)換5) 2進制到16進制的轉(zhuǎn)換202進制（Binary ）- （16進制

8、）Hexadecimal 10進制（Decimal ）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表Decimal 0 123456789101112131415Hexadecimal 01 23456789ABCDEFBinary 0000 00010010001101000101011001111000100110101011110011011110111121有符號數(shù)與無符號數(shù)無符號數(shù)有符號數(shù)0 x00000V (最小負值) 0 xFFFF5V (最大正值)0 x8000-5V (最小負值) 0 x00000V 0 x7FFF5V (最大正值)S/U U U U U U U U U U U U U U U U0152進制表

9、示實際物理量22有符號數(shù)（原碼）與2的補碼有符號數(shù)（原碼）的最高位（MSB）為符號位。1表示負數(shù)0表示正數(shù)* 有符號數(shù)（原碼）“0”有兩種表示方法（+/-0）。* 有符號數(shù)（原碼）的運算比較復雜，類似于正負數(shù)的筆算 ，先要比較兩個數(shù)絕對值的大小，然后確定如何計算，最 后在確定符號位。2的補碼Xcmp = 2n + X (n-字長位數(shù)）* 性質(zhì)：正數(shù)的補碼與其原碼相同。負數(shù)的補碼仍是負數(shù)，它是 將其原碼的符號位保持不變而將其數(shù)值部分求補得到。 “0”在補碼中的表示是唯一的。* 補碼的求法：一個負數(shù)的補碼等于其原碼除符號位保持不變外 ，其余各位按位求反，再在最低位加1。* 補碼的運算：符號位與數(shù)值

10、位一樣參加運算（若符號位有進位 則丟棄）。* 溢出的判別：“雙高位判別法”Cs：最高位（符號位）的進位情況。 若有進位，Cs = 1;Cp：數(shù)值部分的最高位的進位情況。若有進位，Cp = 1;Overflow = Cs xor Cp232的補碼表示方法對于2的補碼表示法， 一個數(shù)符號位的位權值是-(2)(M-1)，M是2進制小數(shù)點左邊的位數(shù)。對于一個 4.2 型式的數(shù)字, 符號位的位權值是 -(23). 例子: 0101.01 = 0 * (-8) + 1 * (4) + 0 * (2) + 1 * (1) + 0 * (1/2) + 1 * (1/4) = 5.25 1101.01 = 1

11、* (-8) + 1 * (4) + 0 * (2) + 1 * (1) + 0 * (1/2) + 1 * (1/4)= - 2.752進制小數(shù)點-2-13012-(2 )22222符號位24DSP是針對小數(shù)表示型式進行優(yōu)化設計的DSP也支持整數(shù)表示型式 2616位二進制數(shù)的表示范圍最大10進制正數(shù) (0 x7FFF) 0.999969482421875 1.999938964843750 3.999877929687500 7.999755859375000 15.999511718750000 31.999023437500000 63.998046875000000 127.99609

12、3750000000 255.992187500000000 511.984375000000000 1023.968750000000000 2047.937500000000000 4095.875000000000000 8191.750000000000000 16383.500000000000000 32767.000000000000000最大10進制負數(shù) (0 x8000) 1.0 2.0 4.0 8.0 16.0 32.0 64.0 128.0 256.0 512.0 1024.0 2048.0 4096.0 8192.0 16384.0 32768.0 最低有效位（ LSB

13、 ）為1時的10進制數(shù)值 (0 x0001) 0.000030517578125 0.000061035156250 0.000122070312500 0.000244140625000 0.000488281250000 0.000976562500000 0.001953125000000 0.003906250000000 0.007812500000000 0.015625000000000 0.031250000000000 0.062500000000000 0.125000000000000 0.250000000000000 0.500000000000000 1.00000

14、0000000000格式 1.15 2.14 3.13 4.12 5.11 6.10 7.9 8.8 9.7 10.6 11.5 12.4 13.3 14.2 15.1 16.0 小數(shù)整數(shù)27有兩種將16進制數(shù)轉(zhuǎn)換為10進制數(shù)的方法，一種簡單，一種較復雜. 復雜的方法 : 先將16進制數(shù)轉(zhuǎn)換成2進制數(shù). 確定小數(shù)點的位置. 將每一位的2進制位數(shù)值乘以其響應的位權值。例子: 將 0 x2A00（ 以1.15 、2的補碼格式表示）轉(zhuǎn)換10進制數(shù)值0 x2A00 = 0.010 1010 0000 0000 = 2-2 + 2-4 + 2-6 = 0.25 + 0.0625 + 0.015625 = 0.328125 = 0.33 = 1/3 簡單的方法 : 先將16進制數(shù)直接轉(zhuǎn)換成10進制數(shù)（整數(shù)整數(shù)）。再用轉(zhuǎn)換后的10進制數(shù)除以2N，N是2進制小數(shù)點右邊的位數(shù)。例子: 將 0 x2A00（ 以1.15 、2的補碼格式表示）轉(zhuǎn)換10進制數(shù)值0 x2A00 10752 / 215 = 10752 / 32768 = 0.32812516進制(1.15 格式)到10進制轉(zhuǎn)換29 有兩種將10進制數(shù)轉(zhuǎn)換為16進制數(shù)的方法，一種簡單，一種較復雜.復雜的方法: 將10進制數(shù)用其2N 的型式表示出來。例子: 將0.8125轉(zhuǎn)換成以1.15、 2的補碼