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1、第14章 数字信号处理的硬件实现一、概述二、DSP的特点三、DSP的发展四、DSP的开发五、DSP的应用一、概述Digital Signal Processing (DSP)：一门新的学科：研究信号分析与 处理的理论和各种算法Digital Signal Processor (DSP)：数字信号处理器：将数字信号处理 的理论用于实际。(教学, 科研, 开发的前期)DSP软件包MATLAB Signal Processing Tool BoxCPU, MCU, DSP将信号处理的理论用于实际，即是“实现” ：软件 实现 :硬件 实现 :有可能“ 实时实现 ”：所谓“实时（Real-Time）实现
2、”，是指一 个实际的系统在人们听觉，视觉或按任务要求 所允许的时间范围内能及时地完成对输入信号 的处理并将其输出。例如，我们每天使用的手机，将要普及的 数字电视等，都是实时的数字信号处理系统。要想在极短的时间内完成对信号的处理， 一方面需要快速的算法、高效的编程，另一方 面，则需要高性能的硬件支持。数字信号处理 器（DSP）即是为实时实现数字信号处理任务 而特殊设计的高性能的一类CPU。严格地说，“实时实现”是指，一个系统 在每一个抽样间隔内都能完成全部所需要的计 算任务，即：Processing TimeProcessing TimeWaiting Waiting TimeTimeSampl
3、e TimeSample Timen nn+1n+1如果 Waiting Time 0则认为该系 统可以实时 实现。例如，阶次 的FIR滤波器，其输入输出关系是假定要处理的信号的抽样频率为200KHz，那么，该系统要在50 内，至少要完成100次乘法，99次加法，才谈得上“实时实现”。CPU的类型：1. 通用型CPU（GPP）；2. 单片机（MCU）；3. DSP；4. 嵌入式系统；5. ASIC；6. FPGA通用处理器（GPP）： 8-bit Apple（6502）， NEC PC-8000（Z80） 8086/286/386/486/ Pentium/Pentium II/ Pentiu
4、m III PowerPc 64-bit CPU （SUN Sparc，DEC Alpha, HP） 事务密集型处理机制 冯.诺依曼结构：统一的程序和数据空间 采取各种方法提高计算速度：单片机（MCU):控制密集型处理机制。4bit、 8bit单片 机多应用于玩具、家电及工业控制； 16bit 单片机除控制功能外，还有较强的信息处 理的能力。但实时处理较困难。 INTEL MCS/48/51/96（98） MOTOROLA HCS05/011数字信号处理器（DSP）：运算密集型处理机制。最有可能实时实现复杂 运算的器件！二、数字信号处理器的特点1. 哈佛结构，且是多总线结构；Harvard A
5、rchitectureVon-Neumann Architecture取指令和取数 据分时进行；取指令和取数 据同时进行；在DSP中，广泛采取多总线制，以便同时读取 几个数据，提高了运算的速度，如C54芯片：Using multiple busesC54 的多总线结构：3个数据总线(CB,DB,EB) 1个程序总线(PB) 4个地址总线(PAB,CAB,DAB,EAB)高级多总线结构2. “流水线（pipeline）式” 的指令执行实际上，DSP中采用多级流水线结构3. 具有硬件乘法器是DSP最突出的特点，从而大大提高了运算速度。数字信号处理中最常用的运算：乘法累加1011 x 1110101
6、1 x 1110HardwareMicrocode100110100000 1011. 1011. 1011.10011010Cycle 1 Cycle 2 Cycle 3 Cycle 4Cycle 5例如，4bit无符号数相乘：一步一步执行 一步执行例如：C54中的硬件乘法器4. 高性能的DSP提供了“并行（parallel）”工作的能力。所谓并行，是指多个DSP，或DSP内部的多个单元同时在完成一个共同的任务 ；5. 片上存储器：(On chip Memory );专用寻址单元：(Addressing Logic )它们与ALU并行工作;所有这些设置，都是为了提高运行速度；6. 为方便数据
7、的读、写及与片外设备的通信，DSP上一般都集成有DMA、串行通信口、定时器及中断处理器等，具有和不同速度存储器相连接的硬件和软件的等待功能； 7. 高的时钟速度，极快的运算能力：MFLOPS：百万次浮点操作/秒MOPS： 百万次操作/秒MIPS： 百万条指令/秒Others： MAC、Instruction Cycle TimeTMS320C64系列的DSP最大时钟速度可达600MHz，因此，时钟 周期仅为1.67ns,其运算能力可达4800MIPS；该系列特别适用于图像处理、三维成像、 多媒体及其它高速运算的场合。TMS320C6201 DSP 时钟：200MHz，运算能力：1600MIPS
8、。 1024点的FFT，仅需要70us;8. 部分DSP芯片上有片上的A/D及脉宽调制通道（PWM），这一类DSP除了有强的运算能力外，还有着很好的控制能力 ；总之，先进周密的硬件设计、方便完整 的指令系统、配套的开发工具以及高速、实 时信号处理市场的巨大需要，从而使DSP微 处理器在飞速发展的计算机领域中异军突起 、大放光彩。目前，数字信号处理器的硬件 、软件及第三方（Third Party)的相关产品， 已形成一个巨大的产业。TMS320C25 DSP的内部 结构DSP分定点处理器和浮点处理器两大类定点DSP：采用定点数来实现数值运算时，其操作数大都 采用整型数来表示。整型数的大小取决于所
9、用的字 长，字的位数越多，所能表示的数的范围越大。例 如，对16bit字长，其表示的数的最大范围是3276832767在运算过程中，如果两个数的和或积超过这一范 围，就要产生数据的溢出，从而带来大的误差。当 然，定点DSP也可以实现小数运算，不过小数点的位 置是由编程人员指定的。 浮点DSP：s：符号位，bit31； s=0 表示正数，s=1 表示负数 ；e：指数位，bit23bit30，其取值范围为0255；m：尾数的分数部分，bit0bit22，共23位。 三、DSP的发展TYPICAL DEVICE CAPABILITIES50 3 5 20 256 $150.00 250 50K 3“
10、50 0.8 40 80 2K $15.00 12.5 500K 6“ 50 0.1 5,000 1,000 32K $5.00 0.1 5M 12“Die size (mm) Technology (uM) MIPS MHz RAM (bytes) Price Power (mW/MIPS) Transistors Wafer size19801990200020105 0.02 50,000 10,000 1M $0.15 0.001 50M 12“TYPICAL DEVICE CAPABILITIESTexas Instruments（TI：德州仪器公司）: TMS320C2000 TM
11、S320C5000 TMS320C6000 TMS320C1x、C2x、C3x、C4x、C5x、C8xAnalog Devices（AD：模拟器件公司）: ADSP-21xx TigerSharc DSP SHARC DSPLucent: DSP-16xx DSP-16xxx: Lucent+Motorola： StarCore140 Core Motorola: DSP560xx DSP563xx DSP566xx DSP568xxDSPDSP市场份额市场份额(1999(1999年年) )TI 早期DSP产品：第1代： TMS320C1X 1982 定点第2代： TMS320C2X 定点第3
12、代： TMS320C3X 浮点第4代： TMS320C4X 浮点第5代： TMS320C5X 定点第6代： TMS320C8X 1994 多 CPUTI产品系列符号解释： TMS320*XY-Z，“*”：C，E，P，F, LC，BC，LBC,V,U等；X：X1：第一代，5第五代，8是第六代；Y：代内的序号，Z：时钟频率(MHz)；XY：合起来表示处于那一个系列；“*”“C”，CMOS；“*”“E”，EPROM； “*” “P”，PROM； “*”F，FLASH；“*”“LC”、“VC”、“UC”，低、甚低、超低功耗；“*”“BC”，(Boot Load)； “*”“LBC”，低功耗、 加载TM
13、S320C2000系列TMS320C5000 系列：TMS320C6000 系列：专用DSP芯片：在制造时，其内部结构已符 合相应算法的流程，只需按要求输入数据即可 ，无需再编程。这些产品有：INMOS公司的卷积/相关器A100；PLESSY公司的卷积/相关器PDSP16256；HARRIS公司的卷积/相关器HSP43168；AUSTEK公司的FFT专用芯片A41102；PLESSY公司的专用FFT芯片PDSP16515；AD公司的小波压缩芯片ADV601.四、DSP的开发开发步骤：1.算法研究与仿真（MATLAB, C, 汇编） ；2.选择DSP芯片及其它元器件；3.系统原理设计，画原理图；
14、4.系统硬件仿真；5.制印刷线路板（PCB）；6.系统焊接、调试，加载软件。开发步骤：DSP系统的 设计与调试TITI产品开发支持产品开发支持（一）TI DSP软件开发工具1. TI早期的软件开发工具（1） TMS320宏汇编编辑/编译连接器(macro assemblercompiler /linker)（2） TMS320系列最佳的ANSIC编译器(ANSIC compiler)（3）代码调试工具（debugger）（4）软件仿真器(simulator)软件仿真器是一个软件程序，它运行在PC上，可 模拟TM5320的整个指令系统，从而达到程序检验和 开发的目的。 TI eXpressDSP
15、框架：是一个开放式的、集成的软 件开发环境，它不但包含了上述的常用软件工具，并 且在功能上大大扩展，而且为使用者提供了良好的人 机交互界面。它包含如下4个部分： 集成开发环境 CCS（code composer studio） 实时基础软件 DSP/BIOS； 算法标准 XDAIS（eXpressDSP algorithm standard） ； 第3方公司提供的模块，包括插件和算法模块等。eXpressDSP技术提供的简单易用而功能强大的工具 可以大大缩短DSP产品的开发时间，从而使开发者将精 力集中到更新应用的发展中。2. 集成开发环境CCSCCS是一个为TMS320系列DSP设计的高度集成的 软件开发和调试环境，它将DSP工程项目管理、源代 码的编辑、目标代码的生成、调试和分析都打包在一 个环境中提供给用户，如图所示：应用 系统 设计系统 配置源代码 编辑编译与 连接软件 模块 集成软件 调试软件 分析CCS 的组成模块（一）TI DSP 硬件开发工具在 DSP 系统开发的不同阶段需要不同的开发系 统，如供初学者使用的学习系统，供对所选用的 DSP及其他器件进行评估的评估系统，供最后调试 的开发系统。TI公司针对这些不同的应用推
