DSP技术及应用_成电陈金鹰_教授的讲义

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1、DSP技术及应用马岱马岱 讲师讲师通 信 工 程 系D Digital S Signal P Processor数字信号处理器1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2第一章第一章 DSPDSP技术概述技术概述第三节第三节 DSPDSP芯片的选择芯片的选择第一节第一节 DSPDSP系统概述系统概述第四节第四节 DSPDSP芯片的主要优点与应用领域芯片的主要优点与应用领域 第五节第五节 DSPDSP应用系统的开发工具应用系统的开发工具第二节第二节 DSPDSP芯片技术的发展芯片技术的发展 3序论强调

2、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？ DSP包括两层概念:1.数字信号处理（Digital Signal ProcessingDSP）4DSP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。5数学工具： 微积分、复变函数、概率

3、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：61.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：74. 用于极高

4、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DSP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。 8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FPGA/CPLDDSP芯片强调控制运算过程9一、DSP系统的特点 1. 精度高难17位字长模拟网络元件 （R、L、C等）模拟网络系统数字系统DSP、D/A精度10-3精度10-3102.可靠性强信号信号信号信号放大器A放大器B计算机A计算机B只要误差不超过0

5、、1判决电平A、B结果 可能不同A、B结果 果相同113.集成度高 表面贴装ASIC芯片DSP系统DSP CPLD FPGA开发压缩体积 降低成本124. 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 DSP系统DSP CPLD FPGA可编程可编程可编程改变软件不同的功能硬件更简单DSP系统开发 周期大大缩短136.保密性好 DSP系统DSP CPLD FPGA保密 性好保密 性好保密 性好隐蔽内部总线地址变化做成ASIC保密 性能 几乎 无懈 可击147.时分复用 系统n信道1信道2信道n信号的采样 频率与DSP 系统的运算 速度相比较 低的场合。实

6、时性要求不 高的场合。 应 用 场 合系统2系统1DSP系统15二、DSP系统的设计思路抗混 叠滤 波器A/DD/ADSP 芯片平滑 滤波 器输 入输 出典型的DSP系统16DSP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芯片软件编程硬件设计软件调试硬件调试系统集成系统调试17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

7、要求的精度输入输出 端口要求计算、控制选定 DSP 芯片 型号 18成本 供货货能力 技术术支持 开发发系统统 体积积 功耗 工作环环境温度DSP A/D D/A RAM性能指标标其它因素的考虑19总总体设计设计 算法 仿真高级语言Matlab最佳算法初步参数系统初步分工软件 硬件202. 软件设计阶段 源程序汇编器汇编 目标文件 链接器连接 调试器调试代码转换C语言 汇编语言 混合语言代码写入 EEPROM可执行文件软件仿真反 复 213. 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 成本等硬件实现方案器件的选型DSP芯片、A/D D/A、内存、电 源、逻辑控制 、通

8、信、人机 接口、总线等22DSP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23器件的选型原则A/D变换 D/A变换变换根据采样频样频 率、精度： 确定A/D型号 是否要求片上自带带采样样 保持器 多路器 基准电电源等。 根据信号频频率、精度： 是否要求基准电电源 多路器 输输出运放等。 24存储器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

9、原则25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26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27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）选择： PCI ISA 现场总线器件的选型原则28器件的选型原则人机接口电电源选选取可以通过单过单 片机构 成通信，也可在DSP的 基础础上直接构成。 键盘键盘 显显示器等 主要考虑电压虑电压 的高

10、 低和电压电压 的大小。 电压电压 高低要匹配 电电流容量要足够够29必须须清楚了解器件的使用和系统统的开发发 ，对对于关键环节键环节 要做仿真。 原理图设计 PCB板设计 要求DSP系统设计统设计 人员员既要熟悉系统统工作 原理，又要清楚布线线工艺艺和系统结统结 构设计设计 。 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。 304. 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，

11、应找出原因，不断改进。 31第二节 DSP芯片技术的发展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。321982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

12、最 大的DSP芯片供应商。331982年，日本东芝公司推出浮点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ADSP210xx系列。 3420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，

13、功 耗更低，从而使高频、高速的DSP处理器得到更大的 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。 353. 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

14、插件板也将 大量涌现。36第三节 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。371TI公司的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

15、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。一、主要的DSP芯片种类38（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。

16、 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。392AD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。40AD的BLACKFIN ADSP-21535413AT&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R