（控制理论与控制工程专业论文）高性能dsp系统的设计与软件实现技术研究.pdf

摘要 摘要 数字化技术正在极大地改变着我们的生活和体验。作为数字化技术的基石， 数字信号处理( d s p ) 技术已经、正在、并且还将在其中扮演一个不可或缺的角色。 现在其触角已广泛地拓展到了更多的嵌入式数字多媒体应用领域，同时更以其完 全软件可编程的灵活性，在众多的数字信息产品解决方案中发挥着越来越大的作 用。 本文以t i 公司生产的高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 为对象，系统研究并设计了 以其为核心的d s p 系统，在硬件设计上实现了基本最小系统主要是设计完成了d s p 程序、数据的存储、计算，针对音频的信号输入、输出及处理功能，并进一步考 虑采用c p l d 考虑进行接口扩展的问题。在软件方面研究了d s p 系统软件实时操作 系统( r t o s ) 的实现技术。探索研究了作为嵌入式系统的实现实时操作系统 ( r t o s ) 的各大功能模块：系统基础( s y s t e m ) 模块、监测类( i n s t r u m e n t a t i o n ) 模块、时序线程安排类( s c h e d u l i n g ) 模块、线程调度类( s y n c h r o n i z a t i o n ) 模块、输入输出类( i n p u t o u t p u t ) 模块每个部分的基本功能、作用，并作以相应 必要的说明。 本文的主要创新工作在于： 1 、充分考虑了作为一个d s p 试验开发系统，在d s p 系统硬件方面所需要的简 便、灵活性，根据所要设计实现的功能划分成不同的单一功能模块进行设计和实 现。这样将一个整体性的问题划分成针对不同功能模块的小问题去实现，极大的 方便和简化了设计的实现及调试过程。在系统整合的时候充分考虑不同模块之间 的相互结合以及运行的可靠、稳定，作了相应的辅助设计，使目的得到实现。 2 、进一步考虑了使用c p l d 进行接口扩展的问题，以使系统以后进行硬件接 口及功能扩展更方便，使用更灵活。 3 、在d s p 的软件设计实现方面，所作的工作不是仅仅局限于d s p 芯片的常见 性编程和一些简单应用，而是深入到d s p 芯片软件应用的核心实时操作系统 ( r t o s ) ，探索研究了可以提供底层应用函数接口的r t o s b i o s 的主要功能模块 构成及应用。为以后进行d s p 芯片内部的资源优化及配置，更方便灵活的使用d s p 芯片打下了坚实的基础。 关键词：嵌入式系统d s p 系统d s p 软件t i c 6 0 0 0 系统 实时操作系统( r i o s ) a b s h a c t a b s t r a c t d i g i t a lt e c h l o g ya r e 删l yi i l i l o v a 恤go u rl 确a n de x p e r i e n c e a st l l eb 嬲i so f d i 班a lt e c l l r l o l o 盱，t h ed s p sh a v eb e g 趾t oa n d a r ep l a y i n gav e r yi m p o r t a i l tp a r ti i li t 1 1 1 i sa r t i c l ec o n c e n 廿a c e so nt h el l i 吐p c f f o m i n c ed s pc h i pt m s 3 2 0 c 6 7 1 3 血e p r o d u c to f t ic o r p o r a 畸。璐，m dh 器ag o o dr e s e a r c ho nt l l ed s ps y g t e m w bd e s i 弘a s y s t e m 、】l ，i t hi ta n dc o m p l e t ei 乜l e a s ts y 蚰e m sr e a l i 刎o nb yh a r d 啪r e o i l rd e s i 盟 c o m p l e t et h es t o m g ea n dc o m m 删o ni nd s p sp r o g r a ma i l dd a 氓t l l ei n p u t ，o u _ c p m o fa u d i oa n dd e a lw i t hi t a c c o r d i n gt on l ew h o l ef u n a t i o n ，w ed i v i d ei ti n t oa n d d e s i p 皿s o m ed i n e r e mm o d l l l et or e a l i z ei t so w n 矗l n c l i o na sad s p ss y s t e mi i li t s r e a l i z a t i o no fh 村d 、a r e w ba l s od oag o o de x t e n s i o no fi i i t 柏c eb yc p l d w h a t s m o r c ，w ee x p l o r eh a wt or e a l i z et h er e a lt i m eo p e m t i n gs y s t e i n ( r t o s ) o fd s p s s y s t e mi i ls o f t w a r e i n 血ed c s i g n 趾dr e a l i 洲o no fs o f i 、v a r e ，w et a ：k e i 士l t oa c c o u n t h o wt or e a l i z e 也ee m b e d i ms v s t c ma n di t sm a i n 铀c 廿o nm o i i u l e ：s v s 蛐m o d u l e ， i i l s 衄吼e n t a t i o nm o d m e ，s 蛐l i n gm o d u l e ，s w l c b r o i l j z a t j o nm o d l l l e ，i n _ p 州o u t p u t m o c 眦et b e i rb a s i c 丘m 撕o n sa n dn e c e s s a r ye x p l a i no ft i l e s ep a r t s a 丑d 1 en e w m e 山o d sa n di d e a so f t l l i sp a p e ra r e ： 1 t k sp a p e rc o n s i d e r 趣c h a r 王心e r i s t i co f m ed s p ss y s t 呱a n di ts h o u db em o r e n e x i b l ea n dc o n v e 血e n t s ow ec a n 臼：a n s l a t e 丘o m 地w h o l ed r d b l e mi l l t os o m e d i 岱玳i n ts m a l lm o d u l ew i mi 乜o w nf i l i l c t i o n n ：i i sc h a i l g e 掣e a n ys i m p l i f i e so l l r d e s i g n 蛆dd e b u g d u 血gt h es y s t 锄si n c o r p o 聪血o n ，w et a ：k eg o o dc a r eo fd i f r e r e n t m o d u l e sc o m b i n a ：t i o n ，i t sr e l i a b i l i t y 姐ds t a b i l i t _ y f o rt l l e s e w em a k e s o m ea s s i s t a n t d e s i 驴r c a l i z eo l l rf i r s tp u r p o 2 i no r d e ft oa 【t e n di i l t e r f h c e 趾df i l n c d o no ft h es v s t 朗nf b e l vi n 也ef l l t u r e ，w e ma ：k eu s eo f c p l dc o m d l e t ei l l t a f f k e se x “m s i o n 3 i nm ed e s i 髓a n dr e a l i z a t i o no f d s p ss o f t w a r c ，w h a tid oi sn o to i l l y 也e c o m m o np r o 罩卸姗e趾ds o m es i m p l ea 和l p l i c a t i o n s ，b mt h ec o r eo fd s p s s o f t w a r e - r e a lt i m eo p e 础n gs y 蜘佃t o s ) t h er e 解e a r c ho nr t o s b 1 0 s w i t ha p p l i c a d o ni n t e r f k em a k e si tc l e a ri nt h ef u c t i o na n da p p l i c a d o no fi t sm a i n m o d m e t 1 1 i sw o r km a k e sag o o db 勰i so fo p n m i 翻缸0 n 趾dc o l l o c a t e i o ni i ld s p s r e s o u r c e 雏dw ec 锄u s ei tm o r en e ) 【i b l ei 1 1t l l ef i n ：i 】r e k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m d s ps y s t e mt ic 6 0 0 0s ys c l 锄r e a l1 缸l e o p e m t i n gs y s t e m ( r t o s ) 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：馋苫钢 2d d 年5 月_ 7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间、：年月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：佬吉争网 2 d d 年歹月上7 日 第一章绪论 第一章绪论 第一节引言 d s p 占据嵌入式通信终端和基础设施市场的主导地位之后，现在其触角也已 广泛地拓展到了更多的嵌入式数字多媒体应用领域，同时更以其完全软件可编程 的灵活性，在众多的数字信息产品解决方案中发挥着越来越大的作用。“十年之 内，d s p 有可能成为最大的半导体产业。”出自t i 总裁兼首席执行官t o m e n 西b o u s 的一句话为d s p 的显赫地位一锤定音。 数字信号处理( d s p ) 是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴 学科。在通常的实时信号处理中，它具有可程控、可预见性、精度高、稳定性好、 可靠性和可重复性好、易于实现自适应算法、大规模集成等优点，这都是模拟系 统所不及的。 2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技 术得到迅速的发展。世界上第一个数字信号处理器芯片( d i g i t a ls i 印a l p r o c e s s o r 简称d s p ) 于1 9 7 8 年问世，才开始将理论研究成果广泛应用到低成本 的实际系统中。而后，d s p 凭着其特有的灵活性、精确性、稳定性、可重复性、 体积小、功耗低、易于大规模集成，特别是可编程性和易于实现自适应处理等特 点，给数字信号处理带来了巨大的发展机遇，并使得信号处理手段更灵活、功能 更复杂，其应用领域也拓展到国民经济生活的诸多方面。近来新兴的一些学科， 如人工智能、模式识别、神经网络等，都与数字信号处理密不可分。可以说，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。毫不夸张地说，d s p 芯片的诞生及发展对近2 0 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特别是近年来，由于 半导体制造工艺的发展和计算机体系结构等方面的改进，d s p 芯片的功能也越来 越强大。这使得信号处理研究的重点在很大的程度上可以放在软件的算法实现 上，而不用像以前那样需要更多的考虑硬件的实现。随着d s p 运算速度的提高， 能够实时处理信号的带宽也大大增加，数字信号处理的研究重点也由最初的非实 时应用转向了实时应用。 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，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，以得到符合人们需要的信号形式。 它是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。数字信号 处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过来，数字信号处理的 第一章绪论 应用又促进了数字信号处理理论的提高。而数字信号处理的实现则是理论和应用 之间的桥梁。它是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛。例如， 在数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基 本工具，与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。 1 1 1d s p 芯片功能介绍 d s p 芯片，也称数字信号处理器，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。根据数字信 号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； ( 7 ) 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 1 1 2d s p 的发展历史及现状 d s p 的发展大致分为三个阶段 在数字信号处理技术发展的初期( 二十世纪5 0 6 0 年代) ，人们只能在微处 理器上完成数字信号的处理。直到7 0 年代，有人才提出了d s p 的理论和算法基 础。一般认为，世界上第一个单片d s p 芯片应当是1 9 7 8 年m i 公司发布的 s 2 8 1 1 。1 9 7 9 年美国i i l t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主 要里程碑。这两种芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。1 9 8 0 年，日本n e c 公司推出的m p d 7 7 2 0 是第一个具有硬件乘法器的商用d s p 芯 片，从而被认为是第一块单片d s p 器件。 随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年美国德州仪器公司推出世界上第 一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品，标志着实时数字信号处理领域的重大 突破。t i 公司之后不久相继推出了第二代d s p 芯片t m s 3 2 0 2 0 、 t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 、第三代d s p 芯片1 m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2 。9 0 年代d s p 发 展最快，t i 公司相继推出第四代d s p 芯片1 m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 、第五代d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 5 ) ( c 5 4 x 、第二代d s p 芯片的改进型1 m s 3 2 0 c 2 x x 、集多片d s p 芯 片于一体的高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 c 8 x 以及目前速度最快的第六代d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 6 2 ) ( c 6 7 x 等。t i 将常用的d s p 芯片归纳为三大系列，即： 2 第一章绪论 1 m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 2 2 x x ) 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括 1 m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x c 5 5 x ) 、1 m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列( t m s 3 2 0 c 6 2 ) ( c 6 7 x ) 。如今， t i 公司的一系列d s p 产品已经成为当今世界上最有影响的d s p 芯片。t i 公司也 成为世界上最大的d s p 芯片供应商，其d s p 市场份额占全世界份额近5 0 。 随着c m o s 技术的进步与发展，日本的h l l i 公司在1 9 8 2 年推出第一个 基于c m o s 工艺的浮点d s p 芯片，1 9 8 3 年日本f l j i t s u 公司推出的m b 8 7 6 4 ，其 指令周期为1 2 0 i l s ，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。 而第一个高性能浮点d s p 芯片应是a t & t 公司于1 9 8 4 年推出的d s p 3 2 。 与其他公司相比，m a t o r o l a 公司在推出d s p 芯片方面相对较晚。1 9 8 6 年， 该公司推出了定点处理器m c 5 6 0 0 1 。1 9 9 0 年，推出了与e e 浮点格式兼容的 浮点d s p 芯片m c 9 6 0 0 2 。美国模拟器件公司( a d ) 在d s p 芯片市场上也占有 一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的d s p 芯片，其定点d s p 芯片有 a d s p 2 1 0 1 2 1 0 3 2 1 0 5 a s d p 2 1 1 1 2 1 1 5 a d s p 2 1 6 1 ，2 1 6 2 2 1 6 4 以及a d s p 2 1 7 1 2 1 8 1 ， 浮点d s p 芯片有a d s p 2 1 0 0 0 ，2 1 0 2 0 、a d s p 2 1 0 6 0 ，2 1 0 6 2 等。 自1 9 8 0 年以来，d s p 芯片得到了突飞猛进的发展，d s p 芯片的应用越来越 广泛，并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。从运算速度来看，m a c ( 一 次乘法和一次加法) 时间已经从2 0 世纪8 0 年代初的4 0 0 n s ( 如1 m s 3 2 0 1 0 ) 降 低到1 0 n s 以下( 如t m s 3 2 0 c 5 4 x 、t m s 3 2 0 c 6 2 x 6 7 x 等) ，处理能力提高了几 十倍。d s p 芯片内部关键的乘法器部件从1 9 8 0 年占模片区( d i ea r e a ) 的4 0 左 右下降到5 以下，片内r a m 数量增加一个数量级以上。d s p 芯片的引脚数量 从1 9 8 0 年的最多6 4 个增加到现在的2 0 0 个以上，引脚数量的增加，意味着结构 灵活性的增加，如外部存储器的扩展和处理器间的通信等。 数字信号处理器是利用计算机或专用处理设备，在模拟信号变换成数字信号 以后，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等高 速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的c p u 还快1 0 5 0 倍。 1 1 3d s p 芯片的分类 d s p 芯片可以按照下列三种方式进行分类。 1 1 3 1 按基础特性分 这是根据d s p 芯片的工作时钟和指令类型来分类的。如果在某时钟频率范 围内的任何时钟频率上，d s p 芯片都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性 能的下降，这类d s p 芯片一般称为静态d s p 芯片。例如，日本o 电气公司 的d s p 芯片、t i 公司的1 m s 3 2 0 c 2 x x 系列芯片属于这一类。 如果有两种或两种以上的d s p 芯片，它们的指令集和相应的机器代码机管 第一章绪论 脚结构相互兼容，则这类d s p 芯片称为一致性d s p 芯片。例如，美国t i 公司 的t m s 3 2 0 c 5 4 x 就属于这一类。 1 1 3 2 按数据格式分 这是根据d s p 芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的d s p 芯片称为定点d s p 芯片，如t i 公司的t m s 3 2 0 c 1 ) ( c 2 x 、t m s 3 2 0 c 2 x ) ( c 5 x 、 t m s 3 2 0 c 5 4 ) ( ，c 6 2 ) d ( 系列，a d 公司的a d s p 2 1 x x 系列，a t & t 公司的 d s p l 6 1 6 a ，m o t o l o r a 公司的m c 5 6 0 0 0 等。以浮点格式工作的称为浮点d s p 芯 片，如n 公司的t m s 3 2 0 c 3 ) ( c 4 ) ( c 8 x ，a d 公司的a d s p 2 1 ) d 。( 系列，a t & t 公司的d s p 3 2 3 2 c ，m o t o l o m 公司的m c 9 6 0 0 2 等。 不同浮点d s p 芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的d s p 芯片采用自定 义的浮点格式，如1 m s 3 2 0 c 3 x ，而有的d s p 芯片则采用e e 的标准浮点格式， 如m o t o r o l a 公司的m c 9 6 0 0 2 、f u j i t s u 公司的m b 8 6 2 3 2 和z o r a n 公司的 z r 3 5 3 2 5 等。 1 1 3 3 按用途分 按照d s p 的用途来分，可分为通用型d s p 芯片和专用型d s p 芯片。通用型 d s p 芯片适合普通的d 8 p 应用，如t i 公司的一系列d s p 芯片属于通用型d s p 芯片。专用d s p 芯片是为特定的d s p 运算而设计的，更适合特殊的运算，如数 字滤波、卷积和f f t ，如m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 2 0 0 ，z o m n 公司的z r 3 4 8 8 1 ， i m o s 公司的i m s a l o o 等就属于专用型d s p 芯片。 1 1 4d s p 芯片的性能参数及选择 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节。只有选定了 d s p 芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。总的来说，d s p 芯 片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。不同的d s p 应用系统由于应用场 合、应用目的等不尽相同，对d s p 芯片的选择也是不同的。一般来说，选择d s p 芯片时应考虑到如下性能参数。 ( 1 ) d s p 芯片的运算速度。 运算速度是d s p 芯片的一个最重要的性能指标，也是选择d s p 芯片时所需 要考虑的一个主要因素。d s p 芯片的运算速度可以用以下几种性能指标来衡量： 1 ) 指令周期：即执行一条指令所需的时间，通常以n s ( 纳秒) 为单位。如 r i m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 在主频为8 0 m h z 时的指令周期为1 2 5 n s ； 2 ) m a c 时间：即一次乘法加上一次加法的时间。大部分d s p 芯片可在一个 指令周期内完成一次乘法和加法操作，如1 m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 的m a c 时间就是 4 第一章绪论 1 2 5 n s ： 3 ) f f t 执行时间：即运行一个n 点f f t 程序所需的时间。由于f f t 运算涉 及的运算在数字信号处理中很有代表性，因此f f t 运算时间常作为衡量d s p 芯 片运算能力的一个指标； 4 ) m d s ：即每秒执行百万条指令。如t m s 3 2 0 l c 5 4 9 - 8 0 的处理能力为 8 0 m i p s ，即每秒可执行八千万条指令； 5 ) m o p s ：即每秒执行百万次操作。如t m s 3 2 0 c 4 0 的运算能力为2 7 5m o p s ； 6 ) m f l o p s ：即每秒执行百万次浮点操作。如t m s 3 2 0 c 3 1 在主频为4 0 m h z 时的处理能力为4 0m f l o p s ； 7 ) b o p s ：即每秒执行十亿次操作。如1 m s 3 2 0 c 8 0 的处理能力为2 8 0 p s 。 ( 2 ) d s p 芯片的价格。d s p 芯片的价格也是选择d s p 芯片所需考虑的一个重 要因素。如果采用价格昂贵的d s p 芯片，即使性能再高，其应用范围肯定会受 到一定的限制，尤其是民用产品。因此根据实际系统的应用情况，需确定一个价 格适中的d s p 芯片。当然，由于d s p 芯片发展迅速，d s p 芯片的价格往往下降 较快，因此在开发阶段选用某种价格稍贵的d s p 芯片，等到系统开发完毕，其 价格可能已经下降一半甚至更多。 ( 3 ) d s p 芯片的硬件资源。不同的d s p 芯片所提供的硬件资源是不相同的， 如片内r a m 、r o m 的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口，i 0 接 口等。即使是同一系列的d s p 芯片( 如t i 的t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列) ，系列中不同 d s p 芯片也具有不同的内部硬件资源，可以适应不同的需要。 ( 4 ) d s p 芯片的运算精度。一般的定点d s p 芯片的字长为1 6 位，如t m s 3 2 0 系列。但有的公司的定点芯片为2 4 位，如m o t o r o l a 公司的m c 5 6 0 0 1 等。浮点 芯片的字长一般为3 2 位，累加器为4 0 位。 ( 5 ) d s p 芯片的开发工具。在d s p 系统的开发过程中，开发工具是必不可 少的。如果没有开发工具的支持，要想开发一个复杂的d s p 系统几乎是不可能 的。如果有功能强大的开发工具的支持，如c 语言支持，则开发的时间就会大 大缩短。所以，在选择d s p 芯片的同时必须注意其开发工具的支持情况，包括 软件和硬件的开发工具。 ( 6 ) d s p 芯片的功耗。在某些d s p 应用场合，功耗也是一个需要特别注意 的问题。如便携式的d s p 设备、手持设备、野外应用的d s p 设备等都对功耗有 特殊的要求。目前，3 3 v 供电的低功耗高速d s p 芯片已大量使用。 ( 7 ) 其他。除了上述因素外，选择d s p 芯片还应考虑到封装的形式、质量 标准、供货情况、生命周期等。有的d s p 芯片可能有d 口、p g a 、p l c c 、p q f p 等多种封装形式。有些d s p 系统可能最终要求的是工业级或军用级标准，在选 第一章绪论 择时就需要注意到所选的芯片是否有工业级或军用级的同类产品。如果所设计的 d s p 系统不仅仅是一个实验系统，而是需要批量生产并可能有几年甚至十几年的 生命周期，那么需要考虑所选的d s p 芯片供货情况如何，是否也有同样甚至更 长的生命周期等。 在上述诸多因素中，一般而言，定点d s p 芯片的价格较便宜，功耗较低， 但运算精度稍低。而浮点d s p 芯片的优点是运算精度高，且c 语言编程调试方 便，但价格稍贵，功耗也较大。例如t i 的t m s 3 2 0 c 2 ) c ( c 5 4 x 系列属于定点 d s p 芯片，低功耗和低成本是其主要的特点。而t m s 3 2 0 c 3 ) ( c 4 x c 6 7 x 属于浮 点d s p 芯片，运算精度高，用c 语言编程方便，开发周期短，但同时其价格和 功耗也相对较高。 d s p 应用系统的运算量是确定选用处理能力为多大的d s p 芯片的基础。运 算量小则可以选用处理能力不是很强的d s p 芯片，从而可以降低系统成本。相 反，运算量大的d s p 系统则必须选用处理能力强的d s p 芯片，如果d s p 芯片的 处理能力达不到系统要求，则必须用多个d s p 芯片并行处理。那么如何确定d s p 系统的运算量以选择d s p 芯片呢? 下面我们来考虑两种情况。 ( 1 ) 按样点处理 所谓按样点处理就是d s p 算法对每一个输入样点循环一次。数字滤波就是 这种情况。在数字滤波器中，通常需要对每一个输入样点计算一次。例如，一个 采用l m s 算法的2 5 6 抽头的自适应f i r 滤波器，假定每个抽头的计算需要3 个 m a c 周期，则2 5 6 抽头计算需要2 5 6 3 = 7 6 8 个m a c 周期。如果采样频率为 8 k h z ，即样点之间的间隔为1 2 5 邺，d s p 芯片的m a c 周期为2 0 0 n s ，则7 6 8 个 m a c 周期需要1 5 3 6 粥的时间，显然无法实时处理，需要选用速度更高的d s p 芯片。表1 3 示出了两种信号带宽对三种d s p 芯片的处理要求，三种d s p 芯片 的m a c 周期分别为2 0 0 1 1 s 、5 0 i l s 和2 5 1 l s 。从表中可以看出，对话带的应用，后 两种d s p 芯片可以实时实现，对声频应用，只有第三种d s p 芯片能够实时处理。 当然，在这个例子中，没有考虑其他的运算量。 ( 2 ) 按帧处理 有些数字信号处理算法不是每个输入样点循环一次，而是每隔一定的时间间 隔( 通常称为帧) 循环一次。例如，中低速语音编码算法通常以1 0 m s 或2 0 m s 为一帧，每隔1 0 m s 或2 0 m s 语音编码算法循环一次。所以，选择d s p 芯片时应 该比较一帧内d s p 芯片的处理能力和d s p 算法的运算量。假设d s p 芯片的指令 周期为p ( 1 l s ) ，一帧的时间为缸( 1 l s ) ，则该d s p 芯片在一帧内所能提供的最 大运算量为t p 条指令。例如t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 的指令周期为1 2 5 1 l s ，设帧长 为2 0 m s ，则一帧内t m s 3 2 0 l c 5 4 9 - 8 0 所能提供的最大运算量为1 6 0 万条指令。 第一章绪论 因此，只要语音编码算法的运算量不超过1 6 0 万条指令，就可以在 t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 上实时运行。 第二节d s p 系统 1 2 1d s p 系统构成 图1 1 所示为一个典型的d s p 系统。图中的输入信号可以有各种各样的形式。 例如，它可以是麦克风输出的语音信号或是电话线来的已调数据信号，也可以是 编码后在数字链路上传输或存储在计算机里的摄像机图像信号等。 图1 1 典型的d s p 系统 输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行d 变换将信号变换成数字 比特流。d s p 芯片的输入是，d 变换后得到的以抽样形式表示的数字信号，d s p 芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作 ( m a c ) 。最后，经过处理后的数字样值再经d a ( d i g i t a l t o a n a l o g ) 变换转换 为模拟样值，之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。 需要指出的是，上面给出的d s p 系统模型是一个典型模型，但并不是所有 的d s p 系统都必须具有模型中的所有部件。如语音识别系统在输出端并不是连 续的波形，而是识别结果，如数字、文字等；有些输入信号本身就是数字信号( 如 c d ：c o m d a c td i s k ) ，因此就不必进行模数变换了。 1 2 2d s p 系统的特点 数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优 点： ( 1 ) 接口方便。d s p 系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相 互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容 易得多； ( 2 ) 编程方便。d s p 系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过程中灵 活方便地对软件进行修改和升级； ( 3 ) 稳定性好。d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较 7 第一章绪论 小，可靠性高； ( 4 ) 精度高。 ( 5 ) 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系 统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产； ( 6 ) 集成方便。d s p 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 当然，数字信号处理也存在一定的缺点。例如，对于简单的信号处理任务， 如与模拟交换线的电话接口，若采用d s p 则使成本增加。d s p 系统中的高速时 钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且d s p 系统消耗的功率也较大。此 外，d s p 技术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善。虽 然d s p 系统存在着一些缺点，但其突出的优点已经使之在通信、语音、图像、 雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。 1 2 3d s p 系统的设计过程 总的来说，d s p 系统的设计还没有非常好的正规设计方法。图1 2 所示是 d s p 系统设计的一般过程。 i 。s r 应用 i 定义系统性能指标 上 选择dsp 芯片 软件蝙程 硬件设计 0 软件调试 硬件调试 图1 2d s p 系统的设计流程 在设计d s p 系统之前，首先必须根据应用系统的目标确定系统的性能指标、 信号处理的要求，通常可用数据流程图、数学运算序列、正式的符号或自然语言 来描述。 第二步是根据系统的要求进行高级语言的模拟。一般来说，为了实现系统的 最终目标，需要对输入的信号进行适当的处理，而处理方法的不同会导致不同的 系统性能，要得到最佳的系统性能，就必须在这一步确定最佳的处理方法，即数 第一章绪论 字信号处理的算法( a l g o 删1 n 1 ) ，因此这一步也称算法模拟阶段。例如，语音压 缩编码算法就是要在确定的压缩比条件下，获得最佳的合成语音。算法模拟所用 的输入数据是实际信号经采集而获得的，通常以计算机文件的形式存储为数据文 件。如语音压缩编码算法模拟时所用的语音信号就是实际采集而获得并存储为计 算机文件形式的语音数据文件。有些算法模拟时所用的输入数据并不一定要是实 际采集的信号数据，只要能够验证算法的可行性，输入假设的数据也是可以的。 在完成第二步之后，接下来就可以设计实时d s p 系统，实时d s p 系统的设 计包括硬件设计和软件设计两个方面。硬件设计首先要根据系统运算量的大小、 对运算精度的要求、系统成本限制以及体积、功耗等要求选择合适的d s p 芯片。 然后设计d s p 芯片的外围电路及其他电路。软件设计和编程主要根据系统要求 和所选的d s p 芯片编写相应的d s p 汇编程序，若系统运算量不大且有高级语言 编译器支持，也可用高级语言( 如c 语言) 编程。由于现有的高级语言编译器 的效率还比不上手工编写汇编语言的效率，因此在实际应用系统中常常采用高级 语言和汇编语言的混合编程方法，即在算法运算量大的地方，用手工编写的方法 编写汇编语言，而运算量不大的地方则采用高级语言。采用这种方法，既可缩短 软件开发的周期，提高程序的可读性和可移植性，又能满足系统实时运算的要求。 d s p 硬件和软件设计完成后，就需要进行硬件和软件的调试。软件的调试一 般借助于d s p 开发工具，如软件模拟器、d s p 开发系统或仿真器等。调试d s p 算法时一般采用比较实时结果与模拟结果的方法，如果实时程序和模拟程序的输 入相同，则两者的输出应该一致。应用系统的其他软件可以根据实际情况进行调 试。硬件调试一般采用硬件仿真器进行调试，如果没有相应的硬件仿真器，且硬 件系统不是十分复杂，也可以借助于一般的工具进行调试。 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。当然，d s p 系统的开发，特别是软件开发是一个需要反复进行的 过程，虽然通过算法模拟基本上可以知道实时系统的性能，但实际上模拟环境不 可能做到与实时系统环境完全一致，而且将模拟算法移植到实时系统时必须考虑 算法是否能够实时运行的问题。如果算法运算量太大不能在硬件上实时运行，则 必须重新修改或简化算法。 1 2 4d s p 芯片的应用 自从2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初d s p 芯片诞生以来，d s p 芯片得到了飞速 的发展。d s p 芯片的高速发展，一方面得益于集成电路技术的发展，另一方面也 得益于巨大的市场。 在近2 0 多年时间里，d s p 芯片的应用已经从军事、航空航天领域扩大到信 号处理、通信、雷达、消费等许多领域。主要应用有：信号处理、通信、语音、 9 第一章绪论 图形图像、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等。 d s p 主要应用市场为3 c 领域，合占整个市场需求的9 0 。数字蜂窝电话是 d s p 最为重要的应用领域之一。由于d s p 具有强大的计算能力，使得移动通信 的蜂窝电话重新崛起，并创造了一批诸如g s m 、c d m a 等全数字蜂窝电话网。 在m o d e m 器件中，d s p 更是成效卓著，不仅大幅度提高了传输速率，且具有接 收动态图像能力。另外，可编程多媒体d s p 是p c 领域的主流产品。以x d s l m o td e m 为代表的高速通信技术与m p e g 图像技术相结合，使得高品位的音频 和视频形式的计算机数据有可能实现实时交换。目前的硬盘空间相当大，这主要 得益于c d s p ( 可定制d s p ) 的巨大作用。预计在今后的p c 机中，一个d s p 即 可完成全部所需的多媒体处理功能。d s p 也是消费类电子产品中的关键器件。由 于d s p 的广泛应用，数字音响设备的更新换代周期变得非常短暂。用于图像处 理的d s p ，一种用于j p e g 标准的静态图像数据处理；另一种用于动态图像数据 处理。 d s p 将在各种先进的医疗设备、智能玩具、专业音响和各种生物识别应用如 指纹识别、语音识别、人脸识别和虹膜识别中找到大量市场机会。例如t i 公司 在医疗仪器方面，基于o m a p 平台的人体生理信息诊断设备将推出，从而一改 以往需要借助庞大微机系统的局面。对于指纹识别，同时兼有低功耗性能比和高 性能价格比的c 5 5 x 系列是最理想选择，而其它则有c 6 2 x 或c 6 4 x 。语音识别技 术和应用亦有希望掀起新的高潮，基于c 5 4 x 系列、c 5 5 x 系列、c 5 4 7 x 系列等多 种平台的成果必将实现产品化。d s p 还将渗透到专业音响应用中，国内已有厂商 推出基于c 6 7 1 1 ，c 6 7 1 3 的高端音响产品。 1 2 5d s p 的发展及市场 ( 1 ) 、d s p 的市场规模 从8 0 年代开始起步的d s p 市场，目前正处于高速成长的阶段。3 g 和v o i p 开始商业运营将带动d s p 市场迅猛增长，而许多原本基于m c u 的家电应用现 在也越来越多的采用d s p 器件，以增加产品的功能和性能。据半导体行业协会 ( s 队) 发布的市场研究数据显示，在2 0 0 4 年全球d s p 销售收入达到7 9 亿美元， 2 0 0 5 年约为8 4 亿美元，2 0 0 7 年更将升至1 2 0 亿美元。而在中国市场，d s p 的市 场增长率一直高于全球市场的平均水平，年均增长率超过4 0 。在目前的全球 d s p 产品市场中，1 1 公司独占鳌头，占世界市场4 5 的份额，其次是朗讯( 2 8 ) 、 a d i ( 1 2 ) 、摩托罗拉( 1 2 ) 、其他公司( 3 ) 。 ( 2 ) 、我国d s p 市场前景 随着d s p 芯片性能价格比的不断提高，可以预见d s p 芯片将会在更多的领 域内得到更为广泛的应用。d s p 应用在网络、消费电子以及无线等领域将越来越 第一章绪论 普及，使得相关市场需求越来越大，未来d s p 市场竞争将日趋激烈。在这种情 况下，d s p 厂商采取两条腿走路的发展策略，一方面，通过采用更先进的生产工 艺继续发展性能更佳、易于开发并支持多处理器的d s p 器件，针对需要用复杂 算法对大量数据进行处理的应用如自动导航、全自动化车辆、复杂的人工智能视 觉系统以及高品质的医疗影像等。另一方面，推出小型低成本d s p ，直指成本敏 感、同时需要低能耗、高指令吞吐处理能力和灵活性能的大规模嵌入式应用市场。 随着消费电子产品开始全面利用宽带有线和无线网络，低成本、低功耗的d s p 市场正在迅速扩张。 ( 3 1 、d s p 的发展前景 1 ) 努力向系统级集成d s p 迈进。缩小d s p 芯片尺寸始终是d s p 的技术发展 方向。当前的d s p 多数基于s c ( 精简指令集计算) 结构，这种结构的优点是 尺寸小、功耗低、性能高。各d s p 厂商纷纷采用新工艺，改进d s