數(shù)字信號處理課件1

1DSP技術(shù)及應(yīng)用劉君DigitalSignalProcessor數(shù)字信號處理器2主要內(nèi)容第一章DSP技術(shù)概述第二章DSP芯片結(jié)構(gòu)介紹（TMS320C54X）第三章DSP硬件系統(tǒng)設(shè)計（TMS320C54X）第四章DSP指令系統(tǒng)及特點第五章DSP軟件開發(fā)過程第六章匯編語言編程舉例第七章DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS及其使用3第一章DSP技術(shù)概述第三節(jié)DSP芯片的選擇第一節(jié)DSP系統(tǒng)概述第四節(jié)DSP芯片技術(shù)的發(fā)展

第二節(jié)DSP芯片的主要優(yōu)點與應(yīng)用領(lǐng)域

4序論強調(diào)的是對以數(shù)字形式表現(xiàn)的信號進行處理和研究的方法。是一門涉及許多學科且廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學科。什么是DSP？DSP包括兩層概念:1.數(shù)字信號處理（DigitalSignalProcessing——DSP）5《DSP技術(shù)及應(yīng)用》課程屬于這一層概念，所涉及內(nèi)容為如何利用DSP芯片進行數(shù)字信號的處理。研究的內(nèi)容為DSP芯片的結(jié)構(gòu)和特點，如何通過程序編寫，實現(xiàn)對數(shù)字信號的處理。2.數(shù)字信號處理器（DigitalSignalProcessor——DSP）強調(diào)的是通過專用集成電路芯片，利用數(shù)字信號處理理論，在芯片上運行目標程序，實現(xiàn)對信號的某種處理。6數(shù)學工具：微積分、復(fù)變函數(shù)、概率統(tǒng)計、隨機過程、數(shù)值分析、高等代數(shù)、線性代數(shù)、泛函數(shù)等。基礎(chǔ)理論：網(wǎng)絡(luò)理論、信號與系統(tǒng)、現(xiàn)代控制理論（包括人工智能、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制）、現(xiàn)代通信理論、故障理論和現(xiàn)代測量等。數(shù)字信號處理的理論基礎(chǔ)：71.在通用的微型計算機（PC機）上用軟件（如C、Fortran語言）實現(xiàn)。

缺點是：速度慢2.用單片機（如MCS-51、96系列等）實現(xiàn)。

缺點是：只用于簡單數(shù)字信號處理。3.用通用的可編程DSP芯片實現(xiàn)。DSP芯片有更適合于數(shù)字信號處理的軟件和硬件資源，非常適合于通用數(shù)字信號處理的開發(fā)，為數(shù)字信號處理的應(yīng)用打開了新局面。

數(shù)字信號處理的實現(xiàn)方法：84.用于極高速信號處理的專用DSP芯片。缺點：靈活性差，開發(fā)工具不完善。5.在通用的計算機系統(tǒng)中加上加速卡實現(xiàn)。

缺點：需核心含DSP的用戶加速卡。6.用FPGA等產(chǎn)品實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法。缺點：專用性太強，而且這種方法的研發(fā)工作也主要不是由一般的用戶來完成的。9第一節(jié)DSP系統(tǒng)概述DSP系統(tǒng)模擬系統(tǒng)數(shù)字信號模擬信號實時處理模擬器件FPGA/CPLDDSP芯片強調(diào)控制運算過程10一、DSP系統(tǒng)的特點

1.精度高難17位字長模擬網(wǎng)絡(luò)元件（R、L、C等）模擬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)DSP、D/A精度10-3精度10-3112.可靠性強信號信號放大器A放大器B計算機A計算機B只要誤差不超過0、1判決電平A、B結(jié)果可能不同A、B結(jié)果果相同123.集成度高

表面貼裝ASIC芯片DSP系統(tǒng)DSPCPLDFPGA開發(fā)壓縮體積降低成本134.接口方便以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是兼容的，系統(tǒng)接口方便。5.靈活性好

DSP系統(tǒng)DSPCPLDFPGA可編程可編程可編程改變軟件不同的功能硬件更簡單DSP系統(tǒng)開發(fā)周期大大縮短146.保密性好

DSP系統(tǒng)DSPCPLDFPGA保密性好保密性好保密性好隱蔽內(nèi)部總線地址變化做成ASIC保密性能幾乎無懈可擊157.時分復(fù)用

系統(tǒng)n信道1信道2信道n信號的采樣頻率與DSP系統(tǒng)的運算速度相比較低的場合。實時性要求不高的場合。

應(yīng)用場合系統(tǒng)2系統(tǒng)1DSP系統(tǒng)16二、DSP系統(tǒng)的設(shè)計思路抗混疊濾波器A/DD/ADSP芯片平滑濾波器輸入輸出典型的DSP系統(tǒng)17

DSP系統(tǒng)的處理過程：

①將輸入信號x(t)進行抗混疊濾波，濾掉高于折疊頻率的分量，以防止信號頻譜的混疊；

②經(jīng)采樣和A/D轉(zhuǎn)換器，將濾波后的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號x(n)；

③數(shù)字信號處理器對x(n)進行處理，得數(shù)字信號y(n)；

④經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器，將y(n)轉(zhuǎn)換成模擬信號；

⑤經(jīng)平滑濾波器，濾除高頻分量，得到平滑的模擬信號y(t)。18DSP系統(tǒng)設(shè)計前：明確設(shè)計任務(wù)給出設(shè)計任務(wù)書

功能描述準確功能描述清楚描述的方式

人工語言流程圖算法描述

將設(shè)計任務(wù)書轉(zhuǎn)化為量化的技術(shù)指標。

1.總體方案設(shè)計

DSP應(yīng)用定義系統(tǒng)性能指標選擇DSP芯片軟件編程硬件設(shè)計軟件調(diào)試硬件調(diào)試系統(tǒng)集成系統(tǒng)調(diào)試19技術(shù)指標的確定

系統(tǒng)采樣頻率

信號頻率

最復(fù)雜的算法所需最大時間

對實時程度的要求

片內(nèi)、外RAM的容量

數(shù)量及程序的長短16、32位定點、浮點運算系統(tǒng)所要求的精度輸入輸出端口要求計算、控制選定DSP芯片型號

20成本供貨能力技術(shù)支持開發(fā)系統(tǒng)體積功耗工作環(huán)境溫度DSPA/DD/ARAM性能指標其它因素的考慮21總體設(shè)計

算法仿真高級語言Matlab最佳算法初步參數(shù)系統(tǒng)初步分工軟件硬件222.軟件設(shè)計階段源程序匯編器匯編目標文件鏈接器連接

調(diào)試器調(diào)試代碼轉(zhuǎn)換C語言匯編語言混合語言代碼寫入EEPROM可執(zhí)行文件軟件仿真反復(fù)

233.硬件設(shè)計階段確定最優(yōu)硬件實現(xiàn)方案畫出硬件系統(tǒng)框圖性能指標工期成本等硬件實現(xiàn)方案器件的選型DSP芯片、A/DD/A、內(nèi)存、電源、邏輯控制、通信、人機接口、總線等24DSP芯片

根據(jù)是用于控制還是計算目的，選擇：不同的廠商不同系列不同工作頻率不同工作電壓不同工作溫度采用定點或浮點型芯片器件的選型原則25器件的選型原則A/D變換D/A變換根據(jù)采樣頻率、精度：確定A/D型號是否要求片上自帶采樣保持器多路器基準電源等。

根據(jù)信號頻率、精度：是否要求基準電源多路器輸出運放等。

26存儲器RAM、EPROM（或EEPROM、FlashMemory），主要考慮：工作頻率內(nèi)存容量位長（8位/16位/32位）接口方式（串行/并行）、工作電壓（5V/3.3V或其他）。器件的選型原則27邏輯控制先確定所用器件，如PLD、EPLD或FPGA；再根據(jù)自己的特長和公司芯片的特點決定采用哪家公司的哪一系列產(chǎn)品；最后根據(jù)DSP芯片的頻率決定芯片的工作頻率，并以此來確定使用的芯片。器件的選型原則28通信接口根據(jù)與其他系統(tǒng)通信的速率決定采用的通信方式：串口并口總線器件的選型原則29總線選擇根據(jù)使用場合、數(shù)據(jù)傳輸速率的高低（總線寬度、頻率高低、同步方式等）選擇：PCIISA現(xiàn)場總線器件的選型原則30器件的選型原則人機接口電源選取可以通過單片機構(gòu)成通信，也可在DSP的基礎(chǔ)上直接構(gòu)成。鍵盤顯示器等

主要考慮電壓的高低和電壓的大小。電壓高低要匹配電流容量要足夠31必須清楚了解器件的使用和系統(tǒng)的開發(fā)，對于關(guān)鍵環(huán)節(jié)要做仿真。原理圖設(shè)計PCB板設(shè)計

要求DSP系統(tǒng)設(shè)計人員既要熟悉系統(tǒng)工作原理，又要清楚布線工藝和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

軟、硬件調(diào)試

借助仿真工具或開發(fā)工具進行軟、硬件仿真調(diào)試時，往往要反復(fù)多次調(diào)試。324.系統(tǒng)集成系統(tǒng)集成：是將軟硬件結(jié)合起來，并組合成樣機，在實際系統(tǒng)中運行，進行系統(tǒng)測試。如果系統(tǒng)測試結(jié)果符合設(shè)計指標，則樣機設(shè)計完畢。但由于在軟硬件調(diào)試階段調(diào)試的環(huán)境是模擬的，因此在系統(tǒng)測試時往往會出現(xiàn)一些問題，應(yīng)找出原因，不斷改進。33第二節(jié)DSP芯片的主要優(yōu)點與應(yīng)用領(lǐng)域一、DSP芯片的優(yōu)點

1．哈佛結(jié)構(gòu)2．多總線結(jié)構(gòu)和多處理單元3.流水線技術(shù)4．特殊的DSP指令5．指令周期短6.運算精度高7.硬件配置強8.耗電省34二、DSP芯片的主要應(yīng)用領(lǐng)域據(jù)預(yù)測，到2007年，DSP的市場將達到500億美元。目前DSP的應(yīng)用主要包括如下方面：

（1）信號處理

如數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、快速傅里葉變換、希爾伯特變換、小波變換、相關(guān)運算、譜分析、卷積、模式匹配、加窗、波形產(chǎn)生等。35（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、個人通信系統(tǒng)、移動通信、個人數(shù)字助手（PDA）、X.25分組交換開關(guān)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、揚聲器檢驗、文本轉(zhuǎn)語音等。36（4）軍事

如保密通信、雷達處理、聲納處理、圖像處理、射頻調(diào)制解調(diào)、導航、導彈制導等。（5）圖形與圖像

如二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像增強、動畫與數(shù)字地圖、機器人視覺、模式識別、工作站等。（6）儀器儀表

如頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、鎖相環(huán)、地震處理、數(shù)字濾波、模式匹配、暫態(tài)分析等。37（7）自動控制

如引擎控制、聲控、機器人控制、磁盤控制器、激光打印機控制、電動機控制等。（8）醫(yī)療

助聽器、超聲設(shè)備、診斷工具、病人監(jiān)護、胎兒監(jiān)控、修復(fù)手術(shù)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)字電話與電視、電動工具、固態(tài)應(yīng)答機等。（10）汽車

如自適應(yīng)駕駛控制、防滑制動器、發(fā)動機控制、導航及全球定位、振動分析、防撞雷達等。38DSP芯片的分類按基礎(chǔ)特性分（工作主頻和指令類型）：靜態(tài)DSP和一致性DSP按數(shù)據(jù)格式分： 定點DSP和浮點DSP按用途分： 通用型和專用型第三節(jié)DSP芯片的選擇與分類39設(shè)計DSP應(yīng)用系統(tǒng)，選擇DSP芯片是非常重要的一個環(huán)節(jié)。只有選定了DSP芯片才能進一步設(shè)計其外圍電路及系統(tǒng)的其它電路。選擇原則：根據(jù)實際應(yīng)用系統(tǒng)需要、應(yīng)用場合、目的，選擇滿足所需功能、成本低、耗電小、使用方便、有技術(shù)支持、升級方便的芯片。如何選擇DSP芯片401．TI公司的DSP芯片TI公司常用的DSP芯片可以歸納為三大系列：（1）TMS320C2000系列，稱為DSP控制器，集成了flash存儲器、高速A/D轉(zhuǎn)換器以及可靠的CAN模塊及數(shù)字馬達控制的外圍模塊，適用于三相電動機、變頻器等高速實時工控產(chǎn)品等需要數(shù)字化的控制領(lǐng)域。（2）TMS320C5000系列，這是16位定點DSP。主要用于通信領(lǐng)域，如IP電話機和IP電話網(wǎng)關(guān)、數(shù)字式助聽器、便攜式聲音/數(shù)據(jù)/視頻產(chǎn)品、調(diào)制解調(diào)器、手機和移動電話基站、語音服務(wù)器、數(shù)字無線電、小型辦公室和家庭辦公室的語音和數(shù)據(jù)系統(tǒng)。一、主要的DSP芯片種類41（3）TMS320C6000系列DSP

采用新的超長指令字結(jié)構(gòu)設(shè)計芯片。其中2000年以后推出的C64x，在時鐘頻率為1.1GHz時，可達到8800MIPS以上，即每秒執(zhí)行90億條指令。其主要應(yīng)用領(lǐng)域為：1）數(shù)字通信完成FFT、信道和噪聲估計、信道糾錯、干擾估計和檢測等。2）圖像處理完成圖像壓縮、圖像傳輸、模式及光學特性識別、加密/解密、圖像增強等。422．AD公司的DSP芯片特點：系統(tǒng)時鐘一般不經(jīng)分頻直接使用。定點DSP芯片的程序字長為24位，數(shù)據(jù)字長為16位。一般具有2個串行口、1個內(nèi)部定時器和3個以上的外部中斷源，此外還提供8位EPROM程序引導方式。浮點DSP芯片，程序存儲器為48位，數(shù)據(jù)存儲器為40位，支持32位單精度和40位擴展精度的IEEE浮點格式，內(nèi)部具有32×48位的程序Cache，有3至4個外部中斷源。43AD的BLACKFINADSP-21535443．AT&T公司的DSP芯片

定點DSP芯片的程序和數(shù)據(jù)字長均為16位，有2個精度為36位的累加器，具有1個深度為15字的指令Cache，片內(nèi)具有2K字的程序ROM和512字的數(shù)據(jù)RAM。浮點DSP芯片，80/100ns的指令周期，片內(nèi)具有3個512字的RAM塊，或2個512字的RAM塊加1個4K字的ROM塊?？梢詫ぶ?M字的外部存儲器。具有4個40位精度的累加器和22個通用寄存器。45LUCENT用STARCORE開發(fā)的新DSP464．Motorola公司的DSP芯片定點DSP芯片程序和數(shù)據(jù)字長為24位，有2個精度為36位的累加器。浮點DSP芯片，累加器精度達96位，可支持雙精度浮點數(shù)，該芯片的指令周期為50/60/74ns。內(nèi)部具有10個96位或32位基于寄存器的累加器。適合于自適應(yīng)濾波的專用定點DSP芯片，程序字長和數(shù)據(jù)字長分別為24位和16位，累加器精度為40位。47485．其他公司NEC公司的μPD77C25、μPD77220定點DSP芯片和μPD77240浮點DSP芯片等。LUCENT的DSP1600等，INTEL也有自己的DSP產(chǎn)品。

INTEL&AD的新DSPCORE491．DSP芯片的運算速度

MAC時間：一次乘法和一次加法的時間。大部分DSP芯片可在一個指令周期內(nèi)完成一次乘法和一次加法操作。FFT執(zhí)行時間：運行一個N點FFT程序所需時間。由于FFT運算在數(shù)字信號處理中很有代表性，因此FFT運算時間常作為衡量DSP芯片運算能力的一個指標。MIPS：每秒執(zhí)行百萬條指令。MOPS：每秒執(zhí)行百萬次操作。MFLOPS：每秒執(zhí)行百萬次浮點操作。BOPS：每秒執(zhí)行十億次操作。二、選擇芯片考慮的因素502．DSP芯片的價格如果采用價格昂貴的DSP芯片，即使性能再好，其應(yīng)用范圍也受到一定限制，尤其是民用產(chǎn)品。

3．DSP芯片的硬件資源不同DSP芯片所提供的硬件資源不同，如片內(nèi)RAM、ROM的數(shù)量，外部可擴展的程序和數(shù)據(jù)空間，總線接口、I/O接口等。

4．DSP芯片的運算精度一般的定點DSP芯片字長為16位，少數(shù)24位。浮點芯片的字長一般為32位，累加器為40位。515．DSP芯片的開發(fā)工具在DSP系統(tǒng)的開發(fā)過程中，如果沒有開發(fā)工具的支持，要想開發(fā)一個復(fù)雜的DSP系統(tǒng)幾乎是不可能的。功能強大的開發(fā)工具，可使開發(fā)時間大大縮短。6．DSP芯片的功耗

便攜式的DSP設(shè)備、手持設(shè)備、野外應(yīng)用的DSP設(shè)備等對功耗有特殊的要求。7．其他因素

除了上述因素外，還要考慮到封裝形式、質(zhì)量標準、供貨情況、生命周期等。52一般地講：定點DSP芯片的價格較便宜，功耗較低，但運算精度稍低。浮點DSP芯片的優(yōu)點是運算精度高，用C語言編程調(diào)試方便，但價格稍高，功耗較大。DSP應(yīng)用系統(tǒng)的運算量是確定選用DSP芯片處理能力的基礎(chǔ)。運算量小，則可選用處理能力不是很強的DSP芯片，降低系統(tǒng)成本。如果單片DSP芯片達不到要求，則需選用多個DSP芯片并行處理。53第四節(jié)DSP芯片技術(shù)的發(fā)展1978年，AMI公司生產(chǎn)的S2811；1979年美國Intel公司的商用可編程器件2920；這兩種是DSP芯片的一個主要里程碑。特點：沒有現(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μPD7720。特點：是第一片具有乘法器的商用DSP芯片。541982年，美國德州儀器公司（TexasInstruments——TI）推出第一代DSPTMS320010及其系列產(chǎn)品，目前已發(fā)展到第六代。TI公司的系列DSP產(chǎn)品已經(jīng)成為了當今世界最有影響的DSP芯片，其DSP市場占有量占全世界份額的近50%，成為世界上最大的DSP芯片供應(yīng)商。551982年，日本東芝公司推出浮點DSP芯片。1984年，AT&T公司推出DSP32，是較早的具備較高性能的浮點DSP芯片。1986年，Motorola公司推出了定點DSPMC56001。1990年，推出了與IEEE浮點格式兼容的浮點DSP芯片MC96002。美國模擬器件公司（AnalogDevices—AD）相繼推出了定點DSP芯片ADSP21xx系列，浮點DSP芯片ADSP210xx系列。5620多年來，DSP芯片得到了迅猛發(fā)展，主要體現(xiàn)在如下方面：1.在生產(chǎn)工藝上

采用1μm以下的CMOS制造工藝技術(shù)和砷化鎵集成電路制造技術(shù)，使集成度更高，功耗更低，從而使高頻、高速的DSP處理器得到更大的發(fā)展。2.基本結(jié)構(gòu)上以RISC結(jié)構(gòu)、單片并行計算機結(jié)構(gòu)為主導，脈沖陣列和數(shù)據(jù)流陣列也將成為并行處理器的主要體系結(jié)構(gòu)。設(shè)計、測試簡單，易模塊化，易于實現(xiàn)流水線操作和多處理器結(jié)構(gòu)。573.模擬/數(shù)字混合上集濾波、A/D、D/A及DSP處理于一體，將成為DSP發(fā)展的主要方向，是DSP廠商的主要增長點。4.DSP技術(shù)與ASIC技術(shù)融合上在DSP芯片中嵌入ASIC模塊，進一步擴大DSP邏輯控制功能。5.代碼兼容性上將推出更新的、更強大的優(yōu)化C編譯器來適應(yīng)不同型號的DSP代碼生成，各種DSP的開發(fā)、加速、并行處理插件板也將大量涌現(xiàn)。58第五節(jié)DSP應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)工具

開發(fā)工具的好壞對代碼的長度、代碼的執(zhí)行速度起著關(guān)鍵的作用，開發(fā)工具的功能是否齊全，使用是否方便，在很大程度上將影響DSP系統(tǒng)的開發(fā)周期以及產(chǎn)品上市時間。由于不同廠商、不同系列的DSP都有自己的開發(fā)工具，因此開發(fā)工具的選擇也是重要的一環(huán)。59代碼產(chǎn)生工具對用戶開發(fā)的高級語言或匯編語言源代碼進行編譯，生成可以在目標DSP上運行的可執(zhí)行代碼。代碼調(diào)試工具根據(jù)調(diào)試者的命令觀察DSP的狀態(tài)，控制DSP代碼的執(zhí)行，進行結(jié)果顯示，對用戶的代碼進行調(diào)試或性能測試。DSP的開發(fā)工具601.代碼產(chǎn)生工具（1）TMS320優(yōu)化C編譯器（OptimizingANSICCompilers）C編譯器的輸入是C語言源代碼，輸出為TMS320匯編代碼，它用于把符合ANSI標準的C代碼轉(zhuǎn)換為目標DSP匯編代碼，使用戶可以用C語言編寫代碼。并且，配套的代碼調(diào)試工具支持C代碼的源碼調(diào)試。TI公司的編譯器支持除TMS320C1x外的所有DSP產(chǎn)品。TI公司的開發(fā)工具61（2）TMS320匯編器、連接器（Assembler、Linker）

匯編器和連接器用于把匯編代碼轉(zhuǎn)換為可在目標DSP上運行的可執(zhí)行目標代碼。支持宏匯編和目標庫，產(chǎn)生的目標代碼可重新定位，在程序地址空間中的具體地址可變。其中匯編器用于把匯編語言文件轉(zhuǎn)換成機器語言的目標文件。連接器用于把多個目標文件連接成可執(zhí)行的目標代碼。在連接過程中，連接器完成目標代碼