数字信号处理课件9章讲述

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1、第9章DSP原理与应用开发基础 引言 DSP系统的基本组成 DSP系统设计基础 DSP集成开发环境 本章小结 1 第六章第1讲 【本章教学目的与要求】 l掌握DSP系统的基本组成和DSP芯片的体系结构； l学会获取DSP芯片的相关技术资料和相关源码； l了解DSP芯片的产品概况以及DSP系统开发的流程； l学会安装和设置CCS集成开发环境。 2 【本章知识结构】 3 9.1 引言 DSP是数字信号处理（Digital Signal Processing） 或数字信号处理器（Digital Signal Processor）的缩写。 在过去的30多年时间里，数字信号处理技术已经在 通信等领域得到

2、极为广泛的应用。 案例一:DSP在音频转换，接口技术和USB音频方面的应用 4 案例二 DSP在视频和视觉引导方面的应用 数字信号处理技术涉及众多的学科，如概率统计、数值分析、 控制论等等。数字信号处理以这些学科作为自己的理论基础， 同时数字信号处理理论和应用的发展又促进了一系列新兴学 科的发展，如通信技术、模式识别等等。总的来说，数字信 号处理作为一门学科是在与其他许多相关学科相互促进下不 断发展的。 5 9.1 DSP系统的基本组成 l数字信号处理系统一般由以下几部分构成：前置滤波 、A/D转换、数字信号处理器（DSP）、D/A转换、后 置滤波。 l典型DSP系统构成框图 图中的输入信号可

3、以有各种各样的形式。 l数字信号处理系统一般由以下几部分构成：前置滤波 、A/D转换、数字信号处理器（DSP）、D/A转换、后 置滤波。 l典型DSP系统构成框图 图中的输入信号可以有各种各样的形式。 6 系统实例 软件无线电数字声音广播接收机 7 9.2.1 DSP芯片概述 l数字信号处理器是数字信号处理系统的核心。常用的 数字信号处理器有通用的DSP芯片、专用的DSP芯片、 通用处理器（GPP）、通用单片机，如下表所示。 8 DSP在功能上有以下几方面的改进： l扩充运算能力：增加字长，乘法保留双字长，有双精 度运算； l自动产生数据地址：专用的地址生成单元可以产生循 环地址和非顺序地址；

4、 l指令定序不对其他主要运算造成额外开销； l简单的比例定标运算得到宽的动态范围。 9 lDSP芯片从出现到现在的30多年时间里，已有几十家生产厂商推 出了上百型号的产品。除了TI公司得TMS320系列DSP芯片外，其 他有代表性并获得广泛应用的DSP系列芯片主要有Motorola公司 的MC56/96系列、ADI系列的ADSP21系列等。 l目前，美国德州仪器公司TI公司有3大系列产品，即 1)面向数字控制、运动控制的TMS320C2000系列，主要包括 TMS320C24x/F24x、TMS320LC240 x/LF240 xA、TMS320F28xx 等； 2)面向低功耗、手持设备、无线

5、终端应用的TMS320C5000系列 ，主要包括TMS320C54x、TMS320C54xx、TMS320C55x等； 3)面向高性能、多功能、复杂应用领域的TMS320C6000系列， 主要包括TMS320C62xx、TMS320C64xx、TMS320C67xx等。 10 l根据DSP芯片工作的数据格式将芯片分为：定点DSP 芯片和浮点DSP芯片。 l定点运算的DSP芯片以其成本较低，对存储器的要求 比较低且耗电省等优点使其成为数字信号处理市场上 的主流产品，预计今后的比重将逐渐增大。据统计， 目前销售的DSP的80%以上属于16位定点可编程DSP。 只有在高保真音频以及需要实时运算、更高

6、精确度与 较大动态范围的其他数据采集应用时，才能体现出浮 点DSP更高的算术灵活性与精确度 11 9.2.2DSP芯片体系结构 l哈佛总线结构: 大多数DSP的总线结构都采用了哈佛结构，程序存储器和数 据存储器是两个独立的存储器，独立编址，独立访问。与两个存 储器相对应，系统中设置了程序总线和数据总线，从而使数据的 吞吐率提高了一倍。 l流水线操作 : DSP芯片广泛采用级流水线，以减少指令执行的时间，从而 增强了处理器的处理能力。这使指令执行能完全重叠，处理器可 以并行处理几条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。在某一 时刻，一条流水线上在做取指令操作时，第2条流水线可同时进 行上一条指令译

7、码的操作，第3条流水线可同时进行再上一条指 令的取操作数的操作，第4条流水线可同时进行再上上一条指令 的执行指令的操作。 12 l专用的硬件乘法器 具有专用的应用乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。 DSP处理器使用专用的硬件来实现单周期乘法，而通用微处理器 中算法指令需要多个指令周期，如MCS-51的乘法指令需4个周期 。DSP处理器还增加了累加器寄存器来处理多个乘积的和。 l特殊的DSP指令 这些特殊的指令，专用数字信号处理中的一些常用算法优 化，可为一些典型的数字信号处理提供加速，使一些高速系统的 实时数据处理成为可能，从而进一步提高了DSP芯片的执行效率 和处理能力。如并行指令，能够实

8、现寄存器并行装入，并行算术 /逻辑运算和存储运算，使并行操作能力大大提高。 13 l专用的寻址方式 DSP处理器往往都支持专门的寻址方式，这些寻址方式对通 常的信号处理操作很有用，也很方便。例如，位倒序寻址使FFT 实现起来就很方便。而在通用处理器中这些专门的寻址模式是不 常使用的，即使用一般也要用软件来实现。 l定点计算和定点DSP指令集 定点机器比起相应的浮点机器来要便宜而且运算更快。所 以大多数DSP使用定点计算，而不是使用浮点。为了不使用浮点 机器而又保证数字的准确，DSP处理器在指令集和硬件方面都支 持饱和计算、舍入和移位。 14 TMS320C55xDSP芯片的体系结构 15 lC

9、55x由3个主要部分组成：CPU、存储空间、片内外设 。C55x系列具有统一的CPU内核，有4个功能单元构成 ：指令缓冲单元（I单元）、程序流单元（P单元）、 地址数据流单元（A单元）和数据运算单元（D单元 ）。 l功能单元的具体构成和基本功能如下： u指令缓冲单元（I单元） 包括位指令缓冲队列和指令译码器。此 单元接收程序代码并放入指令缓冲队列，由指令译码器解释指令 ，然后再把指令流传给其他的P单元、A单元和D单元来执行这些 指令。 u程序流单元（P单元） 包括程序地址发生器、程序控制逻辑。该 单元产生所有程序空间地址，并发送到PAB总线，达到控制程序 流的目的。 16 u地址数据流单元（A

10、单元） 包括数据地址产生电路（DAGEN ）,附加的16位算术逻辑单元ALU和一组寄存器。该单元产生读/ 写数据空间地址，并发送到BAB、CAB和D AB总线上。 u数据运算单元（D单元） 包括40位桶形移位器、2个乘加单元（ MAC）和1个40位的算术逻辑单元ALU和若干寄存器。D单元是 CPU中主要的数据执行部件，完成大部分数据的算术运算工作。 17 lC55x包括了统一的存储空间和I/O空间。C55x的片内存储空间共 有352KB，其中双口RAM（DARAM）在每个周期能执行两个访问操 作；单口RAM（SARAM）在每个周期能执行一个访问操作。外部存 储空间共有8MB（16位）最大寻址，

11、由片选信号CE03来选择 。存储区支持的类型有异步SRAM、异步EPROM、同步DRAM和同步 SRAM.。整个16MB存储空间作为程序空间或数据空间均可寻址。 程序空间当CPU从程序存储区读指令时才访问程序空间。当程序 从存储区或寄存器读/写数据时，需访问数据空间。C55x的I/O空 间与程序/数据空间分开，它仅在访问DSP的片内外设寄存器时有 效。I/O空间的字地址为16位宽、能访问64KB地址。CPU用数据读 地址总线读和数据写地址总线写。当CPU读/写I/O空间时，将16 位地址前补0来扩展成24位地址。 lDSP的片内外设完成的主要功能包括采集原始数据、输出处理结 果、控制其他设备等

12、 18 9.3 DSP系统设计基础 l技术参考资料与相关源码的获取 在设计开发一个DSP系统时，系统中的DSP芯片确 定以后，很重要的就是获得该DSP芯片的相关技术参 考资料及得到其相关源码。一般提供相应芯片的厂商 都会有专门的网站进行技术支持，如美国的TI公司、 Motorola公司等。在TI公司网站的搜索中用关键字搜 索资料，主要的技术文档包括Application Notes、 user guides，这些资料一般均有PDF文档说明和相应 的源程序包提供，下载（download）后做少许改动即 可应用。 19 必看资料 l讲述DSP的CPU、Memory、Programme Memory

13、 Addressing、Data Memory Addressing的文档资料； l设计过程中要用到的外设的资料； lC语言和汇编语言的编程指南； l汇编指令和C语言的运行支持库、DSP LIB等资料。 l其他的如：Application Guide、Optimizing CC+ + Complier Users Guide、Assembly Language Tools Users Guide等资料可在DSP设计入门后再去 详细阅读，体会会更深一些。同时我们也可以登陆一 些相应的DSP技术论坛、技术网站来获取相关资料。 20 DSP型号的选择 主要 的DSP 厂商的 产品 概况 21 选择D

14、SP芯片时应考虑的方面 lDSP芯片的运算速度。运算速度是DSP芯片的一个最 重要的性能指标，也是选择DSP芯片是所需要考虑的 一个主要因素。 lDSP芯片的价格。DSP芯片的价格也是选择DSP芯片 所需要考虑的重要的因素。如果采用价格昂贵的DSP 芯片，即使性能再高，其应用范围肯定受到一定的限 制。因此，需根据实际系统的应用情况，确定一个性 价比适中的DSP芯片。 lDSP芯片的硬件资源。不同的DSP芯片所提供的硬件 资源是不同的，如片内的RAM、ROM的数量，外部 可扩展的程序和数据空间，总线接口、I/O接口等。 即使是同一系列的DSP芯片，如TI公司的TS320C5x系 列，不同的DSP

15、芯片也可以适应不同的需要。 22 lDSP芯片的运算精度。一般定点DSP芯片的字长为16 位，如TMS320系列。但有的公司的定点芯片为24位 ，如Motorola公司的MC56001等。浮点芯片的字长 一般为32位，累加器为40位。 lDSP芯片的开发工具。在选择DSP芯片的同时，必须 注意其开发工具的支持情况，包括软件和硬件的开发 工具。如果没有开发工具的支持，要想开发DSP系统 几乎是不可能的。如果有功能强大的开发工具的支持 ，则开发的时间就会大大缩短。 lDSP芯片的功能。在某些DSP应用场合，功耗也是一 个需要特别注意的问题。如便携式的DSP设备、手持 设备、野外应用的DSP设备等对

16、功耗有特殊的要求。 23 外围器件的选择 l选择好DSP芯片后，按照实际系统设计的要求以及DSP 芯片的需要来选择外围器件。 l支持DSP芯片的外围器件较多，主要有高速静态存储 器（SRAM）、动态存储器（DRAM）、双口静态随 机存取存储器（Dual ports SRAM）、先进先出（ FIFO）存储器、可编程逻辑器件（PLD）、A/D和 D/A转换器，以及一系列芯片、电阻、电容、晶振、 接插件等。这些元器件的选择面广、产品多、品种型 号多，而且许多电子元器件其更新换代竞争的生命周 期短，因此，元器件的选择除考虑其性价比、器件质 量外，还需考虑所选型号及封装完全兼容器件的厂商 情况以及估计该型号器件的竞争生命周期等。 24 DSP系统开发流程-设计应考虑技术指标 1)根据信号的频率范围来确定系统的最高样采频率