第一章DSP的基本概念(精)

1、吴裕斌，华中科技大学光电子学院2007年第一章序言学习本课程所需基础知识1、2、3、4、5、模拟电了技术 数字电子技术 微机原理及接口技术 数字信号处理EDA相关基础吴裕斌，华中科技人学光电子学院2007年基本教学内容1、2、3、4、5、6、DSP的基本概念 常用DSP系列介绍TMS2000系列DS P体系结构和内部资遲 指令系统介绍 1软件编译、调试和仿真方法介绍 IDSP硬件设计难点分析 典型DSP应用系统设计吴裕斌，华中科技大学光电子学院2007年教学参考资料怎样学好这门课?1、要消除对DSP的神秘感2、要明确自己的学习目标3、不要寻求捷径，要舍得花时间4、要掌握好的学习方法5、最好有相

2、应的试验条件1、TMS320LF240X DSP结构、原理及应用刘和平等北航出版2、TI公司资料DatasheetUseFs GuideApplication NotesDSK Design Reference考试方法开卷考试本章讨论的内容昊裕斌.华中科技大学光电子学院 2007年为什么耍对信号进行数宗处理? 实时应用的定义为什么要使用数字信号处理器(DSP)? 什么是典型的DSP算法？可编程DSP和ASIC DSP DSP芯片的特点 TI公司TMS320系列介绍昊裕斌.华中科技大学光电子学院2007年模拟信号(Analog Signals):在时域中，时 间和幅值连续变化的信号，例如：声咅、

3、温度、 压力等等数字信号(Digital Signals):对模拟祜号按 一定的时间间隔进行采样，并将采样值进行量 化，也即时间和幅值均为离散的信号W吴裕斌.华中科技大学光电子学院2007年数字信号处理(Digital Signal Processing):用数学方法对上述的数字信号进行处理，对信号 进行变化或提取相应的信息 '、实时处理(Real-Time):数字信号处理与信号的 输入和输出保持同步非实时处理(Non Real-Time):先对脅号进彳丁釆样并存储，然后再对其进行处理数字信号处理器(Digital Signal Processor):用于实时完成上述数字信号处理的微处

4、理器 数字系统的基本组成数字处理系统的一般框图数字信号处理有下面优点：精度高灵活性大可靠性高时分复用可用下面方法实现：软件实现硬件实现法软硬件结合实现法吴裕斌，华中科技大学光电子学院2007年为什么要进行数字处理?数字信号处理技术非常强大，它所达到 的性能，用模拟信号处理技术是难以达 到的。例如:-带线性相位的FIR滤波器-自适应滤波器信号编码：语音图像纠错吴裕斌.华中科技大学光电子学院 2007年为什么要进行数字处理?模拟信号处理是通过使用模拟元件实现 的，如：-电阻-电容弋'_电感 I这些元件固有的误差、电压的变化、 湿度的变化和机械振动大大地影响模拟 电路的效果。利用DSP,可以

5、很容易地：-改变应用系统-修正应用系统-更新应用系统另外，利用DSP还可以减少:-噪声敏感性-芯片数量-开发时间-花费-功率消耗吴裕斌.华中科技大学光电子学院2007 年什么情况下不进行数字处理?由于下而原因，不能处理高频信号:-模数转换器(ADC)工作的不够块。 -某个应用在实时实现时，太复杂。吴裕斌.华中科技大学光电子学院2007 年为什么要用DSP处理器?为什么不使用诸如Pentium等通用处理器 (GPP)代替DSP处理器？- Pentium处理器和DSP处理器的功耗有g 大？- Pentium处理器和DSP处理器的花费有驾 少？吴裕斌，华中科技大学光电子学院2007年为什么要用DSP

6、处理器？在下列情况下，可以使用DSP处理器：-要求节省费用、-要求更小的尺寸-要求低功耗 I-要求实时处理许多“高”频信号I在下列情况下，可以使用GPP处理器：-要求大的存储器-要求先进的操作系统吴裕斌华中科技大学光电子学院2007年什么是典型的DSP算法？积之和（SOP）是大多数DSP算法的关键元素:EquationAlgorithmFinite Impulse Response Filler'(")=工"A x(n-k)i-oInfinite Impulse Response FilterMNy(n)=ak x(n 一 kH工如y("-k) jt-01

7、ConvolutionN，（）=£心）（-r）Discrete Fourier TransformN-lX(k) =.v(/i) exp (y(2 / N)nk“0Discrete Cosine TransformjV-IF(w)=x-O-U(2x-¥ 1)2jV吴裕斌，华中科技大学光电子学院2007年硬件乘法和微码乘法 DSP处理器针对乘法和加法运算进行了优化。硬件乘法和加法运算可以在一个周期内完成。例如：4-bit乘法（无符号）。HardwareMicrocode10111011x 1110x 1110100110100000Cycle11011.Cycle21011.

8、Cycle31011Cycle410011010Cycle5吴裕斌'#中科技人学光电子学院 2007 年浮点处理器和定点处理器在冇下面要求的应用中需要浮点处理器:-高精度-宽动态范围-高信噪比使用简单浮点处理器的缺点：-功耗较高。-花费可能较高。-可能比定点的慢，尺寸上也大些吴裕斌，华中科技大学光电子学院2007年浮点处理器和定点处理器通用DSP和ASIC DSP专用集成电路（ASIC）是为专用功能设计 的半导体芯片。下面列岀了使用ASIC的优缺点：优点缺点高通过率硅片面积小功耗低可靠性高系统噪声小系统总成本低研发成本高缺乏灵活性研发周期长吴裕斌，华中科技大学光电子学院 2007年DS

9、P芯片的特点DSP芯片，又称数字信号处理器，是 一种特别适于实时数字信号处理的微处理 器。下面讨论这种微处理器的特点。DSP芯片的特点i. 哈佛结构、程序空间和数据空间分开，允许同时取 指令和取操作数。允许在程序空间和数据空间之间相"传 送数据（改进的哈佛结构）。1吴裕斌，华中科技大学光电子学院2007年DSP芯片的特点2 多总线结构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。科1数据总线和程序总线之间存在局部的交叉连接。多总线结构吴裕斌华中科技大学光电子学院 2007年DSP芯片的特点3 流水线结构采用流水线结构可以使取扌旨,译码、 取操作数和执行等几个阶段重叠进行， 从

10、而将指令周期降低到最小值。 I吴裕斌，华中科技大学光电子学院2007年100101指令周期104105 106102103AddF1D1R1E1SubF2D2R2E2MpyF3D3R3E3StoreF4D4R4 E4完整的流水线4F_取指D译码R 一读数E执行吴裕斌，华中科技大学光电子学院 2007年DSP芯片的特点4多处理单元并行处理、DSP内部包含多个处理单元，如算术逻辑 运算单元（ALU）、累加器（ACC）以及硬件 乘法器（MUL）等。它们可以在一个指令周期 内同时进行运算。DSP芯片的特点5 特殊的DSP指令RPT、MA CD、SQR A等。吴裕斌，华中科技大学光电子学院2(X)7 年

11、DSP芯片的特点I6 指令周期短5MIPS -> 100MIPS -> 8800MIPSo7 运算精度高 8位、16位、24位、32位浮点'8 硬件配置强串行口、主机接口(HPI)、DMA控制器、 等待状态产生器、锁相环时钟产生器、W JTAG 口、电源管理等。I吴裕斌，华中科技大学光电子学院2007年DSP芯片的现状和发展方向第一个DSP芯片诞生与20世纪70年 代末°以AMI公司的S28I1和Intel公虱的 2920为代表的第一代DSP芯片，英片内 都还没有单周期硬件乘法器。1980年以 后，DSP芯片取得了长足的进步。吴裕斌，华中科技大学光电子学院2007

12、 年DSP芯片的现状和发展方向1.制造工艺早期DSP采用4屮门的N沟道MOS (NMOS) 工艺；现在普遍采用亚微米CMOS工艺，达到 ().25 屮n、()8屮n、().13 gm > ().09屮n。DSP芯 片引脚数量从40个左右增加到500个以上，需 要设计的外围电路越来越少，每MIPS的成木、 体积和功耗都有很大的下降。2 存储器容量最初的DSP芯片中，片内的数据存 储器和程序存储器只有几百个单元：有 的片内没有ROMo目前，DSP片内的数 据存储器和程序存储器可达几百K字。霄 夕卜，对片外程序存储器和数据存储器和 寻址能力也大大增强，可达到4G以上。吴裕斌，华中科技大学光电子

13、学院2007年DSP芯片的现状和发展方向3内部结构目前，DP芯片内部广泛采用多蛊线、多 处理单元和多级流水线结构，加上完善的接口 功能，使DSP的系统功能、数据处理能力以及 与外部设备的通信功能大大增强。4 运行速度DSP的指令周期从400多ns缩短至!J Ins 以下，相应的运行速度从2.5MIPS捉高到 8800MIPS 以上。H|吴裕斌，华中科技人学光电子学院2007年DSP芯片的现状和发展方向5 运算精度和动态范围、由于输入信号的动态范围以及迭代籍迥 能产生误差积累问题，对单片DSP的精度捉出 了较高的要求。定点DSP的字长从8位增加到16 位、24位、32位，累加器的长度也增加到40

14、位。 高性能的浮点DSP更是扩大了数据处理的动态 范围。吴裕斌，华中科技大学光电子学院2007年吴裕斌.华中科技大学光电子学院2007年TimeDSP芯片的现状和发展方向 6 开发工具X软硬件开发工具较为完善，如：Simulator软件仿真器、Emulator在线仿真 器、C编译器等。吴裕斌.华中科技大学光电子学院2007年新型DSP芯片支持实时仿真技术， 如F2812、C55X等DSP芯片的现状和发展方向发展方向：1 发展高速、高性能的DSP芯片。2 高度集成化3低功耗、低电压4 开发专用DSP芯片5提供更加完善的开发环境6扩大应用领域7降低芯片成本Texas Instruments的TMS

15、320 系列右各种系列和子系列，以支持不同的市场。Lowest CostControl Systems Motor Control Storage Digital Ctrl SystemsEfficie ncyBest MIPS per Watt / Dollar / Size Wireless phones Internet audio players Digital still cameras Modems Telephony VoIPPerformance & Best Ease-of-Use Multi Channel and Multi Function Appfs Comm

16、 Infrastructure Wireless Base-stations DSL Imaging Multi-media Servers吴裕斌，华中科技大学光电子学i： Video2(X)7 年Software Compatible1st GenerationWirefessGateway Infrastructure二&5712加IP 、CS29-C5292General Purpose1、通用数字信号处理数字滤波卷积相关FFT等2、通信光端机交换机无线基站移动占话 卫星通信保密通信软件无线电 软件交换机IP电话 路由器等吴裕斌，华中科技大学光电子学院2007年3、语音处理语音信号分析语音合成语咅识别 语音增强语音编码4、图像处理图像编码机器人视觉图像识别与检测5、影像医疗技术CT MR超声波