DSP原理与应用-文档资料

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1、1,DSP原理与应用,第一章 概述 第二章 DSP运算基础 第三章 DSP的CPU结构及存储器配置 第四章 寻址方式及指令系统 第五章 系统功能模块及片内外设 第六章 DSP设计开发平台 第七章 FFT的Matlab仿真,2,第一章 概述,1、DSP数字信号处理系统 低通滤波：将连续信号x（t）中的一些次要成分滤出。 平滑滤波：滤出多余的高频分量，对时间域模拟信号起平滑作用。,低通滤波,ADC,DSP,平滑滤波,DAC,x（t）,y（t）,3,2、DSP的发展和分类 发展： 1978年，AMI第一片DSP器件 1979年，Intel的Intel 2920是第一块脱离了通用型微处理器结构的DSP

2、芯片。 1980年，NEC的 PD7720是第一个具有硬件乘法器的商用DSP芯片。 1982年，Hitachi推出浮点DSP。 1982年，TI推出第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品。 1986年，Motorola推出MC56001定点DSP芯片；1990年推出与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片。,4,分类 按DSP芯片处理的数据格式：定点、浮点 按DSP芯片的用途： 通用型：TI公司的系列DSP 专用型：数字滤波、FFT等 主要生产厂家 TI：43.5% Agere(Lucent)：16.1% Motorola：12.0% ADI：8.2%,5,3、DSP的性能及特点 哈佛结构

3、 、普通微处理器的冯诺伊曼结构：,内部地址总线,内部数据总线,共享的 程序和 数据存 储器,CPU 控制,ALU,6,、DSP的哈佛结构：,地址 发生 单元,数据地址总线,程序地址总线,程序 存储 器,数据 存储 器,DSP 控制,ALU,数据总线,程序总线,7,指令流水线 、非流水线操作,8,、流水线操作：,9,硬件乘法器 在数字信号处理的算法中（如FFT），需要做大 量的乘法和加法。显然，乘法速度越快，数据处理能 力就越强。而在一般的微处理器中，根本就没有乘法 指令，即使有乘法指令的处理器，其乘法指令的执行 时间也较长。DSP器件一般都有一个硬件乘法器，而且 一次乘累加最少可在一个时钟周期

4、内完成。 特殊DSP指令 DSP芯片采用了特殊的寻址方式和指令。例如 TMS320系列的位反转寻址方式及其他一些特殊的指令。 采用这些适合于数字信号处理的寻址方式和指令，能 进一步减小数字信号处理的时间。,10,4、DSP的应用 数字信号处理，如滤波、FFT、卷积等； 通信，如调制解调、纠错编码、传真、可视电话等； 语音处理，如语音编码、语音合成、识别、语音存储等； 图形/图像处理，如模式识别、图像压缩与传输、动画、机器人视觉等； 仪器仪表，如数据采集、函数/波形产生等； 军事，如保密通信、全球定位、雷达与声纳信号处理、导航与制导等； 医疗，如核磁共振、自动治疗仪等。,11,第二章 DSP运算

5、基础,1、数的定标 TMS320C/F240的字长为16。 数的定标：是设定小数点在不同位置，来表示不同大小和不同精度的小数。 Q表示法： 将16位二进制数由最低有效位（LSB）到最高有效 位（MSB）的位置依次排列为015，则Qi表示小数点 在数据第i位之后。 例如： Q0：表示小数点在数据第0位之后，即为一个整数。 Q15：表示小数点在数据第15位之后。,12, Q表示法及其十进制数值范围：,13,例如: 对Q15而言,其能表示的最小负值为: 1000 0000 0000 0000(补) 1111 1111 1111 1111(反) 1,0000 0000 0000 0000(原) = -

6、1 其能表示的最大正值为: 0111 1111 1111 1111 = 2-1 +2-2 +2-3 +2-4 +2-5 +2-6 +2-7 +2-8 +2-9+2-10 +2-11 +2-12 +2-13 +2-14 +2-15 = 1- 2-15 = 0.9999 6948 2421 875 对Q0同样如此.,14,2、IEEE 754浮点数表示法 例如： 1 0 1 0 0 1 0 0 1 20.6 = 24(20 +2-1 + 2-2 + 2-3 + 2-4 + 2-5 + 2-6 + 2-7 + + 2-23 ) 其指数 = 4 + 127 = 131 小数 = 01001001 S

7、= 0,15,3、定点数与浮点数的转换关系 转换公式: 浮点数（x）转换为定点数（xd）： xd = int x 2Q 定点数（xd）转换为浮点数（x）：x = float xd 2-Q 举例：浮点数x = 0.4，定标Q=15，则对应的定点数为: xd = int x 2Q= int 0.4 215=13107 反之,一个Q15表示的定点数13107对应的浮点数为: x = float xd 2-Q = float 13107 2-15 = 0.3999939 Q数值的确定: 设系统中变量表示的数据最大绝对值为|max|，而且|max|小于或等于32767，由下式: 2n-1 |max| 2

8、n 可得：Q=15-n 举例：某变量取值范围为-7到15，则变量的|max| =15，n=4，则Q=15-4=11。,16,4、定点数的算术运算 加减法： 注意： 、必须保证两个操作数的定标值一样。 、若两个数据的Q值不同，在保证数据准确性的前提下调整Q值使数据精度最高，即尽量将Q值小的数调整为与另一个数的Q值一样大。 、注意对溢出的判断和处理。 举例： x = 0.4，y = 0.2，计算x + y 根据分析，采用Q15表示两个数据可以得到最高精度的运算， x 、 y的Q15定点表示分别为： xd = 13107， yd = 6553。 xd + yd = 13107+6553 = 1966

9、0 结果转化为浮点数为：19960 2-15 = 0.5999756 0.6,17,定点数的乘法 分三种情况： 、小数乘小数（数用Q15表示） Q15Q15=Q30，32位的乘积结果有两个符号位，利用移位操作得到乘积结果的Q31表示。 举例：0.50.5 = 0.25 操作数用Q15表示为： 0.5 215 =16384=0100 0000 0000 0000B 0.100 0000 0000 0000 0.100 0000 0000 0000 = 00.01 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 将结果左移一位得到乘积结果的Q31表示为： 0.01 0000

10、0000 0000 0000 0000 0000 0000 0 = 20000000H 表示的浮点数即为：0.25,18,、整数乘整数（数用Q0表示） Q0Q0=Q0 举例：135 = 65 操作数用Q0表示为： 13 = 0000 0000 0000 1101B 5 = 0000 0000 0000 0101B 0000 0000 0000 1101 0000 0000 0000 0101 = 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0100 0001 = 00000041H 表示的浮点数即为：65,19,、混合表示法 在对精度和数据范围要求都比较高的情况下，两个 数可以

11、采用介于Q15与Q0之间的不同的Q表示法。 举例： 设参与运算的两个数x和y的数值范围分别不超过 1和 4，两个数的Q值分别为Q15和Q13，为了保证数据 范围，应该采用Q13。例如： x = 0.4 y = 3.2 ，计算x + y 因为 xd = 3276， yd = 26214，则 xd + yd = 3276 + 26214 = 29490 转换为浮点数为：29490 2-13 3.59985,20,定点数的除法 注意：DSP没有专门的除法指令，利用条件减法指令编写 子程序实现。 、十进制的除法 在计算之前要保证分子不能大于分母的十倍，否则必须进行如 下的处理：将分母乘上10（100或

12、1000）后再按下面的计算过 程进行除法运算，得到结果后再把该结果乘以10 （100或1000） 即可得到最终的正确结果。 计算过程（子程序）： i = 0 STEP1：重复的用分子减去分母（若分子小于分母，则余数即为 分子；否则，余数=分子-分母），直到结果为小于分母的数或0。得 到执行的减法次数 = Ni 及余数。 STEP2： i = i +1，余数10作为分子，返回STEP1。 STEP3：结果 = N0 100 + Ni 10-i，i = 1，2，3，,21,举例1：求40/3 = ？ step1：310 = 30； step2：40-30=10 30，70-30=4030，4030

13、=1030，70-30=4030，4030=1030， 次数=3，余数=10； step6：根据要求的精度结束计算 step7：结果=1 100 +3 10-1 + 310-2 +3 10-3 + =1.3333 step8：最终结果= 1.333310=13.333 ,22,举例2：求3/40= ？ step1：3 40；300 - 40=260，执行第1次减 法；260 - 40=220，执行第2次减法； 220 - 40=180，执行第3次 减法；180 - 40=140，执行第4次减法；140 - 40=100，执行第5 次减法；100 - 40=60，执行第6次减法；60 - 40=

14、20，执行第7 次减法；次数=7，余数=20； step4： 2010=200，200 40； 200 - 40=160，执行第1次 减法；160 - 40=120，执行第2次减法；120 - 40=80，执行第3 次减法； 80 - 40=40，执行第4次减法； 40 - 40=0，执行第5次 减法；次数=5，余数=0； step5：结果=0 100 +0 10-1 + 710-2 +5 10-3 = 0.075,23,、二进制的除法 注意：在计算之前要保证分子小于分母的2倍。 计算 过程同十进制的除法，下面仅举例。 计算40 / 3 = ？ step1：分母左移3位（即乘以8），得分母=2

15、4； step2：00101000 ( =40) - 00011000 ( =24) =00010000 ( =16) 次数=1，余数=16 24； step3： 00100000 ( =32) （余数16左移一位） - 00011000 ( =24) =00001000 ( =8) 次数=1，余数=8 24； step4： 余数=16 （余数8左移一位） 24 次数=0； step5： 00100000 ( =32) （余数16左移一位） - 00011000 ( =24) =00001000 ( =8) 次数=1，余数=8 24；,24,step6： 余数=16 （余数8左移一位） 24 次数=0； step7： 00100000 ( =32) （余数16左移一位） - 00011000 ( =24) =00001000 ( =8) 次数=1，余数=8 24； step8： 余数=16 （余数8左移一位） 24 次数=0； step9： 00100000 ( =32) （余数16左移一位） - 00011000 ( =24) =00001000 ( =8) 次数=1，余数=8 24； step10 ：结