dsp原理及应用(概论)

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1、DSP原理及应用任志平任志平电子信息科学与技术教研室Principle (4) 精度高，16位的字长，动态范围96DB，32位浮点数， 动态范围1536DB; (5) 指令丰富，适合于FIR，IIR，FFT； (6) 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； (7) 可以并行执行多个操作；特殊的DSP指令。 (8) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。20二、 DSP芯片的发展历程l发展历史u诞生于20世纪70年代末uu第一阶段，第一阶段，DSPDSP的雏形阶段（的雏形阶段（19801980年前后）年前后） 1978年，AMI公司生产出第一片DSP芯片S2811

2、1979年，美国Intel公司推出商用可编程器件DSP芯 片Intel2920 211980年，日本NEC公司推出PD7720，第一片具 有乘法器的商用DSP芯片1982年，TI公司成功推出其第一代DSP芯片 TMS32010及其系列产品TMS32011、 TMS320C10/C14 /C15/C16/C17日本Hitachi公司第一个采用CMOS工艺生产浮点 DSP芯片1983年，日本Fujitsu公司推出的MB8764，指令 周期为120ns，具有双内部总线，使数据吞吐量 发生了一个大的飞跃1984年，AT在TMS320系列中有一些特殊的DSP指 令，它们在一个指令周期内用一条指令 就可以

3、实现普通需要几条指令才可以实 现功能，如MAC指令，它可以在一个指 令周期中完成一次乘法和一次加法运算 。这样即节省了时间，又提高了编程的 灵活性。并行、跳转、延迟指令30四 DSP芯片的分类 定点和浮点定点：结构简单、速度快、精度低，动态范围小TI：C1X、C2X、C5XMotorola:MC56000AD:ADSP21xx浮点：数据动态范围大，运算精度高，实时性好TI：C3X、C4X、C8XMotorola:MC96001AT&T:DSP32/32C31四 DSP芯片的分类 通用和专用通用普通DSP芯片TI：TMS320系列专用特定DSP芯片，数字滤波、卷 积和FFTMotorola:DS

4、P5620032四 DSP芯片的分类 静态和一致性（工作时钟和指令类型）静态在时钟频率范围内任何时钟频率上，DSP均 正常工作，除速度外，性能不变。TI：TMS320C2x一致性多种DSP处理器的指令系统和相应的机器代 码及引脚结构相互兼容。TI：TMS320C54x33五 DSP芯片的选择设计设计 DSP应应用系统统，选择选择 DSP芯片是非常 重要的一个环节环节 。 只有选选定了DSP芯片才能进进一步设计设计 其外 围电围电 路及系统统的其它电电路。 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。341TI公司

5、的DSP芯片 TI公司常用的DSP芯片可以归纳为归纳为 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IP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。主要的DSP芯片种类35（3）TMS320C6000系列DSP 采用新

6、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。362AD公司的DSP芯片 特点：系统时钟一般不经分频直接使用。 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

7、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。37AD的BLACKFIN ADSP-21535383AT&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，80/100ns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。39LUCENT用STAR

8、CORE开发的新DSP404Motorola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。41425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产产品。 INTEL&AD 的新DSP

9、CORE431DSP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。选择芯片考虑的因素442DSP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

10、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接口等。4DSP芯片的运算精度 一般的定点DSP芯片字长为16位，少数24位 。浮点芯片的字长一般为32位，累加器为40 位。455DSP芯片的开发工具 在DSP系统的开发过程中，如果没有开 发工具的支持，要想开发一个复杂的DSP 系统几乎是不可能的。功能强大的开发工 具，可使开发时间大大缩短。 6DSP芯片的功耗 便携式的DSP设备、手持设备、野外应 用的DSP设备等对功耗有特殊的要求。 7其他因素 除了上述因素外，还要考虑到封装形 式、质量标准、供货情况、生命周期等。 46一般地讲： 定点

11、DSP芯片的价格较便宜，功耗较低， 但运算精度稍低。 浮点DSP芯片的优点是运算精度高，用C语 言编程调试方便，但价格稍高，功耗较大。 DSP应用系统的运算量是确定选用DSP芯片 处理能力的基础。运算量小，则可选用处理 能力不是很强的DSP芯片，降低系统成本。 如果单片DSP芯片达不到要求，则需选用 多个DSP芯片并行处理。47六 DSP芯片的应用据预测，2007年MPU/MCU/DSP总计销售额 达到564亿美元，预计2011年达到845亿美元 规模 。 2007年MCU单元出货量预计大幅增长21%， 销售收入将达140亿美元，比2006年的124亿 美元增加13%。2008年，预计MCU销

12、售将再 次增长13%，达到158亿美元。数字信号处理 器，预计年增长率为9%，DSP销售额为79亿 美元，预计2008年DSP市场规模达到89亿美 元，增长率达到13%。 484950DSP芯片的主要应用领域 目前DSP的应用主要包括如下方面：（1）信号处理 如数字滤波、自适应 滤波、快速傅里叶变换、希尔伯特变换 、小波变换、相关运算、谱分析、卷积 、模式匹配、加窗、波形产生等。51（2）通信 如调制解调器、自适应均 衡、数据加密、数据压缩、回波抵消 、多路复用、传真、扩频通信、纠错 编码、可视电话、个人通信系统、移 动通信、个人数字助手（PDA）、X.25 分组交换开关等。 （3）语音 如语

13、音编码、语音合成、 语音识别、语音增强、说话人辨认、 说话人确认、语音邮件、语音存储、 扬声器检验、文本转语音等。52消费电子正在全面数字化，现在音频广 播，电视广播也在向数字化迈进，HDTV 接收机、SDTV电视机、机顶盒及数字广播 收音机等已经或都将进入市场。MP3播放 机方兴未艾。在国外，电子产品约占整车 费用的30%，在中国目前只占到整车费用 的15%-20%。汽车电子包括汽车上的娱乐 装置，远程信息处理和自动控制装置，这 些设备都离不开DSP。 53（4）军事 如保密通信、雷达处理、 声纳处理、图像处理、射频调制解调 、导航、导弹制导等。 （5）图形与图像 如二维和三维图形 处理、图

14、像压缩与传输、图像增强、 动画与数字地图、机器人视觉、模式 识别、工作站等。 （6）仪器仪表 如频谱分析、函数发 生、锁相环、地震处理、数字滤波、 模式匹配、暂态分析等。54（7）自动控制 如引擎控制、声控、机 器人控制、磁盘控制器、激光打印机控制 、电动机控制等。 （8）医疗 助听器、超声设备、诊断工具 、病人监护、胎儿监控、修复手术等。 （9）家用电器 如高保真音响、音乐合 成、音调控制、玩具与游戏、数字电话与 电视、电动工具、固态应答机等。 （10）汽车 如自适应驾驶控制、防滑制 动器、发动机控制、导航及全球定位、振 动分析、防撞雷达等。55DSP产业链DSP的发展己有25年历史了，DS

15、P芯片己达 到相当高的水平，现在国际上已形成包括DSP 芯片设计、制造，DSP开发工具研制生产、应 用和咨询共同组成的产业链。 全球有5万多客户选用TI定制的软件开发环 境，使他们能非常容易地将DSP结合到他们的 系统中去。围绕DSP周边的业务就由许许多多 的称为第三方(T hird Party ) 的小公司承担， TI的 Third Party 有650多家公司，他们生产 数千种基于DSP的产品。56DSP产业链围绕DSP芯片产业化可以成立公司的业务很多， 概括起来有以下一些： DSP开发工具：如各种仿真软件、调试软件、硬 件仿真器、评估板、初学者实验套件、教学套件等。 DSP应用软件：符合

16、各种国际和区域性标准的语 音、图像、视频、数据通信等DSP软件。例如不少公 司从事 ITU - T G.系列语音压缩编码标准的DSP编程 ，如 G.711 、 G.722 、 G.726 、 G.728 、 G.723 、 G.729 等。音频编码有MPEG1，2，4的MP3、AAC ， Dolb y 的AC-3等。图像编码有JPEG、J PEG2000 、 H.261 、 H.263 、 H.264 。数据通信，如各种传输 速率的 Modem 、xDSL、 Cable Modem ，回声抵消 、DTMF等都有很大的市场。 57DSP产业链DSP电路板卡：在实际应用中需要专门的DSP硬 件电路板卡，利用这些板卡可以进行二次应用开发。 例如很多语音信箱供应商就是购买DSP语音压缩卡做 的产品，很多为广播电台提供音频工作站的供应商就 要购买DSP音频压缩卡，如做视频监控系统的就必须 购买DSP图像压缩卡等等。