第1章DSP绪论Convertor

DSP原理及应用三系通信工程教研室田爱君第1章DSP绪论1.1数字信号处理概述1.2可编程DSP芯片1.3DSP系统1.4DSP产品简介宿迁学院教案课程名称：DSP原理与应用任课教师：田爱君第课时课题：第1章DSP绪论授课时间：目的要求：1．掌握数字信号处理的特点及应用领域2．掌握DSP系统的组成及主要性能指标3、掌握DSP芯片的分类方法及各种定点和浮点芯片的特征重点难点：1．DSP芯片的特点及硬件组成2、DSP系统的组成及性能指标教具及教学实验设备：教材，教案教参板书PPT教学过程：1、讲授DSP的概念及DSP的应用领域2、讲授DSP芯片的发展历程3、讲授DSP芯片的基本结构4、讲授DSP芯片的特点5、讲授哈佛结构、流水线结构的原理6、讲授DSP系统的组成及主要性能指标第1章DSP绪论1.1数字信号处理概述一、数字信号处理（简称DSP）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。1.数字信号处理（DigitalSignalProcessing）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2.数字信号处理器（DigitalSignalProcessor）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，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法3.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4.数字信号处理的实现方法①在通用计算机（PC机）上用软件（如Fortran、C语言）实现，但速度慢，不适合实时数字信号处理，只用于算法的模拟；②在通用计算机系统中加入专用的加速处理机实现，用以增强运算能力和提高运算速度。不适合于嵌入式应用，专用性强，应用受到限制；③用单片机实现，用于不太复杂的数字信号处理。不适合于以乘法-累加运算为主的密集型DSP算法；④用通用的可编程DSP芯片实现，具有可编程性和强大的处理能力，可完成复杂的数字信号处理的算法，在实时DSP领域中处于主导地位；⑤用专用的DSP芯片实现，可用在要求信号处理速度极快的特殊场合，如专用于FFT、数字滤波、卷积、相关算法的DSP芯片，相应的信号处理算法由内部硬件电路实现。用户无需编程，但专用性强，应用受到限制；1.2可编程DSP芯片一、DSP芯片的发展概况DSP芯片诞生于20世纪70年代末，至今已经得到了突飞猛进的发展，并经历了以下三个阶段。1.第一阶段，DSP的雏形阶段（1980年前后）。1980年，日本NEC公司推出的μPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片美国德州仪器（TexasInstruments）公司为世界上最大的DSP芯片供应商，其DSP市场份额占全世界份额近50％，2.第二阶段，DSP的成熟阶段（1990年前后）。完成乘加操作的时间下降到10ns以下乘法部件占模片区从40％下降到5％引脚数从64增加到200以上重量和体积大大下降采用低电压，功耗大大下降3.第三阶段，DSP的完善阶段（2000年以后）。二、DSP芯片的特点1．采用哈佛结构DSP芯片普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构或改进的哈佛结构,比传统处理器的冯·诺伊曼结构有更快的指令执行速度。(1)冯·诺伊曼（VonNeuman）结构该结构采用单存储空间，即程序指令和数据共用一个存储空间，使用单一的地址和数据总线，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行。（2）哈佛（Harvard）结构该结构采用双存储空间，程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的程序总线和数据总线，可独立编址和独立访问，可对程序和数据进行独立传输，使取指令操作、指令执行操作、数据吞吐并行完成，大大地提高了数据处理能力和指令的执行速度，非常适合于实时的数字信号处理。（3）改进型的哈佛结构改进型的哈佛结构是采用双存储空间和数条总线，即一条程序总线和多条数据总线。其特点如下：①允许在程序空间和数据空间之间相互传送数据,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；②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。2．采用多总线结构DSP芯片都采用多总线结构，可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，大大地提高了DSP的运行速度。3．采用流水线技术每条指令可通过片内多功能单元完成取指、译码、取操作数和执行等多个步骤，实现多条指令的并行执行，从而在不提高系统时钟频率的条件下减少每条指令的执行时间。4.配有专用的硬件乘法-累加器为了适应数字信号处理的需要，当前的DSP芯片都配有专用的硬件乘法-累加器，可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作，从而可实现数据的乘法-累加操作。如矩阵运算、FIR和IIR滤波、FFT变换等专用信号的处理。5.具有特殊的DSP指令为了满足数字信号处理的需要，在DSP的指令系统中，设计了一些完成特殊功能的指令。6．快速的指令周期由于采用哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的指令以及集成电路的优化设计，使指令周期可在20ns以下。7．硬件配置强新一代的DSP芯片具有较强的接口功能，可以方便地构成一个嵌入式自封闭控制的处理系统。8．支持多处理器结构为了满足多处理器系统的设计，许多DSP芯片都采用支持多处理器的结构。9．省电管理和低功耗DSP功耗一般为0.5~4W，若采用低功耗技术可使功耗降到0.25W，可用电池供电，适用于便携式数字终端设备。三、DSP芯片为了适应数字信号处理各种各样的实际应用，DSP厂商生产出多种类型和档次的DSP芯片。在众多的DSP芯片中，可以按照下列3种方式进行分类。1．按基础特性分:静态DSP芯片一致性DSP芯片2．按数据格式分：定点DSP芯片浮点DSP芯片3．按用途分：通用型芯片专用型芯片四、DSP芯片随着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：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.计算机五、DSP芯片的发展现状和趋势1．DSP芯片的现状（1）制造工艺早期：的NMOS工艺。现在：或亚微米的CMOS工艺。成本、体积和功耗不断下降。（2）存储器容量早期：片内程序存储器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位和位以上。（3）内部结构DSP内部均采用多总线、多处理单元和多级流水线结构，（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（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。（7）开发工具具有较完善的软件和硬件开发工具，2．国内DSP的发展现状进入21世纪以后，中国新兴的数字消费类电子产品进入增长期，市场呈现高增长态势，普及率大幅度提高，从而带动了DSP市场的高速发展。此外，计算机、通信和消费类电子产品的数字化融合也为DSP提供了进一步的发展机会。3．DSP技术的发展趋势全球DSP产品将向着高性能、低功耗、加强融合和拓展多种应用的趋势发展，DSP技术将会有以下一些发展趋势：（1）DSP的内核结构将进一步改善（2）DSP和微处理器的融合（3）DSP和高档CPU的融合（4）DSP和SOC(系统级芯片)的融合（5）DSP和FPGA的融合（6）实时操作系统RTOS与DSP的结合（7）DSP的并行处理结构（8）功耗越来越低1.3DSP系统一、DSP系统一个典型的DSP系统应包括抗混叠滤波器、数据采集A/D转换器、数字信号处理器DSP、D/A转换器和低通滤波器等组成。1、DSP系统的处理过程：①将输入信号x(t)进行抗混叠滤波，滤掉高于折叠频率的分量，以防止信号频谱的混叠；②经采样和A/D转换器，将滤波后的信号转换数字信号x(n)；③数字信号处理器对x(n)进行处理，得数字信号y(n)；④经D/A转换器，将y(n)转换成模拟信号；⑤经低通滤波器，滤除高频分量，得到平滑的模拟信号y(t)。2、DSP系统的特点（1）接口方便（2）编程方便（3）具有高速性（4）稳定性好（5）精度高（6）可重复性好（7）集成方便二、DSP系统的设计x(t)抗混叠滤波器A/D转换器x(n)y(n)y(t)数字信号处理器D/A转换器低通滤波器根据需求写出任务书确定设计目标算法研究和系统模拟实现定义系统性能指标选择DSP芯片和外围芯片硬件设计硬件调试软件设计软件调试系统集成和测试设计步骤分几个阶段：（1）明确设计任务，确定设计目标（2）算法模拟，确定性能指标（3）选择DSP芯片和外围芯片（4）设计实时的DSP应用系统（5）硬件和软件调试（6）系统集成和测试三、DSP应用系统的开发工具开开发发步步骤骤内内容容开开发发开开发发工工具具支支持持硬硬件件支支持持软软件件支支持持11算算法法模模拟拟计计算算机机CC语语言言，，MMaattllaabb语语言言22DDSSPP软软件件编编程程计计算算机机编编辑辑器器（（如如EEddiitt、、UUllttrraaeeddiitt））33DDSSPP软软件件调调试试计计算算机机、、DDSSPP仿仿真真器器DDSSPP代代码码生生成成工工具具，，调调试试工工具具44DDSSPP硬硬件件设设计计计计算算机机电电路路设设计计软软件件55DDSSPP硬硬件件调调试试计计算算机机、、DDSSPP仿仿真真器器、、示示波波器器、、信信号号发发生生器器、、逻逻辑辑分分析析仪仪等等相相关关支支持持软软件件66系系统统集集成成计计算算机机、、DDSSPP仿仿真真器器、、示示波波器器、、信信号号发发生生器器、、逻逻辑辑分分析析仪仪等等相相关关支支持持软软件件四、DSP芯片的选择选择DSP芯片时应考虑如下一些因素。1．DSP芯片的运算速度2．DSP芯片的价格3．DSP芯片的运算精度4．DSP芯片的硬件资源5．DSP芯片的开发工具6．DSP芯片的功耗7．其它因素五、DSP产品简介目前，在生产通用DSP的厂家中，最有影响的公司有：AD公司AT&T公司（现在的Lucent公司）Motorola公司TI公司（美国德州仪器公司）NEC公司。