《DSP技术原理及应用》由会员分享,可在线阅读,更多相关《DSP技术原理及应用(294页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、DSP技术原理及应用河北工业大学信息工程学院 刘艳萍目录 第1章 绪论 第2章 TMS320C54x的结构原理(结合 第七章内容) 第3章 TMS320C54x硬件系统设计 第4章 TMS320C54x指令系统 第5章 DSP软件开发与设计(结合第六 章内容) 第八章和第九章结合实验学习第一章绪论 要求: 掌握:数字信号处理及数字信号处理器的 基本概念和特点。选择dsp芯片的要素。 了解:定点DSP的数据格式 了解:现有各种型号DSP芯片的特征及其 用途,尤其是TI公司的DSP芯片。数字信 号处理器的发展及应用。第一章绪论DSP有两种理解:一、广义的理解:digital signal proc
2、essing数字信号处理 二、狭义的理解:digital signal processor数字信号处理器 1.1数字信号处理:他是利用计算机或专用处理设备,以数字形式对信号进行采 集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理,得到符合需 要的信号形式。 在通用的计算机上用软件实现。 在通用计算机系统上加上专用的加速处理机实现。 用通用的单片机实现。 用通用的可编程DSP芯片实现。 用专用的DSP芯片实现。 用/CPLD/FPGA实现。1、数字信号处理的实现方法:2、数字信号处理系统的一般组成抗混叠滤波器将输入信号X(t)中比主要频率高的信号分量滤除 ,避免产生信号频谱的混叠现象。A/D将输入的
3、模拟信号转换为DSP芯片可接收的数字信号 。DSP芯片对A/D输出的信号进行某种形式的数字处理。D/A经过DSP芯片处理的数字样值经D/A转换为模拟量,然 后进行平滑滤波得到连续的模拟信号。3、数字信号处理系统的一般设计过程1.2 数字信号处理器DSPDSP:是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器,其 主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。 1.DSP的主要特点: 哈佛结构 : 冯诺曼结构:将指令、数据存储在同一个存储器中,统一编址,译稿指 令计数器提供的地址来区分是指令还是数据。取指令和取数据都访问统一 存储器,数据吞吐率低。 基本哈佛结构:程序和数据存储在不同的存储空间,程
4、序存储空间和数据 存储空间是两个相互独立的存储空间,每个存储空间独立编址,独立访问 。 冯 诺 曼 结 构基本哈 佛结构改进哈佛 结构多总线结构对DSP来说,总线越多,可以完成的功能就越复杂。流水线结构如四级流水线的操作图:DSP主要特点续多处理单元DSP内部一般都包括有多个处理单元,如算术逻辑运算单元 (ALU)、辅助寄存器运算单元(ARAU)、累加器(ACC)以及硬件乘 法器(MULT)单元等。它们可以在一个指令周期内同时进行运算 。利用这种流水线结构,加上执行重复操作,保证了数字信号处 理中用得最多的乘法累加运算可以在单个指令周期内完成。DSP主要特点续特殊的DSP指令 在DSP的指令系
5、统中,设计了一些特殊的DSP指令。例如 TMS320C54x中的FIRS和LMS指令,则专门用于系数对称的FIR 滤波器和LMS算法。 指令周期短DSP广泛采用亚微米CMOS制造工艺,如TMS320C54x,其运行 速度可达200MIPS。 TMS320C55x,其运行速度可达400MIPS 。 TMS320C6414T的时钟为1GHz,运行速度达到8000 MIPS。运算精度高DSP的字长有16位、24位、32位。为防止运算过程中溢出,累加 器达到40位。此外,一批浮点DSP,例如TMS320C3x、 TMS320C4x、 TMS320C67x、 TMS320F283x、 ADSP21020
6、等, 则提供了更大的动态范围。DSP主要特点续硬件配置强新一代DSP的接口功能愈来愈强,片内具有定时器、串行口、主机 接口(HPI)、DMA控制器、软件控制的等待状态产生器、锁相环时 钟产生器、A/D转换以及实现在片仿真符合IEEE 1149.1标准的测试 仿真接口,使系统设计更易于完成。另外,许多DSP芯片都可以工 作在省电方式,大大降低了系统功耗。2、DSP的分类按基础特性分:DSP芯片的工作时钟(主频) 和指令类型DSPDSP的分类有三种方式:按基础特性分的分类有三种方式:按基础特性分、按数据格式分、按用途分按数据格式分、按用途分静态静态DSPDSP芯片:该类型在某时钟频率范围内都能芯片
7、:该类型在某时钟频率范围内都能 正常工作,除计算速度有变化外,没有性能上的下正常工作,除计算速度有变化外,没有性能上的下 降。如日本降。如日本OKIOKI电器公司的电器公司的DSPDSP和和TITI公司的公司的 TMS320C2XXTMS320C2XX系列;系列; 一致性一致性DSPDSP:两种或更多的两种或更多的DSPDSP芯片,其指令集芯片,其指令集 、机器代码及管脚结构相互兼容。如美国、机器代码及管脚结构相互兼容。如美国TITI公司的公司的 TMS320C54XTMS320C54X。2、DSP的分类(续) 按数据格式分:DSP对数据的处理有两种格式:定点数据格式 和浮点数据格式。定点定点
8、DSPDSP芯片:数据以定点格式参加运算。芯片:数据以定点格式参加运算。 浮点浮点DSPDSP芯片:数据以浮点格式参加运算。不同浮点芯片:数据以浮点格式参加运算。不同浮点DSPDSP所所 采用的浮点格式可能不同。采用的浮点格式可能不同。按用途分:按用途分:通用型:适合普通的通用型:适合普通的DSPDSP应用。应用。 专用型:为特定的功能、运算而设计的。如数字滤波、卷专用型:为特定的功能、运算而设计的。如数字滤波、卷 积、积、FFTFFT等。如等。如TMS320C24xTMS320C24x适合自动控制;适合自动控制;MOTOLORAMOTOLORA公公 司的司的DSP56200DSP56200专
9、用于数字滤波。专用于数字滤波。 3、DSP的选择 选择DSP芯片时应考虑如下几个因素: DSPDSP芯片的运算速度:运算速度可以用以下几种性能指标来衡量;芯片的运算速度:运算速度可以用以下几种性能指标来衡量; 指令周期:即执行一条指令所需要的时间,通常以指令周期:即执行一条指令所需要的时间,通常以nsns为单位。为单位。 MACMAC时间:即完成一次乘法和一次加法时间。时间:即完成一次乘法和一次加法时间。FFTFFT执行时间:即运行一个执行时间:即运行一个N N点点FFTFFT程序所需时间。程序所需时间。 MIPSMIPS:每秒执行百万条指令。每秒执行百万条指令。 MOPSMOPS:每秒执行百
10、万次操作。每秒执行百万次操作。MFLOPSMFLOPS:每秒执行百万次浮点操作。每秒执行百万次浮点操作。 BOPSBOPS:每秒执行十亿次操作。每秒执行十亿次操作。 DSPDSP芯片的硬件资源;芯片的硬件资源; DSPDSP芯片的运算精度:参加运算的数据字长越长精度越高。芯片的运算精度:参加运算的数据字长越长精度越高。 DSPDSP芯片的功耗;芯片的功耗; DSPDSP芯片的开发工具;芯片的开发工具; DSPDSP芯片的价格;芯片的价格;DSPDSP芯片发展迅速,价格下降也很快。芯片发展迅速,价格下降也很快。 其它。封装形式、质量标准、供货情况、生命周期等。其它。封装形式、质量标准、供货情况、
11、生命周期等。1.3 定点DSP的数据格式 在定点处理器中,数据采用定点表示方法,定点表示并不意味 着就一定是整数表示。 它有两种基本表示方法:整数表示方法和小数表示方法。 整数表示方法主要用于控制操作、地址计算和其他非信号处理 的应用。 小数表示方法则主要用于数字和各种信号处理算法的计算中。 0 1 0 1 0 1 1 1 S262524232221208 8位定点整数表示方法:位定点整数表示方法: 0 1 1 1 0 0 0 0 S2-12-22-32-42-52-62-78 8位定点小数表示方法:位定点小数表示方法:结果=2-1+2-2+2-3=0.875 结果=26+24+22+21+2
12、0=87 定点数的表示法 定点数最常用的是Q表示法,或Qn表示法。;n表示数的2补码 的小数部分;1位符号位;数的总字长为m+n+1位。表示数的整 数范围为(-2m 2m-1),小数的最小分辨率为2-n 。几种常用的Q表示法的格式: Q0 格式的字长为16位。 位 数 15 1 4 1 3 1 2 1 1 10 9 . 0 值 S I1 4 I1 3 I12 I11 I1 0 I9 . I0 定点数的整数形式。最高位为符号S,接下来的Ix为15位2补码 的整数 ,表示数的范围为(-215215-1),最小的分辨率为1。 Q12 格式的字长为16位。最高位为符号S,接下来的3位为2补码的整数位,
13、高位在前,后 面的12位为2补码小数位。Q3.12 格式表示数的大致范围为(-8 ,7),小数的最小分辨率为2-12 。 位 数 15 1 4 1 3 1 2 1 1 10 9 . 0 值 S I3 I2 I1Q1 1Q1 0Q9 .Q0Q15格式Q15格式的字长为16位,其每位的具体表示如下: 位 数 15 1 4 1 3 1 2 1 1 10 9 . 0 值 SQ1 4Q1 3 Q1 2Q1 1Q1 0Q9 .Q0最高位为符号S,接下来的为2补码的15位小数位,小数点紧接着 符号位,无整数位。Q15格式表示数的范围为(-1,1),小数的最小分辨率为2-15 。 对于16位的定点处理器TMS
14、320C54x来说,Q15是在程序设计中 最常用的格式。TI公司提供的数字信号处理应用程序库DSPLIB 就主要采用这种数据格式。定点数格式的选择定点格式表示数的范围和数据的精度是确定的 。表示数的范围越大,数据的精度越低,也就 是说,数的范围与精度是一对矛盾。对16位的 数据来说,动态范围最大的格式为整数Q0, 精度(或分辨率)最高的格式为Q15。 定点格式的选择实际上就是根据Qn表示方法确定数据的小数点 位置。定点格式数据的转换 有2种转换的方法:若数已经是某种动态范围较小的若数已经是某种动态范围较小的QnQn格式,为了与动态范围较大的格式,为了与动态范围较大的QnQn格式格式 数进行运算
15、,则可根据运算结果的动态范围,直接将数据右移,将数据转换数进行运算,则可根据运算结果的动态范围,直接将数据右移,将数据转换 成结果所需的成结果所需的QnQn格式,这时原来格式的最低位将被移出,高位则进行符号格式,这时原来格式的最低位将被移出,高位则进行符号 位扩展。这在某些情况下会损失动态范围较小的格式的数据的精度。位扩展。这在某些情况下会损失动态范围较小的格式的数据的精度。将十进制数没有表示成任何形式的二进制数,则要表示成将十进制数没有表示成任何形式的二进制数,则要表示成QnQn格式。格式。 先将数乘以先将数乘以2 2n n变成整数,然后再将整数转换成相应的变成整数,然后再将整数转换成相应的QnQn格式。格式。例如设例如设y=-0.625y=-0.625,若要表示成若要表示成Q15Q15格式,先将格式,先将-0.625-0.625乘以乘以2 21515 得到得到-20480-20480,再,再 将将-20480-20480表示成表示成2 2的补码数的补码数B000HB000H,这也就是这也就是-0.625-0.625的的Q15Q15格式表示