数字信号处理器DSP器件和设计应用

1、数字信号处理器DSP器件和设计应用 绪论DSP技术Digital Signal Processing数字信号处理Digital Signal Processor数字信号处理器内容简介： 信号处理经历了模拟信号处理、经典数字信号处理、现代数字信号处理等历程，现在已发展成先进的数字信号处理技术。以数字信号处理器（Digital Signal Processor）为核心的技术已广泛应用于家用电器、办公设备、便携电子仪器、手持通信装置、医疗电子设备、各类信号处理场合中。本课程以应用广泛的TI公司的廉价产品TMS320C2xx为例，对DSP及其应用作一个一般性的介绍后，深入了解DSP的性能、特点、结构、

2、用途及DSP软硬件开发工具，实例介绍DSP芯片应用方法。数字信号处理器DSP的发展 纵观信号处理的历程，早期的模拟信号处理工作始于60年代，该时期的产品特点是精度差、处理能力低、功能单一且价格高；70年代进行的经典DSP研究，主要用于数字滤波；80年代的研究被称之为现代DSP，主要用于雷达、声纳、地震勘探和通讯等领域；到了90年代，已发展成为先进的DSP技术，它的用途非常之广。 0.1 数字信号处理器(DSP)数字信号处理器（Digital Signal Processor，简称DSP）就是能够实现数字信号处理的器件专用数字信号处理器（属于ASIC-专用集成电路）通用数字信号处理器（专门用于数

3、字信号处理的特殊微处理器）IP核（IP core）（用FPGA或其它可编程器件实现）专用DSP是为某一或某些特定功能而专门设计的器件(ASIC)，如FFT计算（Austek公司的A41102等）相关器/FIR滤波器（ INMOS的A100等）特点：全部采用硬件处理，处理速度快，可与其他硬件或微处理器构成高速数据处理系统但功能单一，灵活性差，造价较高。除非在速度要求很苛刻的场合，否则一般很少使用IP核（IP core）DSP把DSP器件的功能、结构、行为等的硬件描述，通过编译下载到FPGA或其它可编程器件中，形成具有ASIC特性的专用DSP器件 按实现程度来分，IP核具有软核（Soft Core

4、）、固核（Firm Core）、硬核（Hard Core）三种形式 特点：高度并行性、速度快灵活的可配置特性，使得FPGA构成的DSP系统非常易于修改、易于测试及硬件升级 0.3 通用DSP器件DSP是一个微控制器（MC）、即一个单片机它是一个高性能的MC它很适合实时高速数据处理和控制，是基于软件实现数字信号处理的0.3.1 通用DSP器件的特点首先，DSP使用哈佛结构或增强哈佛结构其次，DSP使用流水线技术第三，DSP使用硬件乘法加法器（multiplier-accumulator，MAC）第四，DSP具有特殊的适用于数字信号处理的指令和快速寻址方式第五，DSP采用重复使用硬件的技术第六，D

5、SP使用众多性能优良的片内外设资源DSP使用增强哈佛结构通用型微处理器：冯。诺依曼结构程序指令和数据共用一个存储空间和单一的地址与数据总线DSP采用哈佛结构或增强哈佛结构将程序指令与数据的存储空间分开，各有自己的地址与数据总线。这就使得处理指令和数据可以并行操作，从而大大提高了处理效率实现取指令和执行指令的完全重叠，这是单周期指令的基础相互独立的总线连接不同的处理部件和模块 ，在单个周期中完成多个操作，提高了DSP的并行处理能力DSP使用流水线技术DSP采用流水线技术把指令的执行分解为取指、译码、存取操作数、执行等多个阶段，每个阶段由不同的硬件部件完成，各部件并行工作流水线技术允许DSP在一个

6、运行周期中执行多个操作，如在流水作业中，取指、译码、存取操作数、 执行操作可以在一个周期内重叠，结果，指令执行可等效成在单个机器周期内完成。流水线减少了指令的平均执行时间，极大提高了处理速度。DSP的哈佛结构为采用流水技术提供了方便。流水线技术示意图时钟周期 T1 T2 T3 T4 T5 T6取指部件 N N+1 N+2 N+3 N+4 N+5译码部件 N N+1 N+2 N+3 N+4存取操作数 N N+1 N+2 N+3执行部件 N N+1 N+2平均每个周期执行一条指令DSP使用硬件乘法加法器（multiplier-accumulator，MAC）在数字信号处理算法中，乘法和累加是最基本

7、的数量最大运算，例如在数字滤波、FFT等算法中都有类似于 a(k) * X(n-k) 的运算。DSP中设置了硬件乘法加法器，其结构独立而联系密切，这使DSP在一个周期内能完成一次加法和一次乘法运算，即乘和累加可以在单个指令周期内完成，极利于滤波、相关、矩阵及FFT等数字信号处理。通用计算机的乘法用软件实现的，用若干个机器周期。DSP中有硬件乘法器，用MAC指令(取数、乘法、累加)在单周期完成。DSP具有特殊的适用于数字信号处理的指令和快速寻址方式如延迟分支等不破坏流水线的分支循环指令、单周期乘加指令、FFT必用的位反转寻址及循环寻址指令、单（或块）指令重复指令等，使DSP具有优秀的性能，很适合

8、实时高速数据处理和控制。DSP采用重复使用硬件的技术 如多套总线和多个运算单元等，这给DSP的并行操作创造条件，并行的运算和并行的吞吐使速度成倍增加。 DSP使用众多性能优良的片内外设资源 如模数接口、中断控制器、DMA控制器、PWM接口、事件捕获器，CAN总线，RAM和ROM/FLASH等，这使DSP可工作于单片模式，其性能、速度、体积、功耗等明显优化。且单独的DMA总线及其控制器，在不影响或极小影响DSP处理速度的情况下，作并行的数据传送，这为DSP多片应用提供了方便。独立的DMA总线和控制器有一组或多组独立的DMA总线，与CPU的程序、数据总线并行工作，在不影响CPU工作的条件下,DMA

9、速度目前已达到800Mbytes/sCPU通用微处理器的CPU由ALU和CU组成，其算术运算和逻辑运算通过软件来实现的，如加法需要10个机器周期，乘法是一系列的移位和加法，需要数十个机器周期。DSP的CPU设置硬件乘法器，可以在单周期内完成乘法和加法。0.3.2 通用DSP的发展事实上，随着制造工艺的精进，DSP器件在功耗、速度、处理能力、片内资源（RAM、ROM/EPROM/FLASH、外设部件等）、编程仿真调试等方面已经有了很大的发展。 DSP在功耗 、速度、处理能力上的发展功耗：依赖低电压供电和待机、休眠等降耗技术，DSP的功耗大幅下降，并得到有效的闲置抑制，典型的低功耗DSP工作时功耗

10、在mW级，很利于便携、掌上设备。速度：凭籍IC制造工艺的日益精细和内外分离的时钟技术，DSP的工作频率大幅提高，速度已达到2400MIPS（兆指令每秒）/或1800MFLOPS（兆浮点运算每秒）的能力，并还在提高。处理能力：借助集成度的提高，DSP内部容纳的并行和重复单元更多，而寻址方法的巧妙和片内资源的高速处理能力，使DSP的总体处理能力飞速增加。 电子系统软件化由于DSP性能和速度的飞速发展，原先只能靠硬件才能实时实现的处理系统在一个DSP里便能实现，促进了电子系统的软件化发展。 DSP开发方法和工具的进步DSP器件基本上采用JTAG（边界扫描）接口和ISP（在系统编程）技术，这使得仿真调

11、试和程序加载（固化）变得十分方便。硬件开发工具变得简单，一种开发工具可以对相应系列的不同DSP进行仿真调试和编程。基于Windows的软件开发系统也变得十分友好，从程序设计到DSP代码生成乃至调试均可在集成环境中进行，既直观又便捷。常见的开发工具以上版本：DSP程序开发和调试在不同系列芯片间统一起来；而RTDX（实时数据交换）插件和XDS560USB硬件仿真工具，则使调试工作变得更加理性和简单ADI的Visual DSP+的软件平台也同样出色新版本的Matlab软件(Matlab7.0及以上版本)已经集成了TI公司C2000、C5000、C6000系列DSP的开发工具包，可在Matlab/Si

12、mulink环境中用图形化的方式进行DSP的设计及仿真验证 0.3.3 PC、MCU、DSP性能对比 微机（PC）、单片机（MCU）、DSP均属微型计算机（Micro-Computer）范畴，各自特点不同，使用法范围也差别很大。 微机一般指个人计算机（Personal Computer），是一种通用设备，适合于科学计算、事务管理、图形图像显示、网络互连等各种处理，也可兼作多媒体设备，还可组成机群处理系统，具有很好的人机对话界面。 单片机也称微控制器（Micro-Controller），是一种专用的、无界面的、作为工业设备、家用电器、或微机外部辅助设施等的简单运算和主要控制单元，一般以单片形式工

13、作，必要时可外加其它硬件构成较大的系统。单片机系统的开发一般要借助于微机进行程序编制，交叉汇编，软硬件仿真和代码下载等，因微机具有友好的可视化界面。 DSPDSP则是一种适合于数字信号处理和高速控制的高性能单片机，拥有单片机具有的一切特性，还具有高速信号处理的能力。基于这一原因，微机的处理器中一般都嵌入了DSP处理单元，用作多媒体扩展（MMX）的加速设备。 微机、单片机、 DSP 比较1指标 微机 单片机 DSP 体系结构 Von.NEAMAMM HARVARD HARVARD 时钟频率 极高、内外频差别大 较低 极高、允许内外频差别 运算单元 CPU（ALU、MMX单元）、数学协处理器 AL

14、U 乘法加法器、ALU 微机、单片机、 DSP 比较2指标 微机 单片机 DSP 指令执行 超标量流水线（复杂或精简指令集） 顺序执行（复杂或精简指令集） 流水线（单周期、复杂或精简指令集） 速度 高 低 信号处理最高 片内资源 CACHE 在片外设、SRAM CACHE、在片外设、SRAM 微机、单片机、 DSP 比较3指标 微机 单片机 DSP DMA能力 外部支持 无 片内DMAC 中断能力 有 有 有 数据类型 定点/浮点定点定点/浮点外部存储器 各种DRAM 低速SRAM 高速SRAM 并行能力 有 无 有 用途 通用、可视化 控制 信号处理高速控制 0.3.4 DSP的应用领域我国

15、的DSP应用现状看，已由主要用于研究领域、高尖技术领域，发展到办公、消费等领域。DSP的主要应用领域如下：军用领域、航空航天、雷达、声纳、地震、机器人、图象处理、GPS、移动/保密通讯、MODEM 、视频 会议、控制系统、语音识别、多媒体、影音电子设备、医疗保健、高品质智能化测量仪器仪表、乃至现代汽车工业等 信息化的基础是数字化。数字化的核心技术之一是信号处理。数字信号处理的任务，特别是实时处理的任务，在很大程度上需要由DSP器件或以DSP为核心的ASIC来完成。DSP技术已成为人们日益关注的并得到迅速发展的前沿技术。数字照相机数字相机框图全球定位系统应用 从手持 到移动交换设备，DSP正大显

16、身手。而在传统工业改造方面，DSP也很具有突破口：现很多中小企业设备老化，技术落后，产品合格率低，且适应市场的产品更少，只有进行设备的更新和现代化改造才能使传统工业重现生机。在医疗电子设备方面，DSP的专长正好用于CT、B超、心电图、脑电地形图、核磁共振、病员监护、胎儿监视等医疗仪器上。在测量仪器仪表方面，DSP采用先进的数字信号处理方法为实现高品质智能化产品提供了良好的基础。汽车工业应用领域：随着国产汽车性能逐步提高，作为辅助设施的相应部件也应得到加强，防撞、减震、降噪、节能、废气监控等系统宜采用DSP来提高汽车质量和档次。0.3.5 DSP应用系统设计DSPS（DSP解决方案）国内应用现状

17、TI公司TMS320系列DSP及其开发平台简单DSPS单片DSP可以完成所有的系统工作复杂DSPS用FPGA等现场可编程逻辑器件和FPAD/FPMSD（模拟/混合信号现场可编程器件）作为DSP与外围的桥梁，以简化结构、减小体积、提高可靠性 DSP信号流图0.3.6 MATLAB在DSP应用系统中的作用 以上版本已经集成了TI公司C2000、C5000、C6000系列DSP的开发工具包，可在Matlab/Simulink环境中用图形化的方式进行DSP的设计及仿真验证，并能将设计的图形文件(mdl)直接转换成C语言程序。这使得系统和程序设计大为简化，甚至可以回避具体的DSP结构，因为与硬件结构的关

18、联已由MATLAB来完成了。为什么要采用数字信号处理（1）灵活性 模拟处理系统:修改硬件设计，或调整硬件参数。 数字处理系统:改变软件设置。 例：模拟滤波器，数字滤波器，自适应滤波器。为什么要采用数字信号处理（2）精度 模拟系统:元器件精度 数字处理系统：A/D的位数和计算机字长，算法。为什么要采用数字信号处理(3)可靠性和可重复性模拟系统：受环境温度、湿度、噪声、电磁场等的干扰和影响大。数字系统：可靠性和可重复性好。抗噪声干扰为什么要采用数字信号处理（4）大规模集成模拟系统：尽管已有一些模拟集成电路，但是品种较少、集成度不高、价格较高。数字系统：DSP体积小、功能强、功耗小，一致性好、使用方

19、便，性价比高。模拟信号是不可取代的(5)实时性 模拟系统:除开电路引入的延时外，处理是实时的。 数字系统:由计算机的处理速度决定。(6)高频信号的处理 (7)模拟与数字信号的转换0.3.7 DSP应用系统的速度评价指标 MIPS，百万条指令/秒：定点DSP芯片运算速度的衡量指标指令周期：即执行一条指令所需要的时间，通常以ns（纳秒）为单位。MOPS，百万次操作/秒：这里的操作除了包括CPU操作外，还包括地址的计算、DMA访问、数据传输、I/O操作电能。MOPS可以对DSP芯片的性能进行综合描述。MFLOPS，百万次浮点操作/秒：浮点操作包括浮点乘法、加法、减法、存储等操作。MFLOPA是表征浮点DSP芯片性能的重要指标。MAC时间：执行一次乘法和加法运算所花费的时间，大多数DSP芯片可以在一个指令周期完成一次M