湖南文理学院电信学院 DSP技术 叶华DSP 技术湖南文理学院电信学院 DSP技术 叶华第1章： TMS320LF240x概述1.1 DSP概况1.2 TMS320LF240x芯片概述1.3 TMS320LF240x DSP CPU控制器的功能结构图1.4 TMS320LF240x DSP 引脚功能介绍1.5 TMS320LF240x DSP 存储器映射图湖南文理学院电信学院 DSP技术 叶华第1章： TMS320LF240x概述重点：DSP 的工作原理、特点；TMS320LF240x DSP CPU控制器的功能结构图；TMS320LF240x DSP 引脚功能； TMS320LF240x DSP存储器映射图难点：TMS320LF240x DSP 控制器功能及工作特点的理解湖南文理学院电信学院 DSP技术 叶华1.1.1 1.1.1 什么是什么是DSPDSPDSPDigital Signal ProcessingDigital Signal Processor?DSP（数字信号处理）是一门涉及多门学科并广泛应用于 很多科学和工程领域的新兴学科。 数字信号处理包括两个方面的内容:1. 算法的研究 2数字信号处理的实现 1.1 DSP概况湖南文理学院电信学院 DSP技术 叶华1.1.2 DSP1.1.2 DSP技术的发展及现状技术的发展及现状退出DSP芯片是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，主要用于实 时快速实现各种数字信号处理的算法。20世纪80年代以前，由于受实现方法的限制,数字信号处理的理论还不能得 到广泛的应用。直到世界上第一块DSP芯片的诞生，才使理论研究成果广泛应用 到实际的系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。DSP芯片的诞生及发 展对近20年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。 DSP芯片诞生于20世纪70年代末，经历了以下三个阶段。第一阶段，DSP的雏形阶段（1980年前后）。 1978年AMI公司生产出第一片DSP芯片S2811。1979年美国Intel公司发布了商用可编程DSP器件Intel2920,由于内部没有 单周期的硬件乘法器，使芯片的运算速度、数据处理能力和运算精度受到了很 大的限制。运算速度大约为单指令周期200250ns，应用领域仅局限于军事或 航空航天部门。1）DSP技术的发展湖南文理学院电信学院 DSP技术 叶华第二阶段，DSP的成熟阶段（1990年前后）。 硬件结构上更适合数字信号处理的要求，能进行硬件乘法、 硬件FFT变换和单指令滤波处理，其单指令周期为80100ns。如TI公司的TMS320C20，它是该公司的第二代DSP器件,采用了CMOS制造工艺，其存储容量和运算速度成倍提高，为语音处理 、图像硬件处理技术的发展奠定了基础。20世纪80年代后期，以TI公司的TMS320C30为代表的第三代DSP芯片问世，伴随着运算速度的进一步提高，其应用范围逐步 扩大到通信、计算机领域。这个时期的器件主要有:TI公司的TMS320C20、30、40、50系 列，Motorola公司的DSP5600、9600系列，AT&T公司的DSP32等。 1.1.2 DSP1.1.2 DSP技术的发展及现状技术的发展及现状湖南文理学院电信学院 DSP技术 叶华第三阶段，DSP的完善阶段（2000年以后）。 这一时期各DSP制造商不仅使信号处理能力更加完善,而且使 系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步降低、 成本不断下降。尤其是各种通用外设集成到片上,大大地提高了数 字信号处理能力。这一时期的DSP运算速度可达到单指令周期10ns 左右，可在Windows环境下直接用C语言编程,使用方便灵活，使 DSP芯片不仅在通信、计算机领域得到了广泛的应用，而且逐渐渗 透到人们日常消费领域。目前,DSP芯片的发展非常迅速。硬件方面主要是向多处理器 的并行处理结构、便于外部数据交换的串行总线传输、大容量片 上RAM和ROM、程序加密、增加I/O驱动能力、外围电路内装化、低 功耗等方面发展。软件方面主要是综合开发平台的完善，使DSP的 应用开发更加灵活方便。 1.1.2 DSP1.1.2 DSP技术的发展及现状技术的发展及现状湖南文理学院电信学院 DSP技术 叶华1.1.2 DSP1.1.2 DSP技术的发展及现状技术的发展及现状湖南文理学院电信学院 DSP技术 叶华2）DSP技术的现状1.1.2 DSP1.1.2 DSP技术的发展及现状技术的发展及现状（1）制造工艺 早期DSP采用4m的NMOS工艺。现在的DSP芯片普遍采用 0.25m或0.18m亚微米的CMOS工艺。芯片引脚从原来的40个增 加到200个以上，需要设计的外围电路越来越少，成本、体积和功 耗不断下降。 （2）存储器容量 早期的DSP芯片，其片内程序存储器和数据存储器只有几百 个单元。目前，片内程序和数据存储器可达到几十K字，而片外 程序存储器和数据存储器可达到16M48位和4G40位以上。 （3）内部结构 目前，DSP内部均采用多总线、多处理单元和多级流水线 结构，加上完善的接口功能，使DSP的系统功能、数据处理能 力和与外部设备的通信功能都有了很大的提高。 湖南文理学院电信学院 DSP技术 叶华2）DSP技术的现状1.1.2 DSP1.1.2 DSP技术的发展及现状技术的发展及现状（4 4）运算速度）运算速度 近20年的发展，使DSP的指令周期从400ns缩短到10ns以下， 其相应的速度从2.5MIPS提高到2000MIPS以上。（5 5）高度集成化）高度集成化 集滤波、A/D、D/A、ROM、RAM和DSP内核于一体的模拟 混合式DSP芯片已有较大的发展和应用。 （6 6）运算精度和动态范围）运算精度和动态范围 DSP的字长从8位已增加到32位，累加器的长度也增加到40 位，从而提高了运算精度。同时，采用超长字指令字（VLIW） 结构和高性能的浮点运算，扩大了数据处理的动态范围。 （7 7）开发工具）开发工具 具有较完善的软件和硬件开发工具，如：软件仿真器 Simulator、在线仿真器Emulator、C编译器和集成开发环境等， 给开发应用带来很大方便。 湖南文理学院电信学院 DSP技术 叶华*3）DSP技术的发展趋势1.1.2 DSP1.1.2 DSP技术的发展及现状技术的发展及现状（1 1）DSPDSP的内核结构将进一步改善的内核结构将进一步改善 多通道结构和单指令多重数据（SIMD）、特大指令字组（ VLIM）将在新的高性能处理器中占主导地位，如AD公司的 ADSP-2116x。 （2 2）DSP DSP 和微处理器的融合和微处理器的融合 微处理器MPU：是一种执行智能定向控制任务的通用处理 器，它能很好地执行智能控制任务，但是对数字信号的处理功能 很差。 DSP处理器：具有高速的数字信号处理能力。 在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种 功能。将DSP和微处理器结合起来，可简化设计，加速产品的开发 ，减小PCB体积，降低功耗和整个系统的成本。 湖南文理学院电信学院 DSP技术 叶华*3）DSP技术的发展趋势1.1.2 DSP1.1.2 DSP技术的发展及现状技术的发展及现状（3 3）DSPDSP的并行处理结构的并行处理结构 为了提高DSP芯片的运算速度，各DSP厂商纷纷在DSP芯片中 引入并行处理机制。这样，可以在同一时刻将不同的DSP与不同 的任一存储器连通，大大提高数据传输的速率。 （4 4）功耗越来越低）功耗越来越低 随着超大规模集成电路技术和先进的电源管理设计技术的发随着超大规模集成电路技术和先进的电源管理设计技术的发 展，展，DSPDSP芯片内核的电源电压将会越来越低。芯片内核的电源电压将会越来越低。 总之，对于高速、高密度数据处理应用，DSP将向多核转 变，目前已经有一款6核方案，在未来25年可能一个DSP芯片将 集成百个处理器。 而对于那些不属于高密度的应用，DSP将来的发展方向是 SoC。这些新的SoC集成系统将在系统处理器(如ARM)的控制下 ，同时使用可编程DSP和可配置DSP加速器，它们将成为许多创 新性产品的开发平台。 可编程SoC是未来DSP的生存之道。湖南文理学院电信学院 DSP技术 叶华1.1.3 DSP1.1.3 DSP的应用的应用随着随着DSPDSP芯片价格的下降，性能价格比的提高，芯片价格的下降，性能价格比的提高，DSPDSP芯片芯片具有巨大的应用潜力。具有巨大的应用潜力。主要应用：主要应用： 1. 1. 信号处理信号处理 2. 2. 通通 信信3. 3. 语语 音音4. 4. 图像处理图像处理5. 5. 军军 事事6. 6. 仪器仪表仪器仪表7. 7. 自动控制自动控制8. 8. 医疗工程医疗工程9. 9. 家用电器家用电器10. 10. 计计 算算 机机如：数字滤波、自适应滤波、快速傅氏变换、Hilbert变换、相关运算、频谱分析、卷 积、模式匹配、窗函数、波形产生等； 如：调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、移动通信、纠错编译码、可视电话、路由器等； 如：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音存储、文本语音转换等； 如：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像鉴别、图像增强、图像转换、模式识别、动画、电子地图、机器人视觉等； 如：保密通信雷达处理声纳处理导航导弹制导电子对抗全球定位GPS搜索与跟踪情报收集与处理等 如：频谱分析、函数发生、数据采集、锁相环、模态分析、暂态分析、石油/地质勘探、地震预测与处理等； 如：引擎控制声 控发动机控制自动驾驶机器人控制磁盘/光盘伺服控制神经网络控制等如：助听器X-射线扫描心电图/脑电图超声设备核磁共振诊断工具病人监护等 如：高保真音响音乐合成音调控制玩具与游戏数字电话/电视高清晰度电视HDTV变频空调机顶盒等 如：震裂处理器图形加速器工作站多媒体计算机等 湖南文理学院电信学院 DSP技术 叶华1.1.4 DSP1.1.4 DSP与单片机、嵌入式微处理器的区别与单片机、嵌入式微处理器的区别 单片机(微控制器): 用于不太复杂的数字信号处理。结构较简单 ，没有乘法器，I/O接口多，位控制能力强，成本低，使用方便。 如51系列，AVR系列，PIC系列等 嵌入式微处理器：基于通用计算机CPU，具有较高的抗干扰能 力，可靠性高，地址线较多，存储空间大，可配备实时操作系统 ，如，ARM7/ARM9等，多用于控制系统。 DSP：结构复杂，片内设计有硬件乘法器及累加器，多处理单元，多总线结构，流水线技术，专门的指令系统，能够高速、实 时地实现具有乘积累加特点的、复杂的数字信号处理算法。如TI 的TMS320系列等。湖南文理学院电信学院 DSP技术 叶华1.1.5 DSP1.1.5 DSP的基本结构及主要特征的基本结构及主要特征数字信号处理不同于普通的科学计算与分析，它强调运算的 实时性。除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制能力外, 针对实时数字信号处理的特点,在处理器的结构、指令系统、指令 流程上作了很大的改进,其主要特点如下：冯诺伊诺伊曼(Von-Neumann)结构程序存储器与数据存储器 合为一体，单地址、数据总线，不能同时取指令和取操作数， 易造成传输通道上的瓶颈现象。1）哈佛结构 图 冯诺伊曼结构CPUCPU程序与数 据存储器地址总线AB数据总线DB湖南文理学院电信学院 DSP技术