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1、DSP控制器原理及其应用DSP 综述u第一部分:关于课程(课程简介)u第二部分: DSP 基本概念lDSP芯片分类lDSP芯片的应用lDSP与MCU硬件结构比较lDSP芯片的选择lDSP芯片的发展u第三部分: TI公司DSP概述u数字信号处理技术(Digital Signal Processing,DSP):用数 学方法对数字信号进行处理,处理包括变化或提取相应的信息l经典的数字信号处理方法:时域:信号滤波FIR、IIR频域:频谱分析FFTl数字信号处理的特点:AiXi高速实时u数字信号处理器(Digital Signal Processor):用于实时完成 数字信号处理的微处理器。DSP:特
2、指数字信号处理器什么是DSP?关于课程课程宗旨传统的数字信号处理课程,主要讲授有关的理论和算法,基本上不讨论实现技术;DSP芯片厂家的技术手册则只介绍产品的功能和性能。两者比较脱节,都不大利于工程应用。我们开设这门课程的目的,就是希望将两者有机地结合起来,通过授课、实验缩短同学开发DSP系统的时间,培养学生的工程素质和创新能力。先修课程(本课程)v单片机原理或微型计算机原理v数字信号处理技术(算法) (非必要)v具备专业知识(应用于本专业领域的算法非必要)关于课程DSP课程特点uDSP简单说就是高性能处理器,归纳处理器课程的特点:v理论性不强(犹如英语单词,无需溯源,软硬件都如此)v学习目的会
3、用(最大限度发挥其作用)v学习方法动手(练出来的,不是学出来的)处理器学习方法u微型计算机原理 20多年 8088/8086 学到什么?u单片机原理 近20年 51系列学到什么?uDSP原理 不到10年 变化大 DSP结构与实验开发环境都会略有变化l类型多;更新换代快,处理器发展更新越来越快。如何学?u不是学习某一具体芯片。学习处理器课程要掌握的就是基本技能基本功。如何修炼基本功?u会找资料:充分利用网络资源(无所不有),提高查找资料能力u会看:教材或 data sheets.(*.pdf文件)。一般了解和详细使用u软件开发环境:熟悉一些仿真软件Keil51、CCS等;l找、看、用对比学习:(
4、 CPU、微控制器MCU、 DSP、嵌入式处理器)u动手:软硬件设计,遇到问题先找自己,才能积累软硬件设计技能u会借力:高手指点,是捷径;u最好的教师是自己:自己动手才有收获,特别是工程应用课程!设计中如何得到技术参考资料以及如何得到相关源码1)原则是碰到问题就去在TI网站的搜索中用keyword搜索资料,主要要注意的就是Application Notes,user guides 比如不知道怎样进行VC5402的McBSP编程,搜McBSP和VC5402 如果不知道如何设计VC5402和TLV320AIC23的接口以及编程,搜TLV320AIC23和VC5402; 这样可以搜到一堆的资料,这些
5、资料一般均有PDF文档说明和相应的源程序包提供,download后做少许改动即可2)版上发问3)google搜索4)再不济,找技术支持,碰运气了处理器工程应用(实战用)l选型(DSP、MCU及具体型号);(靠只是储备)l熟悉有关模块详细结构及编程方法;(C或汇编)l熟悉开发软件(大多数是相通的);l软件、硬件设计、调试、系统联调(调试功底相通)。主要内容DSP课程 = 教学实验uDSP课程教学内容l以F240,学会学习处理器的方法(硬件结构、指令系统、开 发)u实验开设l基本实验(统一安排)l综合实验(时间开放)l专题研究l科研实验开设实验室建设及资源u2001年建立DSP(F240)实验室u
6、2003年加入TI大学计划u“研究生创新实验室”成立时,成为课程之一PCITDS510 18套 F240EVM 18套 TMDXeZD2812 F2812DSK 15套闻亭2407 USB仿真器 5套TMDS3P701016A 2407 EVM 2套TMDS DSK 5416 15套TMDS DSK 5510 2套感谢的TI支持第一部分: DSP 基本概念DSP芯片的分类 DSP芯片主要可以按照下列两种方式进行分类。u按数据格式分 定点DSP芯片 浮点DSP芯片 u按用途分 通用型DSP芯片 专用型DSP芯片 DSP芯片的应用 (1) 信号处理如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、 相关运算
7、、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等;(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 话等;(3) 语音如语音编码、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、语音存储等;(4) 图形/图像如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、 图像增强、动画、机器人视觉等;DSP芯片的应用(5) 军事如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制 导等;(6) 仪器仪表如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等 ;(7) 自动控制如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、 磁盘控制等;(8) 医疗如助听、超声设备、诊断工
8、具、病人监护等;(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/视等。DSP的应用正在日益发展PDA巡航导弹移动通信系统80%的手机采用了TI的 DSP Core还可以举出很多例子v医院用的B超、CT、核磁共振v卫星遥感遥测v天气预报、地震预报、地震探矿 v风洞试验v数字化士兵、数字化战争v.vDSP的应用领域取决于设计者的想象空间DSP与MCU硬件结构比较DSP(数字信号处理器)作为一种微处理器,其设计的出发点和通用CPU以及MCU等处理器是不同的。DSP是为完成实时数字信号处理任务而设计的,算法的高效实现是DSP器件的设计核心。DSP在体系结构设计方面的很多考虑都
9、可以追溯到算法自身的特点。DSP与MCU硬件结构比较u改进的哈佛结构、多总线:片内多条数据、地址和控制总线冯诺依曼结构 改进哈佛结构多数CPU采用 几乎所有DSP单片机哈佛结构:但共用一套AB和DB,由控制信号CS、DS区分 改进的哈佛结构CPU程序/数据 存储器CPU数据存 储器程序存 储器独立IO 空间总线结构多总线:片内多条数据、地址和控制总线。什么是总线? AB、DB、CB3总线单片机、8086/8088等微处理器片内、片外各有几条总线?ROM/ FlashSARAMB0 DARAMB1, B2 DARAMMemory- Mapped Registers外部地址 总线外部数 据总线Co
10、ntrol BusPABDRABDWABPRDBDRDBDWEBExternal SignalsCPUOn-Chip Peripherals/ RegistersDSP与MCU硬件结构比较u改进的哈佛结构、多总线:片内多条数据、地址和控制总线u流水线技术:多个控制和运算部件并行工作流水线操作(4级流水线)100指令周期 101102103104105106SubMpyStoreF2D2AddF1D1R1E1R2D3F3F4E2R3D4E3R4E4独立执行部件: F取指 D译码 R读数 E执行 完整的流水线顺序执行 ADD SUB TI流水线26级CPUCLK取指令 N N+1 N+2 N+3
11、译码 N-1 N N+1 N+2取操作数 N-2 N-1 N N+1执行 N-3 N-2 N-1 N图 四级流水线 C2的CPU运行于4级流水线方式 DSP与MCU硬件结构比较u改进的哈佛结构、多总线:片内多条数据、地址和控制总线u流水线技术:多个控制和运算部件并行工作u硬件乘法器u特殊指令: MAC(连乘加指令,单周期同时完成乘法和加法运算) RPTS和RPTB(硬件判断循环边界条件,避免破坏流水线)u特殊寻址方式: 位倒序寻址(实现FFT快速倒序) 循环寻址u特殊片内外设: 可编程等待电路(便于与慢速设备接口) 数字锁相电路 PLL(有利系统稳定)u丰富片内外设:定时器、异步串口、同步串口
12、、DMA控制器、A/D和通用I/O口 、PWM、CAN等u丰富片内存储器类型:RAM、DARAM、ROM、Flash、SARAM等,新的DSP芯片采用 Cache(高速缓存)机制,解决存储器速度与DSP内核速度不匹配的问题 DSP与MCU硬件结构比较需要说明的是:u两者在不断融合,取其优势u差异越来越不是那么明显DSP与MCU软件开发比较q 模块化:按功能模块编程q 工程化:软硬人员分离MCU: ORG xxxx,绝对定位 优点:简单、容易上手 缺点:模块化编程差工程化不支持DSP: Section:相对定位 缺点:灵活、上手较难 优点:模块编程好工程化编程支持DSP软件开发q Section
13、( “段”)概念:一块连续的储存空间,可存放程序或数据q 在编程时,“段”没有绝对定位,每个“段”都认为是从0地址开始的一块连续的储存空间,而无需关心这些“段”究竟定位在系统的哪些地方。q 优点:便于程序的模块化编程;便于工程化管理:可将软件开发人员和硬件开发人员基本上分离开。q 重定位:由于所有的“段”都是从0地址开始,所以程序编译完成后是无法运行的,要让程序正确运行,必须对“段”进行重新定位,这个工作由链接器完成。q .cmd文件:MEMORY命令描述系统硬件资源,SECTIONS命令描述软件人员程 序中用到的“段”如何定位到恰当的硬件资源上。 DSP与MCU开发工具比较MCU: 代替方式
14、(仿真头替代MCU) 硬件时序为仿真器硬件时序 ,与目标系统时序有一定差 异 或多或少占用目标硬件资源 仿真头制作较难 仿真电缆较短,使用不便 不同MCU,工具不同,用户投 资加重 DSP: 接口方式(JTAG) 硬件时序即为目标系统 时序 不占目标系统硬件资源 仿真头制作方便 仿真电缆较长,使用方 便 不同的DSP,仿真接口标 准JTAG,工具相同,用 户投资有保障DSP与MCU硬件开发比较uMCU硬件开发基本功可以移植到DSP开发uDSP处理速度一般稍高,注意高速PCB制作事项DSP芯片的选择(选择顺序按情况定)1. DSP 芯片的运算速度(各厂商)2. DSP 芯片的价格3. DSP 芯片的硬件资源(存储器、ADC、PWM等等)4. DSP 芯片运算精度5. DSP 芯片开发工具: 软件 硬件6. DSP 芯片功耗7. 其他:封装、应用场合(民品,工业品,军品)、售后服务TI DSP的选型主要考虑处理速度、功耗、程序存储器和数据存储器的容量 、片内的资源,如定时器的数量、I/O口数量、中断数量、DMA通道数等。 DSP的主要供应商有TI,ADI,Motorola,Lucent和Zilog等,其中TI占有最 大的市场份额。(先入为主)DSP芯片的发展(1)u1978年AMI公司推出S2811世界上第一片DSP ;u1979年INTEL公司推出29