第1章数字信号处理和DSP系统

TMS320C55xDSP原理及应用12020/11/21DSP技术基础邹修国[e-mail]2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用2第1章数字信号处理和DSP系统1.1实时数字信号处理技术的发展1.2数字信号处理器的特点1.3德州仪器公司的DSP产品1.4DSP芯片的选择1.5DSP应用系统设计流程2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用3第1章数字信号处理和DSP系统首先了解什么是嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用4第1章数字信号处理和DSP系统嵌入式系统的分类嵌入式微控制器（MCU）嵌入式DSP处理器（DSP）嵌入式微处理器（MPU）嵌入式片上系统（SystemOnChip）嵌入式处理器2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用5第1章数字信号处理和DSP系统1.1实时数字信号处理技术的发展20世纪80年代以前，数字信号处理技术处于理论研究阶段，人们利用通用计算机进行数字滤波、频谱分析等算法的研究，以及数字信号处理系统的模拟和仿真。20世纪80年代以来，数字信号处理技术走向高峰的则是因为实时数字信号处理技术的高速发展。实时数字信号处理对数字信号处理系统的处理能力提出了严格的要求，所有运算、处理都必须小于系统可接受的最大时延。2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用6典型实时数字信号处理系统的基本部件包括：抗混叠滤波器（Anti-aliasingfilter）模/数转换器（Analog-to-DigitalConverter，ADC）数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，DSP）数/模转换器（Digital-to-AnalogConverter，DAC）抗镜像滤波器（Anti-imagefilter）第1章数字信号处理和DSP系统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转换器低通滤波器典型实时数字信号处理系统框图2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用71．利用通用计算机处理器如X86完成实时数字信号处理第1章数字信号处理和DSP系统为什么要选择专用的DSP芯片？完成数字信号处理的几种硬件对比优点：（1）处理器选择范围较宽：X86处理器涵盖了从386到奔腾系列，处理速度从100MHz到几GHz。（2）主板及外设资源丰富：有多种主板及扩展子板可供选择，节省了用户的大量硬件开发时间。（3）有多种操作系统可供选择：包括Windows、Linux、WinCE等。（4）开发、调试较为方便：使用者不需要很深的硬件基础，只要能够熟练使用VC、C-Build等开发工具即可进行开发。2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用8缺点：第1章数字信号处理和DSP系统（1）数字信号处理能力不强：没有专用乘法器等资源，寻址方式也没有为数字信号处理进行优化。（2）硬件组成较为复杂：五大件组成复杂。（3）系统体积、重量较大，功耗较高。（4）抗环境影响能力较弱：便携系统工作环境中的温度、湿度、振动、电磁干扰等都会给系统正常工作带来影响，通用计算机难以克服这些困难。2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用92．利用通用微处理器如ARM完成实时数字信号处理（1）可选范围广：通用微处理器种类多，使用者可从速度、片内存储器容量、片内外设资源等各种角度进行选择，许多处理器还为执行数字信号处理专门提供了乘法器等资源。（2）硬件组成简单：只需要非易失存储器，A/D、D/A即可组成最小系统，这类处理器一般都包括各种串行、并行接口，可以方便地与各种A/D、D/A转换器进行连接。（3）系统功耗低，适应环境能力强。第1章数字信号处理和DSP系统优点：2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用10（1）信号处理的效率较低：以一个两个数值乘法为例，处理器需要先用两条指令从存储器当中取值到寄存器中，用一条指令完成两个寄存器的值相乘，再用一条指令将结果存到存储器中，这样，完成一次乘法就花费了4条指令，使信号处理的效率难以提高。（2）内部DMA通道较少：数字信号处理需要对大量的数据进行搬移，如果这些数据搬移全部通过CPU进行，将极大的浪费CPU资源，但通用处理器往往DMA通道数量较少，甚至没有DMA通道，这也将影响信号处理的效率。第1章数字信号处理和DSP系统缺点：针对这些缺点，解决方法：1、内嵌硬件数字信号处理单元，如很多视频处理器产品都是在ARM9处理器中嵌入H.264、MPEG4等硬件视频处理模块，从而取得了较好的处理效果2、单片集成ARM处理器和DSP处理器，类似的产品如德州仪器的OMAP处理器及最新的达芬奇视频处理器，它们就是在一个芯片中集成了一个ARM9处理器和一个C55x处理器或一个C64x处理器。2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用113．利用可编程逻辑阵列如FPGA进行实时数字信号处理随着微电子技术的快速发展，FPGA的制作工艺已经进入到45nm时期，这意味在一片集成电路当中可以集成更多的晶体管，芯片运行更快，功耗更低。优点：（1）适合高速信号处理：FPGA采用硬件实现数字信号处理，更加适合实现高速数字信号处理，对于采样率大于100MHz的信号，采用专用芯片或FPGA是适当的选择。（2）具有专用数字信号处理结构：纵观当前最先进的FPGA，如ALTERA公司的StratixⅡ、Ⅲ系列、CycloneⅡ、Ⅲ系列，Xilinx公司的Virtex-4、Virtex-5系列都为数字信号处理提供了专用的数字信号处理单元，这些单元由专用的乘法累加器组成，所提供的乘法累加器不仅减少了逻辑资源的使用，其结构也更加适合实现数字滤波器、FFT等数字信号处理算法。第1章数字信号处理和DSP系统2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用12缺点：（1）开发需要较深的硬件基础：无论用VHDL还是VerilogHDL语言实现数字信号处理功能都需要较多的数字电路知识，硬件实现的思想与软件编程有着很大区别，从软件算法转移到FPGA硬件实现存在着很多需要克服的困难。（2）调试困难：对FPGA进行调试与软件调试存在很大区别，输出的信号需要通过示波器、逻辑分析仪进行分析，或者利用JTAG端口记录波形文件，而很多处理的中间信号量甚至无法引出进行观察，因此FPGA的更多工作是通过软件仿真来进行验证的，这就需要编写全面的测试文件，FPGA的软件测试工作是十分艰巨的。第1章数字信号处理和DSP系统2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用134．利用数字信号处理器DSP实时实现数字信号处理数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，DSP）是一种专门为实时、快速实现各种数字信号处理算法而设计的具有特殊结构的微处理器。上世纪90年代以来，DSP芯片的发展突飞猛进。其功能日益强大，性能价格比不断上升，开发手段不断改进。DSP芯片已成为集成电路中发展最快的电子产品之一。DSP芯片迅速成为众多电子产品的核心器件，DSP系统也被广泛地应用于当今技术革命的各个领域——通信电子、信号处理、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器、电力电子，而且新的应用领域还在不断地被发现、拓展。可以说，基于DSP技术的开发应用正在成为数字时代应用技术领域的潮流。第1章数字信号处理和DSP系统2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用141.2数字信号处理器的特点第1章数字信号处理和DSP系统2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用151.2.1存储器结构第1章数字信号处理和DSP系统微处理器的存储器结构分为两大类：冯·诺伊曼结构和哈佛结构。由于成本的原因，GPP广泛使用冯·诺伊曼存储器结构。典型冯·诺伊曼结构的特点是只有一个存储器空间、一套地址总线和一套数据总线；指令、数据都存放在这个存储器空间中，统一分配地址，所以处理器必须分时访问程序和数据空间。通常，做一次乘法会发生4次存储器访问，用掉至少4个指令周期。为了提高指令执行速度，DSP采用了程序存储器空间和数据存储器空间分开的哈佛结构和多套地址、数据总线。哈佛结构是并行体系结构，程序和数据存于不同的存储器空间，每个存储器空间独立编址、独立访问。因此，DSP可以同时取指令（来自程序存储器）和取操作数（来自数据存储器）；而且，还允许在程序空间和数据空间之间相互传送数据。哈佛读/写结构使DSP很容易实现单周期乘法运算。2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用16一哈佛结构Program/DataMemoryCPUa)冯诺依曼结构ProgramMemoryCPUDataMemoryb)改善的哈佛结构第1章数字信号处理和DSP系统2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用171.2.2流水线流水线结构将指令的执行分解为取指、译码、取操作数和执行等几个阶段。在程序运行过程中，不同指令的不同阶段在时间上是重叠的，流水线结构提高了指令执行的整体速度，有助于保证数字信号处理的实时性。因此，所有DSP均采用一定级数的流水线，如TMS320C54xDSP采用6级流水线，而TMS320C6xxxDSP采用8级流水线。TMS320C55xDSP的流水线则被分为指令流水线和执行流水线两部分，指令流水线完成访问地址产生、等待存储器回应、取指令包、预解码等工作；执行流水线完成译码、读取/修改寄存器、读操作数和输出结果等工作。第1章数字信号处理和DSP系统2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用181.2.3硬件乘法累加单元第1章数字信号处理和DSP系统由于DSP任务包含大量的乘法—累加操作，所以DSP处理器使用专门的硬件来实现单周期乘法，并使用累加器寄存器来处理多个乘积的累加；而且几乎所有DSP指令集都包含有MAC指令。而GPP通常使用微程序实现乘法。2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用191.2.4零开销循环第1章数字信号处理和DSP系统DSP算法的特点之一是主要的处理时间用在程序中的循环结构中，因此多数DSP都有专门支持循环结构的硬件。所谓“零开销”（zerooverhead）是指循环计数、条件转移等循环机制由专门硬件控制，而处理器不用花费任何时间。通常GPP的循环控制是用软件来实现的。2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用201.2.5特殊的寻址方式第1章数字信号处理和DSP系统除了立即数寻址、直接寻址、间接寻址等常见寻址方式之外，DSP支持一些特殊的寻址方式。例如为了降低卷积、自相关算法和FFT算法的地址计算开销，多数DSP支持循环寻址和位倒序寻址。而GPP一般不支持这些寻址方式。2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用211.2.6高效的特殊指令第1章数字信号处理和DSP系统DSP指令集设计了一些特殊的DSP指令用于专门的数字信号处理操作。这些指令充分利用了DSP的结构特点，提高了指令执行的并行度，从而大大加快了完成这些操作的速度。例如TMS320C55xx中的FIRSADD指令和LMS指令，分别用于对称结构FIR滤波算法和LMS算法。2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用221.2.7丰富的片内外设第1章数字信号处理和DSP系统根据应用领域的不同，DSP片内集成了众多类型的硬件设备。例如，定时器、串行口、并行口、主机接口（HPI）、DMA控制器、等待状态产生器、PLL时钟产生器、JTEG标准测试接口、ROM、RAM及Flash等。这些片内外设提高了处理速度和数据吞吐能力，简化了接口设计，同时降低了系统功耗和节约了电路板空间。2020/11/21TMS320C55xDSP原理及应用231.3德州仪器公司的DSP产品按照应用领域的