第一章劉和平dsp課件

《DSP原理及應(yīng)用》

主講：黃燦水電話mail：fzu_cshuang@126.com基于TMS320LF240x系列選用教材：《DSP原理及電機(jī)控制應(yīng)用》

劉和平等，北京航空航天出版社，2006前導(dǎo)課程：微機(jī)原理、單片機(jī)原理 數(shù)字信號(hào)處理（DSP）理論教學(xué)：32學(xué)時(shí)實(shí)踐教學(xué)：4學(xué)時(shí)成績(jī)?cè)u(píng)定：期末考試：70%上機(jī)實(shí)驗(yàn)：10%考勤和作業(yè)：20%教材與主要參考書教材《DSP原理及電機(jī)控制應(yīng)用》.劉和平等編著.北京航空航天大學(xué)出版社，2006.11主要參考書《DSP基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)》.李哲英等編著.北京航空航天大學(xué)出版社，2002.6《TMS320F206DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用》.李剛編著.北京航空航天大學(xué)出版社，2002.5課堂授課時(shí)間分配:(32學(xué)時(shí))第1章TMS320LF240x概述 ——2第2章TMS320LF240x系列DSP內(nèi)部資源介紹 ——2第3章TMS320C240x尋址方式和指令系統(tǒng) ——6第4章CCS3.1集成調(diào)試環(huán)境 ——4第8章數(shù)字量（I/O）模塊 ——2第9章事件管理器模塊（EVM）

——8第10章AD轉(zhuǎn)換模塊 ——4第11章串行外設(shè)接口模塊(SPI) ——第12章串行通信接口模塊(SCI) ——第13章CAN控制器模塊 ——第14章應(yīng)用實(shí)例 ——4第1章TMS320LF240x概述1.1TMS320系列DSP概況1.2TMS320LF240x系列芯片概述1.3TMS320LF240x系列DSPCPU控制器功能結(jié)構(gòu)圖1.4TMS320LF240x系列DSP引腳功能介紹1.5TMS320LF240x系列DSP存儲(chǔ)器映射圖1.6TMS320LF240x系列DSP外設(shè)存儲(chǔ)器映射圖1.1TMS320系列DSP概況1.1TMS320系列DSP概況1.DSP與DSP技術(shù)☉DSP(DigitalSignalProcessing)----數(shù)字信號(hào)處理的理論和方法。☉DSP(DigitalSignalProcessor)----用于數(shù)字信號(hào)處理的可編程微處理器。☉DSP技術(shù)(DigitalSignalProcess)----是利用專門或通用數(shù)字信號(hào)處理芯片，通過數(shù)字計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)處理的方法與技術(shù)。

1.1TMS320系列DSP概況1.1TMS320系列DSP概況數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)框圖

1.1TMS320系列DSP概況2.CPU、MCU、DSP區(qū)別與聯(lián)系

20世紀(jì)70年代微處理器問世以來(lái)，一直沿著3個(gè)方向發(fā)展。這三類微處理器各有其特點(diǎn)。雖然在技術(shù)上不斷借鑒和交融，但又有各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域。☉CPU：微型計(jì)算機(jī)中央處理器。（如：奔騰等）☉DSP：可編程的數(shù)字信號(hào)處理器。

☉MCU：?jiǎn)纹⑿陀?jì)算機(jī)（如MCS-51，MCS-96等）1.1TMS320系列DSP概況3.DSP技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)領(lǐng)域☉理論：數(shù)字信號(hào)處理的理論和方法近年來(lái)得到迅速的發(fā)展，為各種實(shí)時(shí)處理的應(yīng)用提供方法基礎(chǔ)。如：聲音圖像壓縮編碼，加密解密，調(diào)制解調(diào)，智能天線。☉應(yīng)用：為了滿足市場(chǎng)需求，隨著微電子科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步，DSP的性能在迅速提高。如：時(shí)鐘頻率達(dá)到2GHz及以上，處理速度每秒90億次，32位浮點(diǎn)運(yùn)算，吞吐率達(dá)到2Gbit/s。☉兩者關(guān)系：理論推動(dòng)了應(yīng)用，應(yīng)用促進(jìn)理論的發(fā)展。

1.1TMS320系列DSP概況4.DSP的實(shí)現(xiàn)方法☉PC機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。☉PC機(jī)+專用處理機(jī)。☉專用DSP芯片。☉通用可編程DSP芯片。☉單片機(jī)（51、96系列等）。1.1TMS320系列DSP概況5.DSP系統(tǒng)與模擬信號(hào)處理系統(tǒng)相比的特點(diǎn)☉接口簡(jiǎn)單、方便☉精度高、抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好☉編程方便、易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法☉可程控☉集成方便1.1TMS320系列DSP概況6.DSP芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)

1.1TMS320系列DSP概況

（2）多總線結(jié)構(gòu)

多總線結(jié)構(gòu)可以保證在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)多次訪問程序空間和數(shù)據(jù)空間。如：TMS320C54x內(nèi)部有P、C、D、E4條總線(每條總線又包括地址總線和數(shù)據(jù)總線)，可以在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)從程序存儲(chǔ)器取1條指令、從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀2個(gè)操作數(shù)和向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫1個(gè)操作數(shù)，大大提高了DSP的運(yùn)行速度。1.1TMS320系列DSP概況

（3）流水線技術(shù)(pipeline)DSP處理器流水線技術(shù)是將各指令的各個(gè)步驟重疊起來(lái)執(zhí)行，而不是一條指令執(zhí)行完成之后，才開始執(zhí)行下一條指令。1.1TMS320系列DSP概況

（4）多處理單元

DSP內(nèi)部一般包括多個(gè)處理單元，如算術(shù)邏輯運(yùn)算單元(ALU)、輔助寄存器運(yùn)算單元(ARAU)、累加器(ACC)及硬件乘法器(MUL)等。它們可以在一個(gè)指令周期內(nèi)同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算。多處理單元結(jié)構(gòu)，特別適用于大量乘加操作的矩陣運(yùn)算、濾波、FFT、Viterbi譯碼等。1.1TMS320系列DSP概況

（5）指令周期短、功能強(qiáng)采用4μmNMOS制造工藝，早期DSP的指令周期約400ns，運(yùn)算速度為5MIPS。采用高性能CMOS制造工藝，其運(yùn)行速度更快。TMS320LF240x運(yùn)行速度可達(dá)30MIPS，使得指令周期縮短到30MHz。TMS320C54x運(yùn)行速度可達(dá)100MIPS。TMS320C6203的時(shí)鐘為300MHz，運(yùn)行速度達(dá)到2400MIPS。

DSP指令功能強(qiáng)大，一條特殊指令可完成十分復(fù)雜的功能。如：TMS320C54x中的FIRS和LMS指令，分別用于系數(shù)對(duì)稱的FIR濾波器和LMS算法。1.1TMS320系列DSP概況

（6）運(yùn)算精度高早期DSP的字長(zhǎng)為8位，后來(lái)逐步提高到16位、24位、32位。為防止運(yùn)算過程中溢出，有的累加器達(dá)到40位。浮點(diǎn)DSP提供了更大的動(dòng)態(tài)范圍，如TMS320C3x、TMS320C4x等。

1.1TMS320系列DSP概況

（7）豐富的集成外設(shè)片內(nèi)具有主機(jī)接口(HPI)

直接存儲(chǔ)器訪問控制器(DMAC)

外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展口 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊（A/D）串行通信口（SPI、SCI）中斷處理器（CPU）鎖相環(huán)時(shí)鐘產(chǎn)生器（PLL）測(cè)繪訪問口（實(shí)現(xiàn)符合IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)在片仿真）1.1TMS320系列DSP概況

（8）功耗低一般DSP芯片功耗為0.5～4W。采用低功耗技術(shù)的DSP芯片只有0.1W/3.3V、1.6V（電池供電），如：TMS3205510僅0.25mW，特別適用于便攜式數(shù)字終端。

1.1TMS320系列DSP概況7.DSP芯片的分類（1）按用途分類通用型DSP芯片（本課程主要討論的芯片）一般指可以用指令編程的DSP芯片，適合普通的DSP應(yīng)用，如TI公司的一系列DSP芯片屬于通用型DSP芯片。專用型DSP芯片為特定的DSP運(yùn)算而設(shè)計(jì)，如數(shù)字濾波、卷積和FFT等，通過加載數(shù)據(jù)、控制參數(shù)或在管腳上加控制信號(hào)的方法使其具有有限的可編程能力。如Motorola公司的DSP56200（FIR數(shù)字濾波）。

1.1TMS320系列DSP概況（2）按數(shù)據(jù)格式分定點(diǎn)DSP

數(shù)據(jù)以定點(diǎn)格式工作的DSP芯片稱為定點(diǎn)DSP芯片，該芯片簡(jiǎn)單、成本較低。兩種基本表示方法：

?整數(shù)表示方法：主要用于控制操作、地址計(jì)算和其他非信號(hào)處理的應(yīng)用。

?小數(shù)表示方法：主要用于數(shù)字和各種信號(hào)處理算法的計(jì)算中。定點(diǎn)表示并不意味著一定是整數(shù)表示。1.1TMS320系列DSP概況（2）按數(shù)據(jù)格式分浮點(diǎn)DSP

數(shù)據(jù)以浮點(diǎn)格式工作的DSP芯片稱為浮點(diǎn)DSP芯片，該芯片運(yùn)算精度高、運(yùn)行速度快。浮點(diǎn)數(shù)在運(yùn)算中，表示數(shù)的范圍由于其指數(shù)可自動(dòng)調(diào)節(jié)，因此可避免數(shù)的規(guī)格化和溢出等問題。但浮點(diǎn)DSP一般比定點(diǎn)DSP復(fù)雜，成本較高。1.1TMS320系列DSP概況8.DSP芯片的應(yīng)用☉通用數(shù)字信號(hào)處理☉語(yǔ)音識(shí)別與處理☉圖形/圖像處理☉儀器儀表

☉自動(dòng)控制☉醫(yī)學(xué)工程☉家用電器☉通信☉計(jì)算機(jī)☉國(guó)防軍事

1.1TMS320系列DSP概況9.DSP芯片的發(fā)展及趨勢(shì)

（1）DSP芯片的發(fā)展歷程

☉1978年第一片DSP誕生S2811(Microsystems公司AMI子公司)☉1986年以來(lái)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。☉現(xiàn)今：生產(chǎn)DSP廠家80多個(gè)，品種300多種。市場(chǎng)份額： TI公司60%；AD公司15%；

Motorola10%；Lucent5%；

1.1TMS320系列DSP概況（2）國(guó)內(nèi)DSP的發(fā)展概況 ☉1983年引進(jìn)（TMS32010） ☉我國(guó)DSP產(chǎn)品主要來(lái)自海外。TI公司的產(chǎn)品約占國(guó)內(nèi)DSP市場(chǎng)的90%，其余為L(zhǎng)ucent、AD、Motorola、ZSP和NEC等公司。 ☉國(guó)內(nèi)較知名的公司：北京“聞亭”、“合眾達(dá)”等。DSP開發(fā)工具

/DSP硬件平臺(tái)開發(fā)

/DSP應(yīng)用軟件開發(fā)/DSP解決方案技術(shù)支持1.1TMS320系列DSP概況（3）TI公司DSP芯片簡(jiǎn)介

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第一代：TMS32010及其系列產(chǎn)品（1982年）

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第二代：TMS320C20、TMS320C25/C26/C28

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第三代：TMS320C30/C31/C32，

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第四代：TMS320C40/C44，

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第五代：TMS320C50/C51/C52/C53/C54和集多個(gè)

DSP于一體的高性能DSP芯片TMS320C80/C82等

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第六代：TMS320C62x/C67x等,代表DSP頂尖水平

1.1TMS320系列DSP概況TMS320系列DSP發(fā)展歷程1.1TMS320系列DSP概況1.C1x系列簡(jiǎn)介?C1x是TMS320系列DSP的首要成員，包括C10、C14、C15、C16和C17五個(gè)版本。?C1x是市場(chǎng)上最便宜的DSP之一，主要應(yīng)用于防抱死制動(dòng)、音樂器材、能量測(cè)量、馬達(dá)控制和數(shù)字無(wú)磁帶應(yīng)答機(jī)等領(lǐng)域。1.1TMS320系列DSP概況2.C2x系列簡(jiǎn)介

?C2x系列DSP控制器，具有很好的性能，集成了Flash存儲(chǔ)器、高速A/D、CAN模塊等。

?C2x系列DSP芯片價(jià)格低，具有較高的性能和適用于數(shù)字化控制領(lǐng)域的功能。因此在工業(yè)自動(dòng)化、電動(dòng)機(jī)控制、家用電器和消費(fèi)電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。1.1TMS320系列DSP概況3.C2xx系列簡(jiǎn)介

?TMS320C2xx系列DSP是C2x的一個(gè)升級(jí)版本，它的指令周期縮減到25~50ns，增加了基于JTAG的仿真，有多達(dá)4.5K的片內(nèi)數(shù)據(jù)/程序RAM。

?主要面向計(jì)算機(jī)、工業(yè)、用戶終端和電話等新的DSP應(yīng)用。1.1TMS320系列DSP概況4.C5x系列簡(jiǎn)介

C5x系列DSP芯片包括C54x和C55x兩大類

?C54x：具有高度的操作靈活性和運(yùn)行速度。其結(jié)構(gòu)采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專用硬件邏輯的CPU，片內(nèi)存儲(chǔ)器，片內(nèi)外設(shè)，以及一個(gè)效率很高的指令集。該16位定點(diǎn)DSP，適應(yīng)遠(yuǎn)程通信等實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用需要。1.1TMS320系列DSP概況

?C55x：是C5000系列DSP中的子系列，是從C54x發(fā)展起來(lái)的，并與之原代碼兼容。

C55x工作在0.9V時(shí)，功耗低至0.005mW/MIPS。工作在400MHz鐘頻時(shí)，可達(dá)800MIPS。和120MHz的C54相比，300MHz的C55x性能提高5倍，功耗為C54系列的1/6。因此，C55x非常適合個(gè)人的和便攜式的應(yīng)用，以及數(shù)字通信設(shè)施的應(yīng)用。

1.1TMS320系列DSP概況5.C6x系列簡(jiǎn)介

TMS320C6x系列是TI公司從1997年推出。采用TI的專利技術(shù)VeloiTI和新的超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)。

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第一款芯片’C6201，在200MHz鐘頻時(shí)，達(dá)到1600MIPS。

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2000年以后推出的’C64x，在鐘頻1.1GHz時(shí)，可以達(dá)到8800MIPS以上，即每秒執(zhí)行近90億條指令。片內(nèi)DMA引擎和64個(gè)獨(dú)立的通道，使其I/O帶寬達(dá)到2GB/s。

1.1TMS320系列DSP概況C6x推出了C62x/C67x/C64x等3個(gè)子系列。

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C62x是TI公司于1997年開發(fā)的一種新型定點(diǎn)DSP芯片。可同時(shí)執(zhí)行8條指令，其運(yùn)算能力可達(dá)2400MIPS。

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C67x是一種新型浮點(diǎn)DSP芯片。可同時(shí)執(zhí)行8條指令，其運(yùn)算能力可達(dá)1GFLOPS。

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C64x是C6000系列中最新的高性能定點(diǎn)DSP芯片，可以提供超過2GB/s的持續(xù)帶寬。與C62x相比，C64x的總性能提高了10倍。1.1TMS320系列DSP概況TMS320C6x系列主要應(yīng)用

1)數(shù)字通信適合于FFT/IFFT，Read-Solomon編解碼，循環(huán)回聲綜合濾波器，星座編解碼，卷積編碼，Viterbi解碼等信號(hào)處理算法的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。如

?ADSL(非對(duì)稱數(shù)字用戶線)，

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線纜調(diào)制解調(diào)器(cablemodem)

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移動(dòng)通信（移動(dòng)電話基站、3G基站里的收發(fā)器、智能天線、）1.1TMS320系列DSP概況2)圖像處理

C6x系列DSP廣泛地應(yīng)用在圖像處理領(lǐng)域。例如，數(shù)字電視、數(shù)字照相機(jī)與攝像機(jī)、打印機(jī)、數(shù)字掃描儀、雷達(dá)/聲吶及醫(yī)用圖像處理等，在這些應(yīng)用中，DSP用來(lái)做圖像壓縮、圖像傳輸、模式及光學(xué)特性識(shí)別、加密/解密及圖像增強(qiáng)等。

1.2TMS320LF240x系列芯片概述1.2TMS320LF240x系列芯片概述1.2TMS320LF240x系列芯片概述1、TMS320LF240x系列是TMS320C2x家族中功能強(qiáng)大的DSP芯片，是為了滿足控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。2、高性能、高速度：集成了高性能的DSP內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外設(shè)；每秒3000萬(wàn)條指令(30MIPS)的處理速度。（LF2407可達(dá)40MIPS，時(shí)鐘周期25ns）3、LF240xDSP的16位定點(diǎn)