DSP技术及应用 成电陈金鹰 教授的讲义课件

《DSP技术及应用 成电陈金鹰 教授的讲义课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《DSP技术及应用 成电陈金鹰 教授的讲义课件（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,DSP技术及应用,陈金鹰 副教授(博士),信息工程学通信工程系,Digital Signal Processor 数字信号处理器,2,主要内容,第一章 DSP技术概述,第二章 DSP芯片结构介绍,第三章 DSP指令系统及特点,第四章 DSP软件开发过程,第五章 汇编语言编程举例,3,第一章 DSP技术概述,第三节 DSP芯片的选择,第一节 DSP系统概述,第四节 DSP芯片的主要优点与应用领域,第五节 DSP应用系统的开发工具,第二节 DSP芯片技术的发展,4,序论,强调的是对以数字形式表现的信号进行处理和研究的方法。是一门涉及许多学科且广泛应用于许多领域的新兴学科。,什么是DSP？,DS

2、P包括两层概念:,1.数字信号处理（Digital Signal ProcessingDSP）,5,DSP技术及应用课程属于这一层概念，所涉及内容为如何利用DSP芯片进行数字信号的处理。研究的内容为DSP芯片的结构和特点，如何通过程序编写，实现对数字信号的处理。,2.数字信号处理器（Digital Signal ProcessorDSP）,强调的是通过专用集成电路芯片，利用数字信号处理理论，在芯片上运行目标程序，实现对信号的某种处理。,6,数学工具： 微积分、复变函数、概率统计、随机过程、数值分析、高等代数、线性代数、泛函数等。 基础理论： 网络理论、信号与系统、现代控制理论（包括人工智能、模

3、式识别、神经网络、模糊控制）、现代通信理论、故障理论和现代测量等。,数字信号处理的理论基础：,7,1.在通用的微型计算机（PC机）上用软件（如C、Fortran语言）实现。 缺点是：速度慢 2.用单片机（如MCS-51、96系列等）实现。 缺点是：只用于简单数字信号处理。 3.用通用的可编程DSP芯片实现。 DSP芯片有更适合于数字信号处理的软件和硬件资源，非常适合于通用数字信号处理的开发，为数字信号处理的应用打开了新局面。,数字信号处理的实现方法：,8,4. 用于极高速信号处理的专用DSP芯片。 缺点：灵活性差，开发工具不完善。 5. 在通用的计算机系统中加上加速卡实现。 缺点：需核心含DS

4、P的用户加速卡。 6. 用FPGA等产品实现数字信号处理算法。 缺点：专用性太强，而且这种方法的研发工作也主要不是由一般的用户来完成的。,9,第一节 DSP系统概述,DSP系统,模拟系统,数字信号,模拟信号,实时处理,模拟器件,10,一、DSP系统的特点,1. 精度高,11,2.可靠性强,只要误差不超过0、1判决电平,12,3.集成度高,表面贴装,ASIC芯片,开发,压缩体积 降低成本,13,4. 接口方便,以现代数字技术为基础的系统或设备都是兼容的，系统接口方便。,5.灵活性好,改变软件,14,6.保密性好,保密性好,保密性好,保密性好,15,7.时分复用,系统n,系统2,系统1,16,二、

5、DSP系统的设计思路,抗混叠滤波器,A/D,D/A,DSP芯片,平滑滤波器,典型的DSP系统,17,DSP系统设计前： 明确设计任务 给出设计任务书 功能描述准确 功能描述清楚 描述的方式 人工语言 流程图 算法描述 将设计任务书转化为量化的技术指标。,1.总体方案设计,DSP应用,定义系统性能指标,选择DSP芯片,系统集成,系统调试,18,技术指标的确定,系统采样 频率,信号 频率,最复杂的算法 所需最大时间,对实时程 度的要求,片内、外 RAM的容量,数量及程序 的长短,16、32位 定点、浮点运算,系统所要求的精度,输入输出 端口要求,计算、控制,选定DSP芯片型号,19,成本 供货能力

6、 技术支持 开发系统 体积 功耗 工作环境温度,DSP A/D D/A RAM,性能指标,其它因素的考虑,20,总体设计,算法 仿真,系统初步分工,21,2. 软件设计阶段,源程序,汇编器汇编,链接器连接,调试器调试,代码转换,可执行文件,软件仿真,22,3. 硬件设计阶段,确定最优硬件实现方案 画出硬件系统框图,性能指标 工期 成本等,DSP芯片、A/D D/A、内存、电源、逻辑控制、通信、人机接口、总线等,23,DSP芯片,根据是用于控制还是计算目的，选择： 不同的厂商 不同系列 不同工作频率 不同工作电压 不同工作温度 采用定点或浮点型芯片,器件的选型原则,24,器件的选型原则,25,存

7、储器,RAM、EPROM（或EEPROM、Flash Memory），主要考虑： 工作频率 内存容量位长（8位/16位/32位） 接口方式（串行/并行）、 工作电压（5V/3.3V或其他）。,器件的选型原则,26,逻辑控制,先确定所用器件，如PLD、EPLD或FPGA； 再根据自己的特长和公司芯片的特点决定采用哪家公司的哪一系列产品； 最后根据DSP芯片的频率决定芯片的工作频率，并以此来确定使用的芯片。,器件的选型原则,27,通信接口,根据与其他系统通信的速率决定采用的通信方式： 串口 并口 总线,器件的选型原则,28,总线选择,根据使用场合、数据传输速率的高低（总线宽度、频率高低、同步方式等

8、）选择： PCI ISA 现场总线,器件的选型原则,29,器件的选型原则,30,必须清楚了解器件的使用和系统的开发，对于关键环节要做仿真。,原理图设计,PCB板设计,要求DSP系统设计人员既要熟悉系统工作原理，又要清楚布线工艺和系统结构设计。,软、硬件调试,借助仿真工具或开发工具进行软、硬件仿真调试时，往往要反复多次调试。,31,4. 系统集成,系统集成：是将软硬件结合起来，并组合成样机，在实际系统中运行，进行系统测试。 如果系统测试结果符合设计指标，则样机设计完毕。 但由于在软硬件调试阶段调试的环境是模拟的，因此在系统测试时往往会出现一些问题，应找出原因，不断改进。,32,第二节 DSP芯片

9、技术的发展,1978年，AMI公司生产的S2811； 1979年美国Intel公司的商用可编程器件2920； 这两种是DSP芯片的一个主要里程碑。 特点：没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。 1980年，日本NEC公司推出PD7720。 特点：是第一片具有乘法器的商用DSP芯片。,33,1982年，美国德州仪器公司（Texas InstrumentsTI）推出第一代DSP TMS320010及其系列产品，目前已发展到第六代。 TI公司的系列DSP产品已经成为了当今世界最有影响的DSP芯片，其DSP市场占有量占全世界份额的近50%，成为世界上最大的DSP芯片供应商。,34,1982年，日本

10、东芝公司推出浮点DSP芯片。 1984年，AT&T公司推出DSP32，是较早的具备较高性能的浮点DSP芯片。 1986年，Motorola公司推出了定点DSP MC56001。1990年，推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC96002。 美国模拟器件公司（Analog DevicesAD）相继推出了定点DSP芯片ADSP21xx系列，浮点DSP芯片ADSP210 xx系列。,35,20多年来，DSP芯片得到了迅猛发展，主要体现在如下方面：,1. 在生产工艺上 采用1m以下的CMOS制造工艺技术和砷化镓集成电路制造技术，使集成度更高，功耗更低，从而使高频、高速的DSP处理器得到更大的

11、发展。 2.基本结构上 以RISC结构、单片并行计算机结构为主导，脉冲阵列和数据流阵列也将成为并行处理器的主要体系结构。设计、测试简单，易模块化，易于实现流水线操作和多处理器结构。,36,3. 模拟/数字混合上 集滤波、A/D、D/A及DSP处理于一体，将成为DSP发展的主要方向，是DSP厂商的主要增长点。 4. DSP技术与ASIC技术融合上 在DSP芯片中嵌入ASIC模块，进一步扩大DSP逻辑控制功能。 5. 代码兼容性上 将推出更新的、更强大的优化C编译器来适应不同型号的DSP代码生成，各种DSP的开发、加速、并行处理插件板也将大量涌现。,37,第三节 DSP芯片的选择,设计DSP应用系

12、统，选择DSP芯片是非常重要的一个环节。 只有选定了DSP芯片才能进一步设计其外围电路及系统的其它电路。 选择原则：根据实际应用系统需要、应用场合、目的，选择满足所需功能、成本低、耗电小、使用方便、有技术支持、升级方便的芯片。,38,1TI公司的DSP芯片 TI公司常用的DSP芯片可以归纳为三大系列： （1）TMS320C2000系列，称为DSP控制器，集成了flash存储器、高速A/D转换器以及可靠的CAN模块及数字马达控制的外围模块，适用于三相电动机、变频器等高速实时工控产品等需要数字化的控制领域。 （2）TMS320C5000系列，这是16位定点DSP。主要用于通信领域，如IP电话机和I

13、P电话网关、数字式助听器、便携式声音/数据/视频产品、调制解调器、手机和移动电话基站、语音服务器、数字无线电、小型办公室和家庭办公室的语音和数据系统。,一、主要的DSP芯片种类,39,（3）TMS320C6000系列DSP 采用新的超长指令字结构设计芯片。其中2000年以后推出的C64x，在时钟频率为1.1GHz时，可达到8800MIPS以上，即每秒执行90亿条指令。其主要应用领域为： 1）数字通信 完成FFT、信道和噪声估计、信道纠错、干扰估计和检测等。 2）图像处理 完成图像压缩、图像传输、模式及光学特性识别、加密/解密、图像增强等。,40,2AD公司的DSP芯片 特点：系统时钟一般不经分

14、频直接使用。 定点DSP芯片的程序字长为24位，数据字长为16位。一般具有2个串行口、1个内部定时器和3个以上的外部中断源，此外还提供8位EPROM程序引导方式。 浮点DSP芯片，程序存储器为48位，数据存储器为40位，支持32位单精度和40位扩展精度的IEEE浮点格式，内部具有3248位的程序Cache，有3至4个外部中断源。,41,AD的BLACKFIN ADSP-21535,42,3AT&T公司的DSP芯片 定点DSP芯片的程序和数据字长均为16位，有2个精度为36位的累加器，具有1个深度为15字的指令Cache，片内具有2K字的程序ROM和512字的数据RAM。 浮点DSP芯片，80/

15、100ns的指令周期，片内具有3个512字的RAM块，或2个512字的RAM块加1个4K字的ROM块。可以寻址4M字的外部存储器。具有4个40位精度的累加器和22个通用寄存器。,43,LUCENT用STARCORE开发的新DSP,44,4Motorola公司的DSP芯片 定点DSP芯片程序和数据字长为24位，有2个精度为36位的累加器。 浮点DSP芯片，累加器精度达96位，可支持双精度浮点数，该芯片的指令周期为50/60/74ns。内部具有10个96位或32位基于寄存器的累加器。 适合于自适应滤波的专用定点DSP芯片，程序字长和数据字长分别为24位和16位，累加器精度为40位。,45,46,5

16、其他公司 NEC公司的PD77C25、PD77220定点DSP芯片和PD77240浮点DSP芯片等。 LUCENT的DSP1600等， INTEL也有自己的DSP产品。,INTEL&AD 的新DSP CORE,47,1DSP芯片的运算速度 MAC时间：一次乘法和一次加法的时间。大部分DSP芯片可在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法操作。 FFT执行时间：运行一个N点FFT程序所需时间。由于FFT运算在数字信号处理中很有代表性，因此FFT运算时间常作为衡量DSP芯片运算能力的一个指标。 MIPS：每秒执行百万条指令。 MOPS：每秒执行百万次操作。 MFLOPS：每秒执行百万次浮点操作。 BOPS：每秒执行十亿次操作。,二、选择芯片考虑的因素,48,2DSP芯片的价格 如果采用价格昂贵的DSP芯片，即使性能再好，其应用范围也受到一定限制，尤其是民用产品。 3DSP芯片的硬件资源 不同DSP芯片所提供的硬件资源不同，如片内RAM、ROM的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口、I/O