dsp完整课件第1课

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1、DSP技术,1、2 DSP综述、TMS320LF240x系列DSP概述 3 TMS320LF240x的CPU功能模块和时钟模块 4 系统配置和中断模块 5 存储器和I/O空间 6 数字输入输出I/O 7 事件管理器 8 模数转换(ADC)模块 9 串行通信接口SCI 13、15 DSP开发及C语言编程,第1章 数字信号处理器(DSP)综述,1.1 什么是DSP 1.2 DSP技术的发展及现状 1.3 DSP的应用 1.4 DSP与单片机、嵌入式微处理器的区别 1.5 DSP的基本结构及主要特征 1.6 DSP的分类及主要技术指标 1.7 如何选择DSP,作业,1）什么是DSP 2）DSP的基本

2、特点 3）什么是改进型的哈佛结构 4）DSP与单片机的主要区别 5）DSP分类： 定点 浮点 6）2407内部结构,1.1 什么是DSP,DSP,Digital Signal Processing,Digital Signal Processor,?,DSP（数字信号处理）是一门涉及多门学科并广泛应用于很多科学和工程领域的新兴学科。,数字信号处理包括两个方面的内容: 1算法的研究 2数字信号处理的实现 ,1.2 DSP技术的发展及现状,DSP芯片是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，主要用于实时快速实现各种数字信号处理的算法。 20世纪80年代以前，由于受实现方法的限制,数字信号处理

3、的理论还不能得到广泛的应用。直到世界上第一块DSP芯片的诞生，才使理论研究成果广泛应用到实际的系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。DSP芯片的诞生及发展对近20年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。,DSP芯片诞生于20世纪70年代末，经历了以下三个阶段。,第一阶段，DSP的雏形阶段（1980年前后）。,1978年AMI公司生产出第一片DSP芯片S2811。 1979年美国Intel公司发布了商用可编程DSP器件Intel2920,由于内部没有单周期的硬件乘法器，使芯片的运算速度、数据处理能力和运算精度受到了很大的限制。运算速度大约为单指令周期200250ns，应用

4、领域仅局限于军事或航空航天部门。,1）DSP技术的发展,第二阶段，DSP的成熟阶段（1990年前后）。,硬件结构上更适合数字信号处理的要求，能进行硬件乘法、硬件FFT变换和单指令滤波处理，其单指令周期为80100ns。 如TI公司的TMS320C20，它是该公司的第二代DSP器件,采用了CMOS制造工艺，其存储容量和运算速度成倍提高，为语音处理、图像硬件处理技术的发展奠定了基础。 20世纪80年代后期，以TI公司的TMS320C30为代表的第三代DSP芯片问世，伴随着运算速度的进一步提高，其应用范围逐步扩大到通信、计算机领域。 这个时期的器件主要有:TI公司的TMS320C20、30、40、5

5、0系列，Motorola公司的DSP5600、9600系列，AT&T公司的DSP32等。,1.2 DSP技术的发展及现状,第三阶段，DSP的完善阶段（2000年以后）。,这一时期各DSP制造商不仅使信号处理能力更加完善,而且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步降低、成本不断下降。尤其是各种通用外设集成到片上,大大地提高了数字信号处理能力。这一时期的DSP运算速度可达到单指令周期10ns左右，可在Windows环境下直接用C语言编程,使用方便灵活，使DSP芯片不仅在通信、计算机领域得到了广泛的应用，而且逐渐渗透到人们日常消费领域。 目前,DSP芯片的发展非常迅速。硬件方面主要是向

6、多处理器的并行处理结构、便于外部数据交换的串行总线传输、大容量片上RAM和ROM、程序加密、增加I/O驱动能力、外围电路内装化、低功耗等方面发展。软件方面主要是综合开发平台的完善，使DSP的应用开发更加灵活方便。,1.2 DSP技术的发展及现状,1.2 DSP技术的发展及现状,2）DSP技术的现状,1.2 DSP技术的发展及现状,（1）制造工艺,早期DSP采用4m的NMOS工艺。现在的DSP芯片普遍采用0.25m或0.18m亚微米的CMOS工艺。芯片引脚从原来的40个增加到200个以上，需要设计的外围电路越来越少，成本、体积和功耗不断下降。,（2）存储器容量,早期的DSP芯片，其片内程序存储器

7、和数据存储器只有几百个单元。目前，片内程序和数据存储器可达到几十K字，而片外程序存储器和数据存储器可达到16M48位和4G40位以上。,（3）内部结构,目前，DSP内部均采用多总线、多处理单元和多级流水线结构，加上完善的接口功能，使DSP的系统功能、数据处理能力和与外部设备的通信功能都有了很大的提高。,2）DSP技术的现状,1.2 DSP技术的发展及现状,（4）运算速度,近20年的发展，使DSP的指令周期从400ns缩短到10ns以下，其相应的速度从2.5MIPS提高到2000MIPS以上。,（5）高度集成化,集滤波、A/D、D/A、ROM、RAM和DSP内核于一体的模拟混合式DSP芯片已有较

8、大的发展和应用。,（6）运算精度和动态范围,DSP的字长从8位已增加到32位，累加器的长度也增加到40位，从而提高了运算精度。同时，采用超长字指令字（VLIW）结构和高性能的浮点运算，扩大了数据处理的动态范围。,（7）开发工具,具有较完善的软件和硬件开发工具，如：软件仿真器Simulator、在线仿真器Emulator、C编译器和集成开发环境等，给开发应用带来很大方便。,*3）DSP技术的发展趋势,1.2 DSP技术的发展及现状,（1）DSP的内核结构将进一步改善,多通道结构和单指令多重数据（SIMD）、特大指令字组（VLIM）将在新的高性能处理器中占主导地位，如AD公司的 ADSP-2116

9、x。,（2）DSP 和微处理器的融合,微处理器MPU：是一种执行智能定向控制任务的通用处理器，它能很好地执行智能控制任务，但是对数字信号的处理功能很差。,DSP处理器：具有高速的数字信号处理能力。,在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种功能。 将DSP和微处理器结合起来，可简化设计，加速产品的开发，减小PCB体积，降低功耗和整个系统的成本。,*3）DSP技术的发展趋势,1.2 DSP技术的发展及现状,（7）DSP的并行处理结构,为了提高DSP芯片的运算速度，各DSP厂商纷纷在DSP芯片中引入并行处理机制。这样，可以在同一时刻将不同的DSP与不同的任一存储器连通，大大提高数据传输的

10、速率。,（8）功耗越来越低,随着超大规模集成电路技术和先进的电源管理设计技术的发展，DSP芯片内核的电源电压将会越来越低。,总之，对于高速、高密度数据处理应用，DSP将向多核转变，目前已经有一款6核方案，在未来25年可能一个DSP芯片将集成百个处理器。 而对于那些不属于高密度的应用，DSP将来的发展方向是SoC。这些新的SoC集成系统将在系统处理器(如ARM)的控制下，同时使用可编程DSP和可配置DSP加速器，它们将成为许多创新性产品的开发平台。 可编程SoC是未来DSP的生存之道。,1.3 DSP的应用,随着DSP芯片价格的下降，性能价格比的提高，DSP芯片具有巨大的应用潜力。,主要应用：,

11、1. 信号处理 2. 通 信 3. 语 音 4. 图像处理 5. 军 事,6. 仪器仪表 7. 自动控制 8. 医疗工程 9. 家用电器 10. 计 算 机,如：数字滤波、自适应滤波、 快速傅氏变换、Hilbert变换、 相关运算、频谱分析、 卷 积、模式匹配、 窗函数、波形产生等；,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、 移动通信、纠错编译码、 可视电话、路由器等；,如：语音编码、语音合成、 语音识别、语音增强、 语音邮件、语音存储、 文本语音转换等；,如：二维和三维图形处理、 图像压缩与传输、 图像鉴别、图像增强、 图像转换、模式识别、

12、动画、电子地图、 机器人视觉等；,如：保密通信 雷达处理 声纳处理 导航 导弹制导 电子对抗 全球定位GPS 搜索与跟踪 情报收集与处理等,如：频谱分析、函数发生、 数据采集、锁相环、 模态分析、暂态分析、 石油/地质勘探、 地震预测与处理等；,如：引擎控制 声 控 发动机控制 自动驾驶 机器人控制 磁盘/光盘伺服控制 神经网络控制等,如：助听器 X-射线扫描 心电图/脑电图 超声设备 核磁共振 诊断工具 病人监护等,如：高保真音响 音乐合成 音调控制 玩具与游戏 数字电话/电视 高清晰度电视HDTV 变频空调 机顶盒等,如：震裂处理器 图形加速器 工作站 多媒体计算机等,1.3 DSP与单片

13、机、嵌入式微处理器的区别, 单片机(微控制器): 用于不太复杂的数字信号处理。结构较简单，没有乘法器，I/O接口多，位控制能力强，成本低，使用方便。如51系列，AVR系列，PIC系列等, 嵌入式微处理器：基于通用计算机CPU，具有较高的抗干扰能力，可靠性高，地址线较多，存储空间大，可配备实时操作系统，如，ARM7/ARM9等，多用于控制系统。, DSP：结构复杂，片内设计有硬件乘法器及累加器，多处理单元，多总线结构，流水线技术，专门的指令系统，能够高速、实时地实现具有乘积累加特点的、复杂的数字信号处理算法。如TI的TMS320系列等。,1.5 DSP的基本结构及主要特征,数字信号处理不同于普通

14、的科学计算与分析，它强调运算的实时性。除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制能力外,针对实时数字信号处理的特点,在处理器的结构、指令系统、指令流程上作了很大的改进,其主要特点如下：,冯诺伊曼(Von-Neumann)结构程序存储器与数据存储器合为一体，单地址、数据总线，不能同时取指令和取操作数，易造成传输通道上的瓶颈现象。,1）哈佛结构,1.5 DSP的基本结构及主要特征,哈佛(Havard)结构程序空间和数据空间分开，各自有自己的地址总线和数据总线，能够同时取指令(来自程序存储器)和取操作数(来自数据存储器)。,改进的哈佛结构采用双存储空间和多条总线，即一条程序总线和多条数据总线。特点为

15、：, 允许在程序空间和数据空间之间相互存储、传送数据,使这些数据可以由算术运算指令直接调用,增强芯片的灵活性；, 提供了存储指令的高速缓冲器（cache）和相应的指令,当重复执行这些指令时,只需读入一次就可连续使用，不需要再次从程序存储器中读出,从而减少了指令执行作需要的时间。,1.5 DSP的基本结构及主要特征,多条地址、数据总线，可保证同时进行取指令和多个数据存取操作，并由辅助寄存器自动增减地址进行寻址，使CPU在一个机器周期内可多次对程序空间和数据空间进行访问。总线越多，在同一时间内实现的操作越多，所完成的功能就越复杂。DSP芯片都采用多总线结构，大大地提高了DSP的运行速度。 例如,T

16、MS320C240x内部有数据读总线、数据写总线、程序读总线，还有相对应的地址总线，可以实现： 一个机器周期内从程序存储器取1条指令 从数据存储器读1个操作数 向数据存储器写1个操作数 内部总线是个十分重要的资源。,2) 多总线结构,1.5 DSP的基本结构及主要特征,DSP执行一条指令，可分成取指、译码、取操作和执行等几个阶段。在程序运行过程中这几个阶段是重叠的，这样，在执行本条指令的同时，还依次完成了后面3条指令的取操作数、译码和取指，将指令周期降低到最小值。,利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证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。,3) 流水线操作(pipeline),1.5 DSP的基本结构及主要特征,4) 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) 硬件乘法器(MUL) 它们可以在一个指令周期内同时进行运算。例如，当执行