实时数字信号处理-第一章-概述资料

1、DSP技术及应用浙江师范大学 赵翠课程内容简介数字信号处理器技术基础数字信号处理器的CPU结构和指令集（TI公司的TMS320C6000系列）TMS320C6000硬件基础DSP软件开发环境CCSDSP软件优化学习目标掌握硬件结构和指令集熟悉运行环境CCS具有一定软件优化能力考核方式：平时20%实验30%考试50%或考试30%+加试20%（完成附加大作业）（待定） 参考文献DSP基础与应用系统设计DSP系统与C语言编程课件上传地址: （待定）第一部分 概论1. 数字信号处理2. 典型DSP系统的集成方案及开发方法3. DSP系统的设计及开发简介3. DSP芯片数字信号

2、处理意义：在21世纪，数字信号处理是影响科学和工程最强大的技术之一 它是科学工作者和工程师必须掌握的一门技巧围绕数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。在阐述数字信号处理之前，有必要明显信号、系统与信号处理的定义及关系信号、系统、信号处理关系信号是信息的载体。(什么是信息?如何传递？举例：希腊人和波斯人的马拉松战役、周代烽火台的故事)所谓信息是指人类对外界事物的感知。信息本身不具备传输、交换的功能，只有通过信号才能实现这种功能。信号、系统、信号处理的关系而把对信号进行处理的整个设备称为系统。信号处理就是将信号从一种形式变为另一种形式。信号处理的目的是获取信号中包含的有用信息，并用更

3、直观的方式进行表达。（滤波去噪）信号处理的实质是对信号进行变换。关系：信号分析是基础、系统分析是桥梁、信号处理是手段、系统综合是目的。信号处理作为手段，贯穿信号分析、系统分析、系统综合等始终。数字信号处理的发展历程数字信号处理亦称信号的数字处理，就是用数字的方法对信号进行变换处理，以获取有用信息。发展历程：1.信号解析手段的研究阶段2.各种模拟信号的数字化阶段前两个阶段在时间上处于17世纪到18世纪离散数学诞生到20世纪60年代之间。数字信号处理的发展历程3.信号数字处理技术本身的发展阶段以1965年Colley-Tukey提出快速傅立叶变换算法为标志。主要用于图像处理、快速数据传输、生物医学

4、系统等。4.现代数字信号处理阶段新理论、新算法不断涌现，而数字信号处理的应用领域也飞速发展。数字信号处理技术指数字信号处理理论的应用实现技术，以数字信号处理理论、硬件技术、软件技术为基础和组成，研究数字信号处理算法及其实现方法。数字信号处理技术数字信号处理理论以数学为基础和工具，研究数字信号处理的数值实现方法，包括算法结构、数值特性。主要内容：信号采集离散信号分析离散系统分析数字信号处理理论信号处理中的快速算法信号的估值滤波技术信号建模信号处理中的特殊算法典型的数字信号处理算法-乘法累加数字信号处理硬件技术以微电子技术为基础，研究完成数字信号处理算法的专用、通处理结构、提高处理器速度的技术方法

5、、数字信号系统设计与实现方法等。数字信号处理的实现方法1在通用计算机上用软件实现。软件可自编或用软件包。2在通用计算机系统中加上专用加速处理机实现3用通用单片机实现，可用于不太复杂的数字信号处理，如数字控制等。数字信号处理的实现方法4用通用可编程DSP芯片实现。与单片机相比，DSP芯片更适合于数字信号处理软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法5用专用的DSP芯片实现。DSP适合于数字信号处理的特点改进的哈佛结构流水线操作专用指令单元采用硬件乘法器特殊DSP指令快速指令周期良好的多机并行运行特性冯.诺依曼结构和哈佛结构冯.诺依曼结构哈佛结构 CPU 存储器 数据和指令地址总线数据总线数据存

6、储器 CPU程序存储器PM地址总线PM数据总线DM地址总线DM数据总线数据存储器CPU程序存储器PM地址总线PM数据总线DM地址总线DM数据总线I/O控制器数据改进的哈佛结构指令缓存流水线流水线并行提高程序执行效率流水线操作，就是将各条指令的执行时间重叠，即执行完第一条指令第一步后，紧接着执行该指令的第二步，同时执行下一条指令的第一步，使得指令执行加快，从而让大多数指令都可以在单个指令周期完成。专用寻址单元DSPs面向的是数据密集型应用，伴随着频繁的数据访问，数据地址的计算时间也线性增长。 8086作一次加法需要3个周期，但是计算一次地址却需要512个周期。 DSPs通常都有支持地址计算的算术

7、单元地址产生器。地址产生器与ALU并行工作，因此地址的计算不再额外占用CPU时间。 由于有些算法通常需要一次从存储器中取两个操作数，DSPs内的地址产生器一般也有两个。 DSP的应用通信 72 计算机 12 军品 4工业 3仪器 2消费类 2办公自动化 2DSP的应用(1) 信号处理如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等；(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、语音存储等；(4) 图

8、形/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、机器人视觉等；DSP应用(5) 军事如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等；(6) 仪器仪表如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等；(7) 自动控制如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等；(8) 医疗如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等；(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/电视等。典型DSP系统的构成典型DSP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，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

9、。DSP芯片的输入是A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号。DSP芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理。抗混叠滤波 A/DDSP芯片D/A输入平滑滤波输出DSP系统的特点精度高：模拟网络中的元件（R,L,C等精度很难达到10-3以上，模拟系统相应很难达到；数字系统17位字长就可达到该精度。可靠性强：数字电路的特点决定。只有0和1两个电平，受噪声及环境影响小。集成度高：具有高度规范性，便于大规模集成生产接口方便：与现代数字技术为基础的系统或设备相互兼容。灵活性好：在线可编程保密性好：高科技产品的一个重要要求时分复用：可分时处理几个通道的信号。DSP系统的设计及开发简介总体方案设计根据需求写

10、出任务说明书根据任务说明书确定技术指标确定DSP芯片及外围芯片总体设计确定软硬件分工软件设计说明书硬件设计说明书软件编程与调试软件系统集成硬件调试系统测试、样机完成、中试、产品测试与生产DSP软件编程的特点汇编语言的指令系统比计算机汇编语言的指令系统要简单一些与高级语言比，使用DSP汇编语言的用户一定要熟悉DSP芯片的内部结构和指令系统C语言编译效率得到很大的提高在实时要求高的场合或实时要求高的算法中，用汇编语言开发；实时要求低的场合用C语言编程。将两者结合起来，既能保持算法的实时性，又能做到程序结构的清晰明了。软件编程步骤1用汇编语言、C语言或汇编语言和C语言的混编来编写程序，然后把它们分别

11、转化成汇编语言并送入汇编语言编译器进行编译，生成目标文件。2将目标文件送入连接器进行连接，得到可执行文件。3将可执行文件调入到调试器进行调试，检查运行结果是否正确。如果正确进入下一部；不正确，返回第1步。4进行代码转换，将代码写入EEPROM，并脱离仿真器运行程序，检查结果是否正确。如果不正确，返回第3步；如果正确，进行下一步。5软件测试。如果测试结果合格，软件调试完毕；不合格，返回第1步确定硬件方案器件选型原理图设计PCB图设计 硬件调试 系 统分析 系 统综合 硬件设计阶段系统集成所谓系统集成就是将软硬件结合起来，并组装成一台样机，并在实际系统中运行，进行系统测试。实时系统实时系统：及时t

12、imely完成任务实时指的是系统必须在有限的时间内对外部输入的信号完成指定的处理，即信号处理的速度必须大于输入信号更新的速度，而且从信号输入到处理后输出的延迟必须足够小。例如：可视电话、VCD解压卡、工业控制、雷达、导弹制导提问：1）是否必须在时限内？不一定。飞行器控制(Y),视频游戏(N)2）超过时限的代价：放弃任务？飞行器，drop；视频会议，no drop实时系统的特点实时系统的任务具有一定的时间约束。根据截止时间，实时系统的实时性分为“硬实时”和“软实时”。可预测性是指系统能够对实时任务的执行时间进行判断，确定是否能够满足任务的时限要求。大多数实时系统要求有较高的可靠性。实时系统通常运

13、行在一定的环境下，外部环境是实时系统不可缺少的一个组成部分。计算机子系统一般是控制系统，它必须在规定的时间内对外部请求做出反应。外部物理环境往往是被控子系统，两者互相作用构成完整的实时系统。实时系统分类强实时系统（Hard Real-Time）在航空航天、军事、核工业等一些关键领域中，应用时间需求应能够得到完全满足，否则就造成如飞机失事等重大地安全事故，造成重大地生命财产损失和生态破坏。因此，在这类系统的设计和实现过程中，应采用各种分析、模拟及形式化验证方法对系统进行严格的检验，以保证在各种情况下应用的时间需求和功能需求都能够得到满足。实时系统分类弱实时系统（Soft Real-Time）某些

14、应用虽然提出了时间需求，但实时任务偶尔违反这种需求对系统的运行以及环境不会造成严重影响，如视频点播（Video-On-Demand，VOD）系统、信息采集与检索系统就是典型的弱实时系统。在VOD系统中，系统只需保证绝大多数情况下视频数据能够及时传输给用户即可，偶尔的数据传输延迟对用户不会造成很大影响，也不会造成像飞机失事一样严重的后果。实时系统的例子a 100-tap FIR filter is performed in real-time if the DSP can perform and complete the following operation between two sampl

15、es:实时系统的例子We can say that we have a real-time application if: Waiting Time 0Processing TimeWaiting TimeSample Timenn+1如何满足系统实时性要求1. 提高处理速度 单CPU的处理能力：主频，多处理单元多核CPU处理：计算机体系结构多CPU并行处理：计算机网络2. 提高数据输入输出速度 ADC, DAC, CPU间高速IO技术3. 实时任务调度 实时操作系统(RTOS): 处理时间可预测，各任务尽量满足时限DSPs的特点面向实时系统应用DSP芯片DSP芯片发展历程及发展方向DSP芯片

16、的特点DSP芯片的分类及选择原则DSP芯片的发展历程数字信号处理理论的发展微电子的发展 实时系统对数据处理的要求促进DSP的出现和发展； 70年代末，第一片DSP出现，Intel公司的Intel 2920 ，然后是日本NEC公司的Upd7720 。 1983年TMS32010用于实时信号处理，第一代DSP的标志。DSP芯片的迅速发展80年代还属于少数人研究的数字信号处理（DSP），进入90年代，DSP逐渐成为人们最常用的工程术语之一。21世纪，DSPs无处不在。成本下降：消费市场速度上升：满足各种需求DSP发展方向生产工艺上，采用1um以下得CMOSE制造工艺技术和砷化镓集成电路制作技术研制高

17、速、高性能DSP器件将以RISC（精简指令系统计算机)结构和Transporter(单片机并行计算机）基本结构为主导，以完成并行处理系统操作专用单片机DSP芯片将有较大的发展模拟/数字混合式DSP芯片将有很大的发展，将成为发展主要方向推出更新、更强大的优化C编译器来适应不同型号的DSP的代码生成。DSP芯片的特点(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 RAM，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

18、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。DSP的分类根据工作时钟和指令类型分类：静态DSP芯片和具有一致性的动态DSP芯片静态DSP芯片：DSP处理器在某时钟频率范围内的任何时钟频上，除计算速度变化外，没有性能的下降。一致性DSP芯片：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。如TI公式的TMS320系列DSP的分类按数据格式分类：定点和浮点DSP定点DSP芯片结构相比简单，乘法-累加运算速度快，但精度低、动态范围小，是其字长有限造成的。如TI公司的TMS320C1X/C2X/C5X浮点DSP处理器

19、动态范围大、运算精度高、在性能要求高的实时处理中有广泛应用。更适合与雷达、声纳等信号处理系统。浮点处理器同时也可以实现定点处理，而且处理能力很强。DSP的分类按用途分类：通用型和专用型DSP芯片通用型DSP适用普通的数字信号处理。如：TI公司的TMS320系列DSP。本课程讨论重点。专用型DSP芯片是为某些特点的数字信号处理运算专门设计的。易实现模块化、易实现流水线操作和多处理器结构、系统设计、测试简单，有较好的发展前途。按照数据位数分类：16Bit和32Bit四大DSP产商Texas Instruments （德州仪器）公司Lucent Technologies（朗讯技术）公司Analog

20、Devies（模拟设备）公司Motorola（摩托罗拉）公司大约还有80家DSP产商 DSP芯片的选择1DSP芯片的运算速度 指令周期ns：执行一个指令所需时间 MAC时间：一次乘加运算时间FFT执行时间 MIPS ：执行10(6)条指令每秒MOPS ：执行10（6）次操作每秒BOPS：执行10（8）次操作每秒MFLOPS ：执行10（6）次每秒浮点操作DSP芯片的选择2DSP芯片的价格 3. DSP芯片的硬件资源 4DSP芯片的运算精度 5DSP芯片的开发工具 6DSP芯片的功耗 7其他 ：封装的形式、质量标准、供货情况、生命周期等 主流DSP列表高性能DSPs器件名称主频MHz数据宽度、定/浮点运行速度片内RAM1024复数FFT时间C670116732 、浮1GFLOPS64KB138usC620225032、定2000MIPS3Mbits84usC620330032、定2400MIPS7Mbits70usC641660032定，外644800MIPS8Mbits10usC64XX110032定，外648800MIPS6us210604032、浮120MFLOPS4Mbits500us2116010032/40浮600MFLOPS4Mbits92usTS0