DSP原理及应用 选用教材: TMS320F2812原理与开发 苏奎峰 电子工业出版社,第一部分：介绍,参考书与相关网址,TMS320F2812原理与开发,苏奎峰,电子工业出版社 数字信号微处理器的原理与开发，天津大学出版社，2004 DSP芯片的原理与开发应用（第2版），张雄伟，曹铁勇编著，电子工业出版社，2000 DSP基础与应用系统设计，王念旭编著，北京航空航天大学出版社，2001 www.ti.com.cn www.21ic.com,1 什么是数字信号处理器 ?,数字信号处理(Digital Signal Processing) 以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理 数字信号处理器(Digital Signal Processor) 是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器芯片，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法,1.1 计算机芯片的简单分类,微处理器(P) 例如：DSPs 微控制器(C) 例如：单片机,P/C-总线结构,一个由多IC构成的处理系统的核心器件(芯片) 2种基本的总线结构: Von Neumann- 冯.诺依曼 Harvard 哈弗 Von Neumann: 数据、代码共享内存空间 数据、代码共享内存总线 Example: Intels x86 Pentium Processor family Harvard: 数据、代码独立存储空间 数据、代码独立存储总线,1.2 DSPs-数字信号处理器,改进的哈佛总线结构：多总线访问机制 流水线操作 专用的硬件乘法器(MPY) 特殊的DSP指令 快速的指令周期 结论：DSPs追求快速、实时的数据处理能力和数据传输能力。,典型的DSP算法,1.3 微控制器 (C),用来实现实时控制的计算机芯片 集成CPU以及输入、输出接口 在嵌入式应用中具有较高的性价比 传统意义上的C片内没有硬件乘法器 2种总线结构 (Von Neumann 和Harvard) 广泛应用于 Microcontrollers 相对而言，运算能力较弱，接口能力较强,2 数字信号控制器 (DSC),DSC：以数字信号处理器(DSPs)为内核，片内集成多种外设的单芯片微型计算机 DSPs的高速运算处理能力、微控制器的丰富外设接口、增强的中断管理相结合，获得了高效的嵌入式实时处理和实时控制解决方案 DSC Example: Ti C2000系列DSPs,3 数字信号处理的实现方法,在通用的计算机(如PC机)上用软件(如Fortran、C语言)实现 ：速度中等 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现：应用受限制 用通用的单片机(如MCS-51、96系列等)实现 ：仅限于简单算法 用通用的可编程DSP芯片实现 ：广泛应用 用专用的DSP芯片实现：应用受限制 现场可编程门阵列(FPGA)：高速、广泛应用 专用集成电路(ASIC)：高速、专用、高价格,数字信号处理的实现方法,DSP芯片的主要应用领域,（1）信号处理 （2）图像处理 （3）仪器 （4）声音/语言 （5）控制 （6）军事应用 （7）电信 （8）无线电,数字滤波 卷积 相关 希尔伯特变换 FFT 自适应滤波 加窗 波形产生,DSP芯片的主要应用领域,（1）信号处理 （2）图像处理 （3）仪器 （4）声音/语言 （5）控制 （6）军事应用 （7）电信 （8）无线电,三维旋转 机器人视觉 图像传输/压缩 同态处理 模式识别 工作站 动画/数字地图,DSP芯片的主要应用领域,（1）信号处理 （2）图像处理 （3）仪器 （4）声音/语言 （5）控制 （6）军事应用 （7）电信 （8）无线电,频谱分析 函数发生器 模式匹配 地震信号处理 数字滤波 锁相环,DSP芯片的主要应用领域,（1）信号处理 （2）图像处理 （3）仪器 （4）声音/语言 （5）控制 （6）军事应用 （7）电信 （8）无线电,声码器 语音识别 语音增强 语音合成,DSP芯片的主要应用领域,（1）信号处理 （2）图像处理 （3）仪器 （4）声音/语言 （5）控制 （6）军事应用 （7）电信 （8）无线电,数值控制 声控 伺服控制 机器人控制 激光打印机控制 发动机控制,DSP芯片的主要应用领域,（1）信号处理 （2）图像处理 （3）仪器 （4）声音/语言 （5）控制 （6）军事应用 （7）电信 （8）无线电,雷达处理 声纳处理 图像处理 导航 导弹制导 高频调制解调器 保密通讯,DSP芯片的主要应用领域,（1）信号处理 （2）图像处理 （3）仪器 （4）声音/语言 （5）控制 （6）军事应用 （7）电信 （8）无线电,数字交换机 线路转发器解调器 通道多路复用 1200至19200bps调制 自适应均衡 传真 扩频通讯,DSP芯片的主要应用领域,（1）信号处理 （2）图像处理 （3）仪器 （4）声音/语言 （5）控制 （6）军事应用 （7）电信 （8）无线电,全球定位 导航 数字无线电/TV,DSP系统基本构成,输入,抗混叠 滤波,A/D,DSP,存储器,D/A,平滑 滤波,输出,DSP系统构成及设计方法,输入信号 处理,A/D,D/A,DSP,输出信号 处理,输入,输出,存储器,通讯及 人机接口,功能及指标,软件结构,用户接口,硬件结构,外输入接口,自下而上,从设计者看,DSP系统设计方法,功能及指标,软件结构,用户接口,硬件结构,外输入接口,软硬件交界面,从设计者看,DSP系统设计方法,DSP总体设计框图,系统需求说明书,定义技术指标,选择DSP芯片及外围芯片,软件设计说明书,硬件设计说明书,软件编程与测试,硬件电路与调试,系 统 集 成,系统测试，样机、中试与产品,硬件系统设计框图,确定硬件方案,器件选型,原理图设计,PCB板设计,硬件调试,A/D，D/A 内存，逻辑控制 通信，总线 人机接口,系统设计实例,医学图像监视系统,存储器,主CPU,视频 存储,数据 转换,信号 调理,专用 电路,从CPU,从CPU,显示驱动,显 示 器,从CPU,控制,通讯 接口,专用电路,图 像 处 理,输入,输出,C28x系列,需求分析,系统结构选择,系统总体构成,软硬件设计,系统调试,试运行,交付使用,系统设计的一般方法,DSP芯片主要特点,在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据 片内具有快速 RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持 快速的中断处理和硬件I/O支持 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器 可以并行执行多个操作 支持流水线操作，使取指、译码和执行操作可以重叠执行,DSP的优缺点,优点：大规模集成性、 稳定性好 精度高 可编程性 高速性能 可嵌入性 接口和集成方便 缺点：成本较高 高频时钟的高频干扰 功率消耗较大等 软件代价较大,DSP芯片的发展历史,世界上第一个单片 DSP 芯片应当是1978年 AMI公司发布的 S2811 1980 年，日本 NEC 公司推出的PD7720是第一个具有乘法器的商用 DSP 芯片 美国德州仪器（Texas Instruments）公司为世界上最大的 DSP 芯片供应商，其DSP市场份额占全世界份额近 50， AD公司的ADSP2101，ADSP2111, ADSP2171, ADSP21000等系列；Motolora公司的MC56001，MC96002等,DSP芯片的发展,完成乘加操作的时间下降到10ns以下 乘法部件占模片区从40下降到5 引脚数从64增加到200以上 重量和体积大大下降 采用低电压，功耗大大下降,TI DSP 芯片发展比较表,TMS320系列主要芯片发展,DSP分类,通用,专用,定点（Fixed）,浮点（Floating）,按基础特性：,按数据格式：,按用途：,一致性（兼容性）,静态,DSP的性能指标,运算速度 DSP芯片的价格 DSP芯片的硬件资源 DSP芯片的运算精度 DSP芯片的开发工具 DSP芯片的功耗 其它：,DSP的性能指标,DSP芯片的运算速度 指令周期：即执行一条指令所需的时间 MAC时间：即一次乘法加上一次加法的时间 FFT执行时间：即运行一个N点FFT程序所需的时间 MIPS：即每秒执行百万条指令 MOPS：即每秒执行百万次操作 MFLOPS：即每秒执行百万次浮点操作 BOPS：即每秒执行十亿次操作,DSP的性能指标,价格 商业级 ：一般应用；适用于实验室等环境较好场合； 工业级 ：可靠性好；适用于工业现场等环境恶劣场合； 军品 ：可靠性高；适用于各种恶劣场合； 宇航级 ：可靠性很高；适用于特殊场合；,DSP的性能指标,硬件资源 内存：RAM、ROM、Flash等 寄存器：通用、特殊功能 I/O数量：单向、双向 寻址能力：直接、间接 定时器、计数器： 通讯接口： 内置功能单元：A/D、D/A等,DSP的性能指标,运算精度 CALU： 寄存器： 硬件乘法器： 片内RAM： 开发工具 功耗,DSP的性能指标,其它 封装的形式： 质量标准： 供货情况： 生命周期：,DSP的运算量,运算量是DSP芯片处理能力的标志 一个采用LMS（Least Mean Square）最小均方算法的256 抽头的自适应FIR（Finite Impulse Response）滤波器,DSP的运算量,假定：3个MAC/抽头 则：2563768个MAC周期 设：采样频率为8kHz，即样点之间的间隔为125s；采样频率为44.1kHz，即样点之间的间隔为22.7s,用DSP芯片实现数字滤波,编写C语言源程序,优化ANSI C编译器,汇编语言汇编器,生成目标文件,链接器,生成TMS320汇编文件,编写TMS320 汇编源程序,宏汇编源文件,文档管理器,宏汇编库,输出执行文件,调试器,TMS320目标系统,写EEPROM,软件仿真,软件开发系统,评测模块EVM,系统仿真XDS,软件系统设计框图,DSP芯片的基本结构和特征,DSP芯片的基本结构 哈佛结构 流水线操作 专用的硬件乘法器 特殊的DSP指令 快速的指令周期,冯诺曼（Van Neuman）结构,CPU,程序存储器 数据存储器,控制命令,地址线,数据线,哈佛结构,CPU,程序存储器,控制命令,地址线,程序总线,数据存储器,控制命令,地址线,数据总线,流水线,流水线深度从26级不等 多个指令重叠进行，理想情况下，K 段流水能在 K+N-1个周期内，处理 N 条指令,专用的硬件乘法器,在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周期来完成 DSP具有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成,特殊的DSP指令,DMOV延迟操作 LTDLT、DMOV、APAC MACD LT、DMOV、MPY、APAC RPTK重复执行,TMS320系列部分芯片介绍,TMS320C2xx C28X系列 处理能力强（32bit），指令周期为6.67ns 片内含有较大的内存（20KB）和闪存（128KB） 成本低（$915） 功耗低。内核1.8V，外围3.3V 12bit/16ch的A/D转换器 较多的并行口（56）及多种接口设计（CAN、SCI、SPI等）,TMS320C28X系列芯片的资源配置,TMS320F2812的主要特点,1）采用高性能静态CMOS制造工艺 -主频达150MHZ(时钟周期6.67ns) -低功耗（150MHz核心电压1.9V,I/O口电压 3.3V） -Flash 编程电压为3.3V 2）支持JTAG 边沿扫描 3）高性能32位CPU -1616和3232乘积累加操作 -1616双乘积累加器 -程序和数据空间分开寻址（哈佛