定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)技術(shù)與應(yīng)用

定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）

技術(shù)與應(yīng)用16位定點(diǎn)DSP—ADSP218X/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(diǎn)DSP的體系結(jié)構(gòu)和軟/硬件開發(fā)環(huán)境，通過幾個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)使大家初步掌握DSP系統(tǒng)的硬件構(gòu)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(yīng)用?！狪T工程師三大實(shí)用技能 *PCB設(shè)計(jì) *DSP應(yīng)用 *FPGA應(yīng)用2第一部分?jǐn)?shù)字信號(hào)處理器（DSP）概述3數(shù)字信號(hào)處理及數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）

DigitalSignalProcessor

4數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)特別強(qiáng)調(diào)運(yùn)算處理的實(shí)時(shí)性（Real-TimeCapability)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換A/DConverter數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換D/AConverter待處理的信號(hào)處理后的信號(hào)5數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)—DSP面向高性能、重復(fù)性、數(shù)值運(yùn)算密集型的實(shí)時(shí)處理，它具有適合數(shù)字信號(hào)處理算法的指令、適合數(shù)字信號(hào)處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和尋址機(jī)構(gòu)、并行處理能力和嵌入式性能等。其體系結(jié)構(gòu)一般具有以下特點(diǎn)：采用分離地址與數(shù)據(jù)總線的哈佛結(jié)構(gòu)（CPU：馮.諾伊曼結(jié)構(gòu)），有著較高的指令執(zhí)行速度，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜需要兩套地址產(chǎn)生電路。采用流水線技術(shù)，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(dú)立的乘加器，使其能夠在一個(gè)周期內(nèi)完成相乘和累加兩個(gè)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(chǔ)器尋址方式，如循環(huán)尋址、位反序?qū)ぶ返?。針?duì)實(shí)時(shí)處理的專用的數(shù)據(jù)接口（RAM、DMA、SPORT，etc.)，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(hào)處理器（DSP）的應(yīng)用領(lǐng)域通用數(shù)字信號(hào)處理（數(shù)字濾波、卷積、相關(guān)、變換等）通信（高效調(diào)制/解調(diào)、編/解碼器、自適應(yīng)均衡、IP處理、軟件無線電等）語音處理（語音識(shí)別/合成/壓縮/解壓縮等）圖形/圖象處理（圖象變換、模式識(shí)別、圖象壓縮/解壓縮等）自動(dòng)控制（高精度、高速度伺服控制）軍事/航空/航天（雷達(dá)/聲吶信號(hào)處理、雷達(dá)成像、制導(dǎo)/火控系統(tǒng)、導(dǎo)航/定位系統(tǒng)、戰(zhàn)場C3I系統(tǒng)等）消費(fèi)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、汽車電子等）7DSP的典型應(yīng)用—MPEG-4因特網(wǎng)攝像機(jī)8DSP的分類——主要分為通用DSP和專用DSP兩大類 通用DSP：其所要實(shí)現(xiàn)的處理算法由軟件程序控制實(shí)現(xiàn)。應(yīng) 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(yīng)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(duì)某種具體應(yīng)用而設(shè)計(jì)，所要實(shí)現(xiàn)的處理算法 由硬件直接實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算處理速度極高，但完成的 算法單一、精度和動(dòng)態(tài)范圍有限，需要與外圍電 路配合才能構(gòu)成系統(tǒng)，功耗也較大，因此應(yīng)用范 圍較窄，主要應(yīng)用于儀器/儀表以及軍事等需要 極高處理能力的領(lǐng)域。

主要產(chǎn)品：FFT專用DSP、卷積/相關(guān)器、復(fù)乘加 器等。 *用ASIC/FPGA實(shí)現(xiàn)的DSP9DSP的分類DSP專用DSP橫向?yàn)V波器FFT復(fù)乘/累加器求模/相角嵌入式DSP定點(diǎn)DSP32bit浮點(diǎn)DSP32bit浮點(diǎn)并行DSP超高性能DSP16bit定點(diǎn)DSP24bit定點(diǎn)DSP通用DSP10數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的開發(fā)與調(diào)試—DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為硬件/軟件兩個(gè)部分。兩者可以在各自的開發(fā)平臺(tái)上分別進(jìn)行前期設(shè)計(jì)與調(diào)試，然后進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。具體開發(fā)流程如圖所示。硬件設(shè)計(jì) —DSP選型/系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確立 —性能/功耗分析 —開發(fā)周期/成本分析 —電路設(shè)計(jì)/調(diào)試

調(diào)試工具：

DSP在線硬件仿真器（Emulator)、DSP開發(fā)/評(píng)估板（EvaluationBoard)、

示波器、邏輯分析儀。軟件設(shè)計(jì) —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(duì)整個(gè)系統(tǒng)的軟/硬件進(jìn)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）、DSPOS，etc.11ADSP-218x在線仿真器12ADSP-218x開發(fā)/評(píng)估板13ADSP-218x開發(fā)/評(píng)估板所包含的功能部件14DSP系統(tǒng)的開發(fā)流程圖—系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能要求系統(tǒng)性能及算法模擬

處理速度、開發(fā)周期、體積、成本，功耗、供貨、升級(jí)器件選型：DSP型號(hào)、存儲(chǔ)器、I/O、FPGA、A/D、D/A系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖硬件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)15DSP系統(tǒng)的開發(fā)流程圖—電路/軟件設(shè)計(jì)電路原理圖設(shè)計(jì)生成電路網(wǎng)表設(shè)計(jì)印制電路板印制板制造器件安裝軟件流程圖繪制高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)匯編語言程序設(shè)計(jì)匯編算法庫實(shí)時(shí)運(yùn)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(jī)仿真仿真結(jié)果?有誤錯(cuò)修正固化程序嵌入系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)調(diào)連接外部設(shè)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17DSP及其開發(fā)的新趨勢

單片系統(tǒng)（System-On-Chip) ——隨著VLSI技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)一定的應(yīng)用領(lǐng)域，可以使整個(gè)系統(tǒng)以DSP為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將應(yīng)用中所涉及的諸如RAM、I/O、A/D、D/A等附加電路單元全部集成在一片IC芯片中，并且包括處理單元在內(nèi)的各功能塊都具有可重定義特性（Re-Configurable) .這樣一來，系統(tǒng)以后的功能擴(kuò)展與升級(jí)將非常簡單，只需要重新編寫軟件程序即可。同時(shí)系統(tǒng)的功耗會(huì)大大的降低，可靠性會(huì)大大的提高。而這對(duì)便攜/移動(dòng)應(yīng)用非常重要。模塊化設(shè)計(jì) ——DSP及支持芯片/軟件生產(chǎn)廠商，均依據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)電路板級(jí)DSP處理模塊，同時(shí)為這種模塊提供豐富的符合標(biāo)準(zhǔn)的軟件開發(fā)系統(tǒng)和算法資源庫。這樣做的好處是降低了硬件設(shè)計(jì)難度、減少了硬件設(shè)計(jì)時(shí)間，更重要的是模塊化設(shè)計(jì)得到了豐富的軟件支持，大大提高了設(shè)計(jì)效率。18二進(jìn)制代數(shù)復(fù)習(xí)

19DSP中的二進(jìn)制數(shù)表示方法 ADSP-2100系列定點(diǎn)數(shù)DSP使用2的補(bǔ)碼進(jìn)行操作。若要有效地對(duì)該系列DSP進(jìn)行編程，了解以下概念及定義是非常重要的。 1)有符號(hào)/無符號(hào)數(shù)格式 2)小數(shù)/整數(shù)格式 3)小數(shù)的范圍 4)16進(jìn)制到2進(jìn)制的轉(zhuǎn)換 5)2進(jìn)制到16進(jìn)制的轉(zhuǎn)換202進(jìn)制（Binary）-（16進(jìn)制）Hexadecimal–10進(jìn)制（Decimal）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表Decimal

0123456789101112131415Hexadecimal

0123456789ABCDEFBinary

000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111121有符號(hào)數(shù)與無符號(hào)數(shù)無符號(hào)數(shù)有符號(hào)數(shù)0x0000 0V(最小負(fù)值)

0xFFFF 5V(最大正值)0x8000 -5V(最小負(fù)值)

0x0000 0V

0x7FFF 5V(最大正值)S/U

UUUUUUUUUUUUUUU0152進(jìn)制表示實(shí)際物理量22有符號(hào)數(shù)（原碼）與2的補(bǔ)碼有符號(hào)數(shù)（原碼）的最高位（MSB）為符號(hào)位。 1——表示負(fù)數(shù) 0——表示正數(shù) *有符號(hào)數(shù)（原碼）“0”有兩種表示方法（+/-0）。 *有符號(hào)數(shù)（原碼）的運(yùn)算比較復(fù)雜，類似于正負(fù)數(shù)的筆算 ，先要比較兩個(gè)數(shù)絕對(duì)值的大小，然后確定如何計(jì)算，最 后在確定符號(hào)位。2的補(bǔ)碼——Xcmp=2^n+X(n-字長位數(shù)） *性質(zhì)：正數(shù)的補(bǔ)碼與其原碼相同。負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼仍是負(fù)數(shù)，它是 將其原碼的符號(hào)位保持不變而將其數(shù)值部分求補(bǔ)得到。 “0”在補(bǔ)碼中的表示是唯一的。 *補(bǔ)碼的求法：一個(gè)負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼等于其原碼除符號(hào)位保持不變外 ，其余各位按位求反，再在最低位加1。 *補(bǔ)碼的運(yùn)算：符號(hào)位與數(shù)值位一樣參加運(yùn)算（若符號(hào)位有進(jìn)位 則丟棄）。 *溢出的判別：“雙高位判別法”

Cs：最高位（符號(hào)位）的進(jìn)位情況。若有進(jìn)位，Cs=1; Cp：數(shù)值部分的最高位的進(jìn)位情況。若有進(jìn)位，Cp=1;

Overflow=CsxorCp232的補(bǔ)碼表示方法對(duì)于2的補(bǔ)碼表示法，一個(gè)數(shù)符號(hào)位的位權(quán)值是-(2)^(M-1)，M是2進(jìn)制小數(shù)點(diǎn)左邊的位數(shù)。對(duì)于一個(gè)4.2型式的數(shù)字,符號(hào)位的位權(quán)值是-(2^3).

例子:

0101.01=0*(-8)+1*(4)+0*(2)+1*(1)+0*(1/2)+1*(1/4) =5.251101.01=1*(-8)+1*(4)+0*(2)+1*(1)+0*(1/2)+1*(1/4) =-2.752進(jìn)制小數(shù)點(diǎn)-2-13012-(2)22222符號(hào)位24小數(shù)與整數(shù)表示法?1.15型式的小數(shù)格式SFFFFFFFFFFFFFFF?SIIIIIIIIIIIIIII?小數(shù)點(diǎn)小數(shù)點(diǎn)?16.0型式的整數(shù)格式25DSP是針對(duì)小數(shù)表示型式 進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的DSP也支持整數(shù)表示型式

2616位二進(jìn)制數(shù)的表示范圍最大10進(jìn)制正數(shù)

(0x7FFF)

0.999969482421875

1.9999389648437503.9998779296875007.99975585937500015.99951171875000031.99902343750000063.998046875000000127.996093750000000255.992187500000000511.9843750000000001023.9687500000000002047.9375000000000004095.8750000000000008191.75000000000000016383.50000000000000032767.000000000000000最大10進(jìn)制負(fù)數(shù)(0x8000)

–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）為‘1’時(shí)的10進(jìn)制數(shù)值(0x0001)

0.000030517578125

0.0000610351562500.0001220703125000.0002441406250000.0004882812500000.0009765625000000.0019531250000000.0039062500000000.0078125000000000.0156250000000000.0312500000000000.0625000000000000.1250000000000000.2500000000000000.5000000000000001.000000000000000格式

1.152.143.134.125.116.107.98.89.710.611.512.413.314.215.116.0小數(shù)整數(shù)27不同數(shù)制表示實(shí)例+5V-5V0V0x7FFF0x00000x800012345格式0x7FFF

0x3FFF

0x0000

0xCCCD

0x80001)

2)

3)

4)

5)16.01.155V

2.5V

0V

-2.0V

-5.0V=32767->

=16383->

=0->

=-13107->

=-32768->0.999969482...->

0.499969482...->

0.0000000...->

-0.399993986...->

-1.0000000....->5V

2.5V

0V

-2.0V

-5.0V28有兩種將16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制數(shù)的方法，一種簡單，一種較復(fù)雜.復(fù)雜的方法:先將16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成2進(jìn)制數(shù).確定小數(shù)點(diǎn)的位置.將每一位的2進(jìn)制位數(shù)值乘以其響應(yīng)的位權(quán)值。例子:將0x2A00（以1.15、2的補(bǔ)碼格式表示）轉(zhuǎn)換10進(jìn)制數(shù)值0x2A00=0.010101000000000