DSP技术教案-重庆科创学院

DSP技术教案第1页重庆科创学院教师授课教案课程名称DSP技术课程性质专业课授课对象授课时数教学日期重庆科创职业学院机电工程学院电信教研室年月日DSP技术教案第2页第1章绪论Ⅰ．教学目的:学习DSP技术的内涵、发展的两个领域及实现方法，学习可编程DSP芯片的结构特点、分类及其应用情况。，Ⅱ．教学要求：①了解DSP技术的内涵，DSP芯片的发展及趋势、DSP的应用领域；②掌握DSP芯片的分类、结构特点；③熟悉DSP应用系统设计过程。Ⅲ．教学重点：①DSP技术的内涵②DSP的应用领域③DSP芯片的分类、结构特点Ⅳ．教学难点：①DSP芯片的结构②DSP应用系统设计过程Ⅴ．教学方法：课堂讲授Ⅵ．教学内容：1.1概述1.1.1DSP与DSP技术DigitalSignalProcessing——指数字信号处理的理论和方法。DigitalSignalProcessor(DSP)——指用于进行数字信号处理的可编程微处理器。DigitalSignalProcess——指DSP技术，即采用通用的或专用的DSP处理器完成数字信号处理的方法与技术。1.1.2DSP技术发展的两个领域1．数字信号处理的理论和方法的发展数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。2．DSP处理器性能的提高DSP技术的发展在上述两方面是互相促进的，理论和算法的研究推动了应用，而应用的需求又促进了理论的发展。1.1.3数字信号处理的实现方法(1)在通用型计算机上用软件实现。(2)在通用型计算机系统中加上专用的加速处理器实现。(3)在通用型单片机(如MCS-51、MCS-96系列等)上实现。(4)用通用型可编程DSP芯片实现。DSP技术教案第3页(5)用专用型DSP芯片实现。本课程主要讨论数字信号处理的软硬件实现方法，即利用数字信号处理器(DSP芯片)，通过配置硬件和编程，实现所要求的数字信号处理任务。1.1.4DSP系统的特点(1)精度高、抗干扰能力强，稳定性好。(2)编程方便、易于实现复杂算法(含自适应算法)。(3)可程控。(4)接口简单、方便。(5)集成方便。1.2可编程DSP芯片1.2.1DSP芯片的结构特点1.改进的哈佛结构为了提高信号处理的效率，在哈佛结构的基础上，又加以改进，使得程序代码和数据存储空间之间也可以进行数据的传送，称为改进的哈佛结构。2.多总线结构许多DSP芯片内部都采用多总线结构，这样可以保证在一个机器周期内可以多次访问程序空间和数据空间。对DSP来说，内部总线是十分重要的资源，总线越多，可以完成的功能就越复杂。3.流水线技术(pipeline)DSP处理器所采用的将程序存储空间和数据存储空间的地址与数据总线分开的哈佛结构，为采用流水线技术提供了很大的方便。DSP技术教案第4页4.多处理单元DSP内部一般都包括多个处理单元，它们可以在一个指令周期内同时进行运算。DSP的这种多处理单元结构，特别适用于大量乘加操作的矩阵运算、滤波、FFT、Viterbi译码等。5.特殊的DSP指令为了更好地满足数字信号处理应用的需要，在DSP的指令系统中，设计了一些特殊的DSP指令。如，FIRS和LMS指令，专门用于系数对称的FIR滤波器和LMS算法。6.指令周期短随着集成电路工艺的发展，DSP广泛采用亚微米CMOS制造工艺，其运行速度越来越快。TMS320C54其运行速度可达100MIPS。TMS320C6203的时钟为300MHz，运行速度达到2400MIPS。7.运算精度高早期DSP的字长为8位，后来逐步提高到16位、24位、32位。为防止运算过程中溢出，有的累加器达到40位。8.丰富的外设新一代DSP片内具有主机接口(HPI)，直接存储器访问控制器(DMAC)，外部存储器扩展口，串行通信口，中断处理器，定时器，锁相环时钟产生器以及实现在片仿真符合IEEE1149.1标准的测绘访问口，更易于完成系统设计。9.功耗低许多DSP芯片都可以工作在省电方式，使系统功耗降低。DSP芯片只有0.1W，可用电池供电。DSP是一种特殊的微处理器，不仅具有可编程性，而且其实时运行速度远远超过通用微处理器。其特殊的内部结构、强大的信息处理能力及较高的运行速度，是DSP最重要的特点。DSP芯片的上述特点，使其在各个领域得到越来越广泛的应用。1.2.2DSP芯片的分类1.按数据格式分类定点DSP：在定点DSP中，数据采用定点方式表示。它有两种基本表示方法：整数表示方法和小数表示方法。数据以定点格式工作的DSP芯片称为定点DSP芯片，该芯片简单、成本较低。浮点DSP：在浮点DSP中，浮点数在运算中，表示数的范围由于其指数可自动调节，因此可避免数的规格化和溢出等问题。但浮点DSP一般比定点DSP复杂，成本也较高。2.按用途分类通用型DSP芯片：一般指可以用指令编程的DSP芯片，适合普通的DSP应用。专用型DSP芯片：是为特定的DSP运算而设计，适合特殊的运算，如数字滤波、卷积DSP技术教案第5页和FFT等。1.2.3DSP芯片的发展及趋势1.DSP芯片的发展历程第一代：（1978年）世界上第一片单片DSP芯片AMI公司的S2811。第二代：（20世纪80年代中期）基于CMOS工艺的DSP应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理及图像处理技术的基础。第三代：（20世纪80年代后期）DSP芯片运算速度进一步提高，应用范围逐步扩大到通信和计算机领域。第四代、第五代：（20世纪90年代）相继出现，第五代产品与第四代相比，系统集成度更高，将DSP芯核及外围元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到人们的日常消费领域。TI公司自1982年成功推出第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品后，现已推出目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62x/C67x。2.国内DSP的发展我国DSP产品主要来自海外。国内引入的主流产品有TMS320F2407(电机控制)、TMS320C5409(信息处理)、TMS320C6201(图像处理)等。对DSP的发展，与国外相比，我国在硬件、软件上还有很大的差距，还有很长一段路要走。1.2.4DSP芯片的应用常见的典型应用如下：(1)通用数字信号处理：数字滤波、卷积、相关、FFT、自适应滤波、谱分析等。(2)语音识别与处理：语音识别、合成、矢量编码、语音鉴别和语音信箱等。(3)图形/图像处理：二维/三维图形变换处理、模式识别、图像鉴别、电子地图等。(4)仪器仪表：暂态分析、函数发生、波形产生、石油/地质勘探、地震预测与处理等。(5)自动控制：磁盘/光盘伺服控制、机器人控制、发动机控制和引擎控制等。(6)医学工程：助听器、X射线扫描、心电图/脑电图、病员监护和超声设备等。(7)家用电器：数字电视、高清晰度电视(HDTV)、高保真音响、数字电话等。(8)通信：纠错编/译码、自适应均衡、分集接收、数字调制/解调、软件无线电等。(9)计算机：阵列处理器、图形加速器、工作站和多媒体计算机等。(10)军事：雷达与声呐信号处理、导航、制导、保密通信、全球定位、电子对抗、等。1.3TMS320系列DSP概述TI公司常用的DSP芯片可以归纳为三大系列：TMS320C2000系列——包括TMS320C2xx/C24x/C28x等；TMS320C5000系列——包括TMS320C54x/C55x；TMS320C6000系列——包括TMS320C62x/C67x/C64x。1.3.1TMS320C2000系列简介TMS320C2000系列DSP控制器，具有很好的性能，集成了Flash存储器、高速A/D转换器以及可靠的CAN模块，主要应用于数字化的控制。DSP技术教案第6页C28x是到目前为止用于数字控制领域性能最好的DSP芯片。TMS320C2000系列DSP芯片价格低，具有较高的性能和适用于控制领域的功能。因此在工业自动化、电动机控制、家用电器和消费电子等领域得到广泛应用。1.3.2TMS320C5000系列简介TMS320C5000系列DSP芯片目前包括了TMS320C54x和TMS320C55x两大类。C54x是16位定点DSP，适应远程通信等实时嵌入式应用的需要。C55x是C5000系列DSP中的子系列，是从C54x发展起来的，C55x非常适合个人的和便携式的应用，以及数字通信设施的应用。1.3.3TMS320C6000系列简介TMS320C6000系列是TI公司从1997年开始推出的最新的DSP系列。采用TI的专利技术VeloiTI和新的超长指令字结构，使该系列DSP的性能达到很高的水平。C6000所采用的类似于RISC的指令集，以及流水技术的使用，可以使许多指令得以并行运行。C6000系列现在已经推出了C62x/C67x/C64x等3个子系列。C6000系列DSP广泛地应用在数字通信和图像处理领域。1.4DSP系统设计概要1.4.1DSP系统设计过程1.算法研究与优化这一阶段主要是根据设计任务确定系统的技术指标。2.DSP芯片及外围芯片的确定根据算法的运算速度、运算精度和存储要求等参数选择DSP芯片及外围芯片。3.软硬件设计阶段(1)按照选定的算法和DSP芯片对系统的各项功能是用软件实现还是硬件实现进行初步分工。(2)根据系统技术指标要求着手进行硬件设计，完成DSP芯片外围电路和其他电路的设计。DSP技术教案第7页(3)根据系统技术指标要求和所确定的硬件编写相应的DSP汇编程序，完成软件设计。4.硬件和软件调试阶段硬件调试一般采用硬件仿真器进行，软件调试一般借助DSP开发工具进行。5.系统集成与测试阶段系统的软件和硬件分别调试完成后，就可以将软件脱离开发系统而直接在应用系统上运行，评估是否完成设计目标。1.4.2DSP芯片的选择1.DSP芯片的运算速度2.DSP芯片的运算精度3.片内硬件资源4.DSP芯片的功耗5.DSP芯片的开发工具6.DSP芯片的价格7.其他因素1.4.3DSP应用系统的开发工具1.代码生成工具2.软仿真器(simulator)3．硬仿真器(emulator)4.集成开发环境CCS(CodeComposerStudio)5.DSK系列评估工具及标准评估模块(EVM)Ⅷ．参考资料：《DSP技术及应用》北京大学出版社吴冬梅编Ⅸ．作业：教材：1.5习题与思考题1，2，3，6，7Ⅹ．本章小结：本章首先介绍DSP技术的内涵、发展的两个领域及实现方法，其次介绍可编程DSP芯片的结构特点、分类及其应用情况，最后概括地介绍了DSP系统的设计过程。第2章TMS320C54x的硬件结构Ⅰ．教学目的:学习C54x的内部结构和总线结构的特点，学习C54x中央处理单元的组成及存储器空间的分配，学习C54x中断系统的工作原理。DSP技术教案第8页Ⅱ．教学要求：①了解TMS320C54x的内部结构和特点；②掌握总线结构、中央处理单元的组成；③重点掌握存储器空间的分配及中断系统的工作原理。Ⅲ．教学重点：①TMS320C54x的总线结构、中央处理单元的组成；②TMS320C54x的存储器空间的分配；③TMS320C54x的中断系统。Ⅳ．教学难点：①C54x的中央处理单元的组成②C54x的中断系统Ⅴ．教学方法：课堂讲授Ⅵ．教学内容：2.1TMS320C54x硬件结构框图2.1.1TMS320C54x内部结构(1)中央处理器CPU(2)存储器系统(3)片内外设与专用硬件电路2.1.2TMS320C54x主要特性1.CPU部分(1)先进的多总线结构(1条程序总线、3条数据总线和4条地址总线)。(2)40位算术逻辑运算单元(ALU)。(3)1717位并行乘法器，与40位专用加法器相连。(4)比较、选择、存储单元(CSSU)，用于加法/比较选择。(5)指数编码器，可以在单个周期内计算40位累加器中数值的指数。(6)双地址生成器，包括8个辅助寄存器和2个辅助寄存器算术运算单元(ARAU)。2.存储器系统(1)具有192K字可寻址存储空间：64K字程序存储空间、数据存