数字信号处理课件9章.

2011/1北京大学出版社版权所有违者必究1第9章DSP原理与应用开发基础引言DSP系统的基本组成DSP系统设计基础DSP集成开发环境本章小结2【本章教学目的与要求】掌握DSP系统的基本组成和DSP芯片的体系结构；学会获取DSP芯片的相关技术资料和相关源码；了解DSP芯片的产品概况以及DSP系统开发的流程；学会安装和设置CCS集成开发环境。3【本章知识结构】DSP原理与应用开发基础DSP系统的基本组成DSP芯片与其体系结构集成开发环境CCSDSP系统设计基础资料与源码获取DSP芯片型号选择系统开发流程软件开发49.1引言DSP是数字信号处理（DigitalSignalProcessing）或数字信号处理器（DigitalSignalProcessor）的缩写。在过去的30多年时间里，数字信号处理技术已经在通信等领域得到极为广泛的应用。案例一:DSP在音频转换，接口技术和USB音频方面的应用5案例二DSP在视频和视觉引导方面的应用数字信号处理技术涉及众多的学科，如概率统计、数值分析、控制论等等。数字信号处理以这些学科作为自己的理论基础，同时数字信号处理理论和应用的发展又促进了一系列新兴学科的发展，如通信技术、模式识别等等。总的来说，数字信号处理作为一门学科是在与其他许多相关学科相互促进下不断发展的。69.1DSP系统的基本组成数字信号处理系统一般由以下几部分构成：前置滤波、A/D转换、数字信号处理器（DSP）、D/A转换、后置滤波。典型DSP系统构成框图图中的输入信号可以有各种各样的形式。前置滤波后置滤波D/A转换DSP芯片A/D转换输入输出数字信号处理系统一般由以下几部分构成：前置滤波、A/D转换、数字信号处理器（DSP）、D/A转换、后置滤波。典型DSP系统构成框图图中的输入信号可以有各种各样的形式。前置滤波后置滤波D/A转换DSP芯片A/D转换输入输出7ＤＳＰ系统实例高频头数字变频器133MHzTMS320C6201DSP外部内存器A/DD/AIQLRIF软件无线电数字声音广播接收机89.2.1DSP芯片概述数字信号处理器是数字信号处理系统的核心。常用的数字信号处理器有通用的DSP芯片、专用的DSP芯片、通用处理器（GPP）、通用单片机，如下表所示。类型特点备注通用DSP芯片专用DSP芯片通用处理器通用单片机具有适合于数信号处理的软硬件资源,可用于复杂的数字信号处理算法应用广泛，性价比高。方便用于嵌入式设备针对专门的信号处理算法设计，在芯片内部用硬件实现这些算法，如卷积、数字滤波等用于专用的DSP算法，使用上受到限制用于软件实现用于简单的数字信号处理，如电动机控制可用于算法模拟，速度较慢,可加上专用的加速处理器只能用于简单的算法9DSP在功能上有以下几方面的改进：扩充运算能力：增加字长，乘法保留双字长，有双精度运算；自动产生数据地址：专用的地址生成单元可以产生循环地址和非顺序地址；指令定序不对其他主要运算造成额外开销；简单的比例定标运算得到宽的动态范围。10DSP芯片从出现到现在的30多年时间里，已有几十家生产厂商推出了上百型号的产品。除了TI公司得TMS320系列DSP芯片外，其他有代表性并获得广泛应用的DSP系列芯片主要有Motorola公司的MC56/96系列、ADI系列的ADSP21系列等。目前，美国德州仪器公司TI公司有3大系列产品，即1)面向数字控制、运动控制的TMS320C2000系列，主要包括TMS320C24x/F24x、TMS320LC240x/LF240xA、TMS320F28xx等；2)面向低功耗、手持设备、无线终端应用的TMS320C5000系列，主要包括TMS320C54x、TMS320C54xx、TMS320C55x等；3)面向高性能、多功能、复杂应用领域的TMS320C6000系列，主要包括TMS320C62xx、TMS320C64xx、TMS320C67xx等。11根据DSP芯片工作的数据格式将芯片分为：定点DSP芯片和浮点DSP芯片。定点运算的DSP芯片以其成本较低，对存储器的要求比较低且耗电省等优点使其成为数字信号处理市场上的主流产品，预计今后的比重将逐渐增大。据统计，目前销售的DSP的80%以上属于16位定点可编程DSP。只有在高保真音频以及需要实时运算、更高精确度与较大动态范围的其他数据采集应用时，才能体现出浮点DSP更高的算术灵活性与精确度129.2.2DSP芯片体系结构哈佛总线结构:大多数DSP的总线结构都采用了哈佛结构，程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器，独立编址，独立访问。与两个存储器相对应，系统中设置了程序总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。流水线操作:DSP芯片广泛采用级流水线，以减少指令执行的时间，从而增强了处理器的处理能力。这使指令执行能完全重叠，处理器可以并行处理几条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。在某一时刻，一条流水线上在做取指令操作时，第2条流水线可同时进行上一条指令译码的操作，第3条流水线可同时进行再上一条指令的取操作数的操作，第4条流水线可同时进行再上上一条指令的执行指令的操作。13专用的硬件乘法器具有专用的应用乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。DSP处理器使用专用的硬件来实现单周期乘法，而通用微处理器中算法指令需要多个指令周期，如MCS-51的乘法指令需4个周期。DSP处理器还增加了累加器寄存器来处理多个乘积的和。特殊的DSP指令这些特殊的指令，专用数字信号处理中的一些常用算法优化，可为一些典型的数字信号处理提供加速，使一些高速系统的实时数据处理成为可能，从而进一步提高了DSP芯片的执行效率和处理能力。如并行指令，能够实现寄存器并行装入，并行算术/逻辑运算和存储运算，使并行操作能力大大提高。14专用的寻址方式DSP处理器往往都支持专门的寻址方式，这些寻址方式对通常的信号处理操作很有用，也很方便。例如，位倒序寻址使FFT实现起来就很方便。而在通用处理器中这些专门的寻址模式是不常使用的，即使用一般也要用软件来实现。定点计算和定点DSP指令集定点机器比起相应的浮点机器来要便宜而且运算更快。所以大多数DSP使用定点计算，而不是使用浮点。为了不使用浮点机器而又保证数字的准确，DSP处理器在指令集和硬件方面都支持饱和计算、舍入和移位。15TMS320C55xDSP芯片的体系结构数据“读”数据总线BB、CB、DB（每根16位）数据“读”地址总线BAB、CAB、DAB（每根23位）程序“读”数据总线PB（32位）程序”读”地址总线PAB（24位）内存接口单元指令缓冲单元程序流单元地址—数据单元数据运算单元CPAD数据“写”数据总线EB、FB（每根16位）数据“写”地址总线EAB、FAB（每根23位）外部程序总线外部数据总线16C55x由3个主要部分组成：CPU、存储空间、片内外设。C55x系列具有统一的CPU内核，有4个功能单元构成：指令缓冲单元（I单元）、程序流单元（P单元）、地址—数据流单元（A单元）和数据运算单元（D单元）。功能单元的具体构成和基本功能如下：指令缓冲单元（I单元）包括位指令缓冲队列和指令译码器。此单元接收程序代码并放入指令缓冲队列，由指令译码器解释指令，然后再把指令流传给其他的P单元、A单元和D单元来执行这些指令。程序流单元（P单元）包括程序地址发生器、程序控制逻辑。该单元产生所有程序空间地址，并发送到PAB总线，达到控制程序流的目的。17地址—数据流单元（A单元）包括数据地址产生电路（DAGEN）,附加的16位算术逻辑单元ALU和一组寄存器。该单元产生读/写数据空间地址，并发送到BAB、CAB和DAB总线上。数据运算单元（D单元）包括40位桶形移位器、2个乘加单元（MAC）和1个40位的算术逻辑单元ALU和若干寄存器。D单元是CPU中主要的数据执行部件，完成大部分数据的算术运算工作。18C55x包括了统一的存储空间和I/O空间。C55x的片内存储空间共有352KB，其中双口RAM（DARAM）在每个周期能执行两个访问操作；单口RAM（SARAM）在每个周期能执行一个访问操作。外部存储空间共有8MB（16位）最大寻址，由片选信号CE[0…3]来选择。存储区支持的类型有异步SRAM、异步EPROM、同步DRAM和同步SRAM.。整个16MB存储空间作为程序空间或数据空间均可寻址。程序空间当CPU从程序存储区读指令时才访问程序空间。当程序从存储区或寄存器读/写数据时，需访问数据空间。C55x的I/O空间与程序/数据空间分开，它仅在访问DSP的片内外设寄存器时有效。I/O空间的字地址为16位宽、能访问64KB地址。CPU用数据读地址总线读和数据写地址总线写。当CPU读/写I/O空间时，将16位地址前补0来扩展成24位地址。DSP的片内外设完成的主要功能包括采集原始数据、输出处理结果、控制其他设备等199.3DSP系统设计基础技术参考资料与相关源码的获取在设计开发一个DSP系统时，系统中的DSP芯片确定以后，很重要的就是获得该DSP芯片的相关技术参考资料及得到其相关源码。一般提供相应芯片的厂商都会有专门的网站进行技术支持，如美国的TI公司、Motorola公司等。在TI公司网站的搜索中用关键字搜索资料，主要的技术文档包括ApplicationNotes、userguides，这些资料一般均有PDF文档说明和相应的源程序包提供，下载（download）后做少许改动即可应用。20必看资料讲述DSP的CPU、Memory、ProgrammeMemoryAddressing、DataMemoryAddressing的文档资料；设计过程中要用到的外设的资料；C语言和汇编语言的编程指南；汇编指令和C语言的运行支持库、DSPLIB等资料。其他的如：ApplicationGuide、OptimizingCC++ComplierUser’sGuide、AssemblyLanguageToolsUser’sGuide等资料可在DSP设计入门后再去详细阅读，体会会更深一些。同时我们也可以登陆一些相应的DSP技术论坛、技术网站来获取相关资料。21DSP型号的选择主要的DSP厂商的产品概况公司名称产品型号技术特征集成有针对多媒体应用的DSP和RISC芯核；提供具有灵活用户接口的单元系统功能OMAP5910TMS320C2000TMS320C5000TMS320C6000TMS320DM642TMS320DR1200TMS320DM310TMS320DSCX组成有供嵌入式控制业用的性能和外设；代码兼用DSP旨在嵌入式控制设备用C5000DSP平台提供多于30个代码兼容装置；C5501和C5502为300MHz双乘一加单元DSP，功能小于200mW，成本低于10美元性能能从1200MIPS什级到4800MIPS；TMS320DM642的功耗不到1.5W该处理器功耗小于500mW；该处理器提供实时MPEG-4视频/编码始终速度为100MHz；功耗小于1WTexasInstrumentsADSP-21xADSP-21xxxSHARCADSP-215xxBLACKFINADSP-2199xADSP-TS101TIGERSHARC处理器都内含容量高达2.4MB的片上SRAM，集成有一个可编程DMA控制器，课处理24位指令和16位数据采用超级哈佛体系结构，并具有SIMD（单指令多数据）功能和SISD（单指令但数据）功能；2个计算功能块双MAC单元、300MHz时钟频率和用于平衡系统性能和功耗的动态电源管理功能；支持8/16/32位整数型数据和16/32为分数型数据应用于嵌入式信号处理和控制设备应用于多处理设备和第3代无线通信基础设施；2个计算功能块，2个整数ALUAnalogDeviceDSP56800和DSP56800ESPXK5SAF7730CS494xxST100MotorolaNECPhilipsCirrcusLogicSTMicroelectronics采用微控制/DSP混