dsp原理及应用(概论)

1、DSP原理及应用任志平电子信息科学与技术教研室Principle & Application of DSP1本课程的要求 考勤：严禁旷课、迟到，随机点名，无故旷课达30%，取消期末考资格；迟到、早退三次算一次旷课。有事提前请假，点名后补假条无效；作业：每人准备一个笔记本，作业本 ，不能用单页纸，学期末作业本就是一本复习提纲。按时完成作业，严禁抄袭，发现者不论是抄袭者还是被抄者，全部按未交作业处理。未按时交作业者：晚4个小时，成绩扣除5%，晚12个小时，扣除30%，晚24小时，成绩扣除60%，晚48小时，成绩为0。总成绩=考试成绩*0.7+作业实验*0.2+考勤*0.12有关本课程学习的几点建议

2、 本课程的前期基础课程数字电路、微机原理、单片机原理及应用、数字信号处理本课程是一门实践性、应用性很强的学科，对于课程的理解主要在于课下的功课。硬件/软件同样重要、不可偏废 硬件是系统的基础, 软件是系统的灵魂3课堂授课时间分配: (40学时)CH1 概述 4CH2 TMS320VC33结构 6CH3 存储器和高速缓冲器 2CH4 外围 6CH5 数据格式和浮点运算 2CH6 寻址方式 6CH7 汇编语言指令 4CH8 流水线操作 2CH9 公共目标文件 2CH10 十六进制转换与引导 2CH11 硬件应用 2复习答疑 24第一章 DSP技术概述基本内容和要求：1了解数字信号处理技术和数字信号

3、处理器的概念2理解可编程DSP芯片的基本结构；3了解DSP芯片与其他微处理器的优缺点；4理解DSP系统的基本组成及设计步骤；5掌握DSP系统中的DSP芯片的选择原则；6掌握描述DSP运算速度的指标；7. 了解DSP技术新的发展动态、芯片型号及应用领域。5第一章 DSP技术概述1.3 DSP开发1.1 DSP系统概述1.2 DSP芯片61.1 DSP系统概述DSP系统模拟系统数字信号模拟信号运算过程强调控制实时处理FPGA/CPLDDSP芯片模拟器件7 DSP的基本概念 信号：一个或多个自变量的函数。自变量：时间、距离、温度、压力 对应信号维数信号的分类：模拟信号 时域离散信号 数字信号8DSP

4、（Digital Signal Processing）也就是我们常说的数字信号处理，它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。DSP的含义数字信号处理(Digital Signal Processing) 数字信号处理的理论和算法数字信号处理器(Digital Signal Processor) 实现数字信号处理算法的微处理器芯片9DSP的基本概念 一个典型的数字信号处理系统 微处理器是数字信号处理系统的核心部件，通常采用DSP芯片，也可采用其它处理器芯片 A/D与D/A转换器建立起了数字世界与现实模拟世界之

5、间的桥梁。10一个典型的数字信号处理算法FIR滤波器 乘与累加（MAC）是数字信号处理中的典型计算11数字信号处理系统中 微处理器的选择通用微型计算机（PC机） 普通单片机（如MCS-51、96系列等）专用集成电路（ASIC） DSP处理器 优点：编程容易，便于实现缺点：速度慢、成本高、体积大，难以进行实时信号处理和嵌入式应用优点：成本低廉缺点：性能差、速度慢优点：速度高、大规模生产成本低；缺点：开发成本高、通用性差。针对数字信号处理的要求而设计，是数字信号处理系统设计中采用的主流芯片。优点：灵活、高速、便于嵌入式应用12DSP系统的特点 1. 精度高，速度快模拟网络元件（R、L、C等）精度1

6、0-3模拟网络系统难数字系统16位字长DSP、D/A精度10-5132.可靠性强,稳定性好信号放大器A信号放大器B计算机A计算机BA、B结果可能不同A、B结果果相同只要误差不超过0、1判决电平143.集成度高 DSP系统表面贴装ASIC芯片DSPCPLDFPGA开发压缩体积降低成本154. 接口方便 以现代数字技术为基础的系统或设备都是兼容的，系统接口方便。5.灵活性好 DSP系统DSPCPLDFPGA可编程可编程可编程改变软件不同的功能硬件更简单DSP系统开发周期大大缩短166.保密性好 DSP系统DSPCPLDFPGA可编程可编程保密性好隐蔽内部总线地址变化做成ASIC保密性能几乎无懈可击

7、177.时分复用 信号的采样频率与DSP系统的运算速度相比较低的场合。系统n信道1信道2信道n实时性要求不高的场合。 应用场合DSP系统系统2系统1182.2 DSP芯片一、 DSP芯片的特点二、 DSP芯片的发展历程三、 DSP芯片的基本结构四、 DSP芯片的分类五、 DSP芯片的选择六、 DSP芯片的应用19一 DSP芯片的特点(1) 采用哈佛结构，程序和数据存储空间分开，可以同时访问指令和数据；(2) 具有专用硬件乘法器，可在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法； (3) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行;(4) 精度高，16位的字长，动态范围96DB，32位浮点数，

8、 动态范围1536DB;(5) 指令丰富，适合于FIR，IIR，FFT；(6) 片内具有快速 RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；(7) 可以并行执行多个操作；特殊的DSP指令。(8) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。20二、 DSP芯片的发展历程发展历史诞生于20世纪70年代末第一阶段，DSP的雏形阶段（1980年前后） 1978年，AMI公司生产出第一片DSP芯片S2811 1979年，美国Intel公司推出商用可编程器件DSP芯片Intel2920 211980年，日本NEC公司推出PD7720，第一片具有乘法器的商用DSP芯片1982年，TI公司成功推出其第一代D

9、SP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS320C10/C14 /C15/C16/C17日本Hitachi公司第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片1983年，日本Fujitsu公司推出的MB8764，指令周期为120ns，具有双内部总线，使数据吞吐量发生了一个大的飞跃1984年，AT&T公司推出DSP32，是较早的具备较高性能的浮点DSP芯片22第二阶段，DSP的成熟阶段（1990年前后）硬件结构：更适合数字信号处理的要求，能进行硬件乘法和单指令滤波处理，其单指令周期为ns。如：TI公司的TMS320C20和TMS320C30，CMOS制造工艺，存储容量和运算速度成倍提高

10、，为语音处理、图像处理技术的发展奠定了基础。主要器件有：TI公司的TMS320C20、30、40、50系列，Motorola公司的DSP5600、9600系列，AT&T公司的DSP32等。23第三阶段，DSP的完善阶段（2000年以后）信号处理能力更加完善，而且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步降低、成本不断下降 各种通用外设集成到片上，大大地提高了数字信号处理能力 DSP运算速度可达到单指令周期10ns左右，可在Windows 下用C语言编程，使用方便灵活广泛应用：通信、计算机领域，并渗透到日常消费领域24 DSP芯片的 发展现状制造工艺存储器容量 内部结构 运算速度 高度

11、集成化 运算精度和动态范围 开发工具 具有较完善的软件和硬件开发工具，如：软件仿真器Simulator、在线仿真器Emulator、C编译器和集成开发环境CCS等，给开发应用带来很大方便。CCS是TI公司针对本公司的DSP产品开发的集成开发环境。它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且支持C/C+和汇编的混合编程。开放式的结构允许外扩用户自身的模块。 普遍采用0.25m或0.18m亚微米的CMOS工艺。引脚从原来的40个增加到200个以上，需要设计的外围电路越来越少，成本、体积和功耗不断下降。芯片的片内程序和数据存储器可达到几十K字，而片外程序存储器和数据存储器可达到16M48位和

12、4G40位以上。芯片内部均采用多总线、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、数据处理能力和与外部设备的通信功能都有了很大的提高。 指令周期从400ns缩短到10ns以下，其相应的速度从2.5MIPS提高到2000MIPS以上。如TMS320C6201执行一次1024点复数FFT运算的时间只有66uS。 集滤波、A/D、D/A、ROM、RAM和DSP内核于一体的模拟混合式DSP芯片已有较大的发展和应用。 DSP的字长从8位已增加到64位，累加器的长度也增加到40位，从而提高了运算精度。同时，采用超长字指令字（VLIW）结构和高性能的浮点运算，扩大了数据处理的动态范围

13、。 25 DSP技术的发展趋势 DSP的内核结构将进一步改善DSP和微控制器的融合 DSP和高档CPU的融合 DSP 和FPGA的融合 实时操作系统RTOS与DSP的结合 DSP的并行处理结构 功耗越来越低 26三 DSP芯片的基本结构哈佛结构；Von Neumann- 冯.诺依曼Harvard 哈佛Von Neumann:数据、代码共享内存空间数据、代码共享内存总线Example: Intels x86 Pentium Processor familyHarvard:数据、代码独立存储空间数据、代码独立存储总线Improve Harvard:允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使

14、用增强了芯片的灵活性指令存储在高速缓冲器中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间27(2) 流水线 TMS320系列处理器的流水线深度从2-6级不等，也就是说，处理器可以并行处理2-6条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段。例如在一个三级流水线操作中，取指，译码和执行操作可以独立地处理，这可使指令执行能够完全重叠。这样就增强了处理器的处理能力。28(3) 专用硬件乘法器 在一般形式的FIR滤波器中，乘法是DSP的重要组成部分。在TMS320系列中，由于具有专用的硬件乘法器，乘法可以在一个指令周期内完成。这样可以大量降低FIR的计算时间。29(4) 特殊DSP指令

15、; 在TMS320系列中有一些特殊的DSP指令，它们在一个指令周期内用一条指令就可以实现普通需要几条指令才可以实现功能，如MAC指令，它可以在一个指令周期中完成一次乘法和一次加法运算。这样即节省了时间，又提高了编程的灵活性。 并行、跳转、延迟指令30四 DSP芯片的分类定点和浮点 定点：结构简单、速度快、精度低，动态范围小 TI：C1X、C2X、C5X Motorola:MC56000 AD:ADSP21xx 浮点：数据动态范围大，运算精度高，实时性好 TI：C3X、C4X、C8X Motorola:MC96001 AT&T:DSP32/32C31四 DSP芯片的分类通用和专用 通用普通DSP

16、芯片 TI：TMS320系列 专用特定DSP芯片，数字滤波、卷积和FFT Motorola:DSP5620032四 DSP芯片的分类静态和一致性（工作时钟和指令类型） 静态在时钟频率范围内任何时钟频率上，DSP均 正常工作，除速度外，性能不变。 TI：TMS320C2x 一致性多种DSP处理器的指令系统和相应的机器代码及引脚结构相互兼容。 TI：TMS320C54x33五 DSP芯片的选择设计DSP应用系统，选择DSP芯片是非常重要的一个环节。只有选定了DSP芯片才能进一步设计其外围电路及系统的其它电路。选择原则：根据实际应用系统需要、应用场合、目的，选择满足所需功能、成本低、耗电小、使用方便

17、、有技术支持、升级方便的芯片。341TI公司的DSP芯片 TI公司常用的DSP芯片可以归纳为三大系列：（1）TMS320C2000系列，称为DSP控制器，集成了flash存储器、高速A/D转换器以及可靠的CAN模块及数字马达控制的外围模块，适用于三相电动机、变频器等高速实时工控产品等需要数字化的控制领域。（2）TMS320C5000系列，这是16位定点DSP。主要用于通信领域，如IP电话机和IP电话网关、数字式助听器、便携式声音/数据/视频产品、调制解调器、手机和移动电话基站、语音服务器、数字无线电、小型办公室和家庭办公室的语音和数据系统。主要的DSP芯片种类35（3）TMS320C6000系

18、列DSP 采用新的超长指令字结构设计芯片。其中2000年以后推出的C64x，在时钟频率为1.1GHz时，可达到8800MIPS以上，即每秒执行90亿条指令。其主要应用领域为：1）数字通信 完成FFT、信道和噪声估计、信道纠错、干扰估计和检测等。2）图像处理 完成图像压缩、图像传输、模式及光学特性识别、加密/解密、图像增强等。362AD公司的DSP芯片 特点：系统时钟一般不经分频直接使用。定点DSP芯片的程序字长为24位，数据字长为16位。一般具有2个串行口、1个内部定时器和3个以上的外部中断源，此外还提供8位EPROM程序引导方式。浮点DSP芯片，程序存储器为48位，数据存储器为40位，支持3

19、2位单精度和40位扩展精度的IEEE浮点格式，内部具有3248位的程序Cache，有3至4个外部中断源。37AD的BLACKFIN ADSP-21535383AT&T公司的DSP芯片 定点DSP芯片的程序和数据字长均为16位，有2个精度为36位的累加器，具有1个深度为15字的指令Cache，片内具有2K字的程序ROM和512字的数据RAM。 浮点DSP芯片，80/100ns的指令周期，片内具有3个512字的RAM块，或2个512字的RAM块加1个4K字的ROM块。可以寻址4M字的外部存储器。具有4个40位精度的累加器和22个通用寄存器。39LUCENT用STARCORE开发的新DSP404Mo

20、torola公司的DSP芯片定点DSP芯片程序和数据字长为24位，有2个精度为36位的累加器。 浮点DSP芯片，累加器精度达96位，可支持双精度浮点数，该芯片的指令周期为50/60/74ns。内部具有10个96位或32位基于寄存器的累加器。适合于自适应滤波的专用定点DSP芯片，程序字长和数据字长分别为24位和16位，累加器精度为40位。41425其他公司NEC公司的PD77C25、PD77220定点DSP芯片和PD77240浮点DSP芯片等。LUCENT的DSP1600等，INTEL也有自己的DSP产品。 INTEL&AD 的新DSP CORE431DSP芯片的运算速度 MAC时间：一次乘法和

21、一次加法的时间。大部分DSP芯片可在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法操作。FFT执行时间：运行一个N点FFT程序所需时间。由于FFT运算在数字信号处理中很有代表性，因此FFT运算时间常作为衡量DSP芯片运算能力的一个指标。MIPS：每秒执行百万条指令。MOPS：每秒执行百万次操作。MFLOPS：每秒执行百万次浮点操作。BOPS：每秒执行十亿次操作。选择芯片考虑的因素442DSP芯片的价格 如果采用价格昂贵的DSP芯片，即使性能再好，其应用范围也受到一定限制，尤其是民用产品。 3DSP芯片的硬件资源 不同DSP芯片所提供的硬件资源不同，如片内RAM、ROM的数量，外部可扩展的程序和数据空间，

22、总线接口、I/O接口等。 4DSP芯片的运算精度 一般的定点DSP芯片字长为16位，少数24位。浮点芯片的字长一般为32位，累加器为40位。455DSP芯片的开发工具 在DSP系统的开发过程中，如果没有开发工具的支持，要想开发一个复杂的DSP系统几乎是不可能的。功能强大的开发工具，可使开发时间大大缩短。6DSP芯片的功耗 便携式的DSP设备、手持设备、野外应用的DSP设备等对功耗有特殊的要求。7其他因素 除了上述因素外，还要考虑到封装形式、质量标准、供货情况、生命周期等。46一般地讲：定点DSP芯片的价格较便宜，功耗较低，但运算精度稍低。浮点DSP芯片的优点是运算精度高，用C语言编程调试方便，

23、但价格稍高，功耗较大。DSP应用系统的运算量是确定选用DSP芯片处理能力的基础。运算量小，则可选用处理能力不是很强的DSP芯片，降低系统成本。如果单片DSP芯片达不到要求，则需选用多个DSP芯片并行处理。47六 DSP芯片的应用据预测，2007年MPU/MCU/DSP总计销售额达到564亿美元，预计2011年达到845亿美元规模 。2007年MCU单元出货量预计大幅增长21%，销售收入将达140亿美元，比2006年的124亿美元增加13%。2008年，预计MCU销售将再次增长13%，达到158亿美元。数字信号处理器，预计年增长率为9%，DSP销售额为79亿美元，预计2008年DSP市场规模达到

24、89亿美元，增长率达到13%。484950DSP芯片的主要应用领域 目前DSP的应用主要包括如下方面： （1）信号处理 如数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、希尔伯特变换、小波变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等。51（2）通信 如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话、个人通信系统、移动通信、个人数字助手（PDA）、X.25分组交换开关等。（3）语音 如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音存储、扬声器检验、文本转语音等。52消费电子正在全面数字化，现在音频广播，电视广播

25、也在向数字化迈进，HDTV接收机、SDTV电视机、机顶盒及数字广播收音机等已经或都将进入市场。MP3播放机方兴未艾。在国外，电子产品约占整车费用的30%，在中国目前只占到整车费用的15%-20%。汽车电子包括汽车上的娱乐装置，远程信息处理和自动控制装置，这些设备都离不开DSP。 53（4）军事 如保密通信、雷达处理、声纳处理、图像处理、射频调制解调、导航、导弹制导等。（5）图形与图像 如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画与数字地图、机器人视觉、模式识别、工作站等。（6）仪器仪表 如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理、数字滤波、模式匹配、暂态分析等。54（7）自动控制 如引擎控

26、制、声控、机器人控制、磁盘控制器、激光打印机控制、电动机控制等。（8）医疗 助听器、超声设备、诊断工具、病人监护、胎儿监控、修复手术等。（9）家用电器 如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话与电视、电动工具、固态应答机等。（10）汽车 如自适应驾驶控制、防滑制动器、发动机控制、导航及全球定位、振动分析、防撞雷达等。55DSP产业链 DSP的发展己有25年历史了，DSP芯片己达到相当高的水平，现在国际上已形成包括DSP芯片设计、制造，DSP开发工具研制生产、应用和咨询共同组成的产业链。全球有5万多客户选用TI定制的软件开发环境，使他们能非常容易地将DSP结合到他们的系统中去。围绕

27、DSP周边的业务就由许许多多的称为第三方(T hird Party ) 的小公司承担，TI的 Third Party 有650多家公司，他们生产数千种基于DSP的产品。56DSP产业链围绕DSP芯片产业化可以成立公司的业务很多，概括起来有以下一些：DSP开发工具：如各种仿真软件、调试软件、硬件仿真器、评估板、初学者实验套件、教学套件等。DSP应用软件：符合各种国际和区域性标准的语音、图像、视频、数据通信等DSP软件。例如不少公司从事 ITU - T G.系列语音压缩编码标准的DSP编程，如 G.711 、 G.722 、 G.726 、 G.728 、 G.723 、 G.729 等。音频编码

28、有MPEG1，2，4的MP3、AAC， Dolb y 的AC-3等。图像编码有JPEG、J PEG2000 、 H.261 、 H.263 、 H.264 。数据通信，如各种传输速率的 Modem 、xDSL、 Cable Modem ，回声抵消、DTMF等都有很大的市场。 57DSP产业链DSP电路板卡：在实际应用中需要专门的DSP硬件电路板卡，利用这些板卡可以进行二次应用开发。例如很多语音信箱供应商就是购买DSP语音压缩卡做的产品，很多为广播电台提供音频工作站的供应商就要购买DSP音频压缩卡，如做视频监控系统的就必须购买DSP图像压缩卡等等。DSP应用系统开发：GSM手机、MP3播放机、数

29、码相机、空调、无线局域网、蓝牙、PDA等。DSP咨询：国外有一些DSP的咨询公司，他们起到DSP用户和DSP芯片供应商、DSP第三方之间的桥梁作用，也会为客户提供设计、提供软件和硬件及出版资料图书，有些还办培训班。58DSP产业链中国电子信息产品市场对DSP的需求稳定增长，今后五年我国DSP市场销售额仍会保持年平均28%以上的复合增长率，中国已成为了DSP芯片的最大市场，数码相机、IP电话和手持电子设备的热销带来了对DSP芯片的巨大需求。目前，中国DSP市场的主要应用集中在移动电话领域，然而随着DSP对数字信号高速运算与同步处理能力的提高，DSP的应用领域将逐渐扩展到新型数字消费类产品领域。D

30、SP芯片在数字消费类产品中主要从事图像压缩与传输等图像信号的处理，语音的编码、合成、识别及高保真等语音信号的处理及通信信号的调制解调、加密、多路复用、扩频、纠错编码等处理。 59 2.3 DSP的开发 DSP系统的设计思路输入抗混叠滤波器A/DD/ADSP芯片平滑滤波器输出典型的DSP系统601.总体方案设计 DSP应用定义系统性能指标选择DSP芯片软件编程硬件设计软件调试硬件调试系统集成系统调试DSP系统设计前：明确设计任务 给出设计任务书 功能描述准确 功能描述清楚 描述的方式 人工语言 流程图 算法描述 将设计任务书转化为量化的技术指标。 61技术指标的确定 系统采样频率 信号频率 最复

31、杂的算法所需最大时间 对实时程度的要求 片内、外RAM的容量 数量及程序的长短16、32位定点、浮点运算 系统所要求的精度输入输出端口要求计算、控制选定DSP芯片型号 62成本供货能力技术支持开发系统体积功耗工作环境温度DSPA/DD/ARAM性能指标其它因素的考虑63总体设计 算法仿真高级语言Matlab最佳算法初步参数软件系统初步分工硬件642. 软件设计阶段 源程序汇编器汇编目标文件链接器连接 调试器调试代码转换C语言汇编语言混合语言代码写入EEPROM可执行文件软件仿真反复 653. 硬件设计阶段 硬件实现方案确定最优硬件实现方案画出硬件系统框图性能指标工期成本等器件的选型DSP芯片、

32、A/DD/A、内存、电源、逻辑控制、通信、人机接口、总线等66DSP芯片 根据是用于控制还是计算目的，选择：不同的厂商不同系列不同工作频率不同工作电压不同工作温度采用定点或浮点型芯片 器件的选型原则67A/D变换 根据采样频率、精度：确定A/D型号是否要求片上自带采样保持器多路器基准电源等。 器件的选型原则D/A变换根据信号频率、精度： 是否要求基准电源多路器输出运放等。 68存储器RAM、EPROM（或EEPROM、Flash Memory），主要考虑：工作频率内存容量位长（8位/16位/32位）接口方式（串行/并行）、工作电压（5V/3.3V或其他）。器件的选型原则69逻辑控制先确定所用器

33、件，如PLD、EPLD或FPGA；再根据自己的特长和公司芯片的特点决定采用哪家公司的哪一系列产品；最后根据DSP芯片的频率决定芯片的工作频率，并以此来确定使用的芯片。 器件的选型原则70通信接口根据与其他系统通信的速率决定采用的通信方式：串口并口总线器件的选型原则71总线选择根据使用场合、数据传输速率的高低（总线宽度、频率高低、同步方式等）选择：PCIISA现场总线器件的选型原则72人机接口可以通过单片机构成通信，也可在DSP的基础上直接构成。键盘显示器等 器件的选型原则电源选取主要考虑电压的高低和电压的大小。电压高低要匹配电流容量要足够73必须清楚了解器件的使用和系统的开发，对于关键环节要做仿真。 原理图设计 PCB板设计 要求DSP系统设计人员既要熟悉系统工作原理，又要清楚布线工艺和系统结构设计。 软、硬件调试 借助仿真工具或开发工具进行软、硬件仿真调试时，往往要反复多次调试。744. 系统集成 系统集成：是将软硬件结合