LDXDSP原理与应用张卫宁第1章课件

李大湘1535370798135108809@数字信号处理器原理B李大湘数字信号处理器原理B1课前说明1总课时：48课时(32理论+16实践),3个学分2理论：教材前6章内容+试验相关算法介绍3实践：(1)试验箱：WintechTS-DM642(2)数字图像处理相关的试验例如：边缘检测、直方图均衡、中值滤波等4考试：平时的试验报告40%+笔试60%5要求：不能旷课、不迟到、不早退，参加试验课且交报告

□

各班班长下次课交一份本班同学名单课前说明1总课时：48课时(32理论+16实践),3个学2第1章：DSP技术概要数字信号处理器（DigitalSignalProcessors,简称DSP

）是一种用于数字信号处理的可编程微处理器。它的诞生与快速发展，使各种数字信号处理算法得以实时实现，为数字信号处理的研究和应用打开了新局面，提供了低成本的实际工作环境和应用平台，推动了新的理论和应用领域的发展。第1章：DSP技术概要3

目录

1.1DSP系统和芯片的结构特点 1.2DSP的发展概况及趋势 1.3DSP芯片的分类、性能及其应用第1章：DSP技术概要第1章：DSP技术概要41.1DSP系统和芯片的结构特点1.1.1DSP系统的基本结构

第1章：DSP技术概要1.1DSP系统和芯片的结构特点第1章：DSP技术概要51.1DSP系统和芯片的结构特点

数字信号处理（DigitalSignalProcessing，DSP）：是研究如何对信号采样、变换、滤波、估计、增强、混合、比较、压缩及识别等处理算法的一门学科。围绕理论、实现和应用而得到迅速发速。第1章：DSP技术概要1.1DSP系统和芯片的结构特点第1章：DSP技术概要6第1章：DSP技术概要实时处理（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（NonReal-Time）：先对信号进行采样并存储，然后再对其进行处理第1章：DSP技术概要实时处理（Real-Time）：数字信7第1章：DSP技术概要在通用计算机上用软件实现用单片机实现用可编程DSP实现用专用DSP实现用可编程阵列FPGA等实现DSP+单片机+FLASH+CPLDDSP+FPGADSP+ARM+操作系统基于标准总线的DSP系统☆

数字信号处理的实现第1章：DSP技术概要在通用计算机上用软件实现☆数字信号处8第1章：DSP技术概要1.1.2DSP芯片的结构特点

☆经典的DSP算法举例求两序列信号h(n)、x(n)的卷积：求两序列信号y(n)、x(n)的相关函数：数字滤波器的数学表达式为：对信号进行快速傅立叶变换FFT：☆数字信号处理的突出特点：ΣAi×Xi、高速实时第1章：DSP技术概要1.1.2DSP芯片的结构特点9第1章：DSP技术概要☆DSP特别适合于数字信号处理的结构１.采用改进型哈佛结构

计算机的总线结构通常可分为二种：

①冯·诺依曼结构

②哈佛结构

第1章：DSP技术概要☆DSP特别适合于数字信号处理的结构10第1章：DSP技术概要冯·诺依曼结构特点：程序和数据共用同一套总线，对程序和数据需要分时读写，执行速度慢，数据吞吐量低，计算机结构简单，不适于进行高速度的数字信号处理第1章：DSP技术概要冯·诺依曼结构11第1章：DSP技术概要多数微处理器和单片机采用冯·诺依曼结构，如图所示

第1章：DSP技术概要多数微处理器和单片机采用冯·诺依12第1章：DSP技术概要哈佛结构特点：程序、数据具有独立的存储空间，有独立的程序总线和数据总线，可同时对程序和数据进行寻址和读写访问，执行速度高，数据吞吐量大，计算机结构复杂，非常适于进行高速的数字信号处理。

(a)哈佛结构(b)改进型哈佛结构

第1章：DSP技术概要哈佛结构13第1章：DSP技术概要(a)哈佛结构(b)改进型哈佛结构第1章：DSP技术概要(a)14第1章：DSP技术概要DSP采用的是改进型哈佛总线结构，如上图(b)所示

改进之处主要体现在下列3点：1）片内RAM可映像至数据空间，也可映像至程序空间2）片内ROM可映像至程序空间，也可映像至数据空间3）具有根装载(Bootloader)功能，即把片外的指令代码调至数据存储器，供CPU零等待运行。第1章：DSP技术概要DSP采用的是改进型哈佛总线结构，如上15第1章：DSP技术概要2.流水线操作☆指令的执行通常分为以下4个阶段：取指Fetch译码Decode取操作数Operand执行Execute第1章：DSP技术概要2.流水线操作16第1章：DSP技术概要

取指.译码.取操作数.执行指令n-2取指.译码.取操作数.执行指令n-1取指.译码.取操作数.执行指令n☆采用冯·诺依曼结构的微处理器指令流如下图CPU是在完成一条指令的全部4个操作阶段后再去执行另一条指令的，从时间上看是一种串行执行的过程，因此需要花费较多的CPU时钟周期。

第1章：DSP技术概要☆采用冯·诺依曼结构的微处理器指令流17第1章：DSP技术概要☆DSP采用多级流水线结构

所谓流水线操作就是将一条指令的不同阶段分配在连续的几个周期上，通过不同的硬件去完成指令的不同执行阶段(称为级)。

例如：当取指硬件完成取指任务，就将指令N交给译码硬件，它就可以去取下一条指令N+1,而译码硬件则同时对指令N进行译码。

第1章：DSP技术概要☆DSP采用多级流水线结构18第1章：DSP技术概要一个4级流水线的示意图如图1-6所示。虽然就一条指令而言，似乎要用4个时钟周期才能完成全部操作，但从多条指令的角度看，则可认为每条指令的运行时间是单周期。这样，就使指令的运行速度得到了很大提高。

第1章：DSP技术概要一个4级流水线的示意图如图1-6所示。19第1章：DSP技术概要

TMS320C6000系列定点DSP采用的多级流水线如图所示

第1章：DSP技术概要TMS320C6000系列定点D20第1章：DSP技术概要3.片内集成有硬件乘法器和乘加单元

DSP内集成了硬件乘法器，可在单周期内完成16×16位、32×32位等的乘法运算。DSP内集成了乘加单元，从硬件结构上为高速完成卷积、相关、FFT及数字滤波等信号处理算法提供了基础。

第1章：DSP技术概要3.片内集成有硬件乘法器和乘加单元21第1章：DSP技术概要TMS320C6000系列片内有2个硬件乘法器，支持在单周期内完成下列乘法运算。16位×16位16位×32位双16位×16位4个8位×8位C64xCPUDataPath2DataPath1RegisterFileAD2S2L2A31-A16InstructionDecodeInstructionDispatchInstructionFetchControlRegistersInterruptControlS1L1TMS320C64x-CPUA15-A0+++++++++++++++M1xD1++RegisterFileBB31-B16B15-B0++M2AdvancedInstructionPacking+xxxxxxxxxxxAdvancedEmulation第1章：DSP技术概要TMS320C6000系列片内有22第1章：DSP技术概要4.功能强大的CPU结构DSP的CPU一般包括：算术逻辑运算单元ALU、累加器、硬件乘法器、乘加单元、加法器、桶型移位器、程序地址产生和数据地址产生等部分。例如：TMS320C6000采用双数据通道和8个功能单元的结构。具有超长指令字(VLIW)操作能力。

TMS320C64xCPU内核第1章：DSP技术概要4.功能强大的CPU结构23第1章：DSP技术概要5.硬件循环重复机制许多DSP芯片具有指令重复循环的专用硬件及重复操作指令，能够自动重复执行单条或一段指令。TMS320C5000中有重复计数器RPTC。当执行一条重复指令RPT#N时，会将重复值N送入RPTC，则紧接RPT后面的那条指令将被重复执行N+1次。每重复执行一次，RPTC的内容自动减1，直至减至零为止。这样可通过硬件自动完成循环操作过程。第1章：DSP技术概要24假设：块ai存放于程序存储器块中（起始地址2000h）块bi存放于数据存储器中（起始地址1000h）块长N=100MAR*，AR1；指定当前辅助寄存器AR为AR1LARAR1，#1000h；1000h→AR1LACC#0；ACC清0RPT#99；后面一条指令重复执行100次MAC2000H，*+,0≤k≤N–1本例若假设代码、程存块和数存块操作数均在片内存储器中，则执行本段程序的周期最短为：1+2+1+1+99+2=106在重复执行100次MAC2000HAR1指令时，由于有了硬件重复机制的支持，取指仅使用了2Pcode，大大缩短了执行时间。若取CPUCLK=50ns，则本段程序的全速运行时间为5.3μs

MAC算法举例,0≤k≤N–1本例若假设代码、程存块和MAC算法举例25第1章：DSP技术概要6.复合操作指令

所谓复合操作是指在一条单字单周期指令中可分别完成多个操作任务。以MPYA（乘且累加前次乘积）指令为例。

MPYA*+，AR3；设AR为AR1，执行后会发生下列事件：

（PC）+1→PC （ACC）+移位后的（PREG）→ACC （TREG）×（数据存储器）→PREG （AR1）+1→AR1 令AR3为AR ARP=011B，ARB=001B第1章：DSP技术概要6.复合操作指令26第1章：DSP技术概要7.嵌入式功能DSP片内集成有大量片内外设，不用外扩很多器件，既可组成独立的应用系统。DSP芯片具有强大的扩展接口能力，可有效连接一系列外扩器件。DSP=数字信号处理能力+嵌入式功能通用DSP系统结构DSP内核测试和开发接口(JTAG)主机接口系统时钟Bootloader电源控制程序存储器数据存储器通信端口模拟I/O编解码器ADC第1章：DSP技术概要7.嵌入式功能通用DSP系统结构DSP27第1章：DSP技术概要

时钟：CPU时钟EMIF时钟外设时钟VcoreVI/O电源：电源供电电源监视系统监视手动复位看门狗电路存储器：异步存储接口

SRAM、Flash、NvRAM……同步存储器

同步静态RAM：SBSRAM、ZBTSRAM同步动态RAM：SDRAM同步FIFO模拟I/O：通用A/D、D/A音频Codec视频Decoder、Encoder……数字I/O：开入／开出串行通信接口UART（RS232、RS422/RS485）CAN总线USB……多处理器接口：双口RAM（DPRAM）HPI接口PCI接口总线扩展存储总线外设总线系统总线：复位、时钟、中断……DSP外部接口CLKCPUCLKEMIFCLKI/O数据地址控制片上外设RESETDSP应用系统功能框图DSP第1章：DSP技术概要时钟：VcoreVI/O电源28第1章：DSP技术概要1.2DSP的发展概况和趋势 1.2.1DSP的发展概况（1）20世纪70年代，DSP诞生：1978年，AMI公司宣布第一个DSPS2811问世1980年，日本NEC公司推出的D7720是第一片具有硬件乘法器的商用DSP

1982年，美国TI公司推出首枚低成本高性能的DSP-TMS32010芯片，16位定点DSP，采用了哈佛结构和硬件乘法器。1985年，TI公司推出TMS32020系列芯片，寻址空间达到64K。ADSP2100，DSP56001，DSP16A第1章：DSP技术概要1.2DSP的发展概况和趋势29第1章：DSP技术概要1.2DSP的发展概况和趋势

（2）20世纪90年代后：惊人发展期性能与指标不断提高；芯片尺寸与功耗不断减小，价格逐年降低；

出现了种技术先进的定点与浮点DSP芯片；TI公司的TMS320C20,C30,C40,C50,C80系列芯片；ADSP21XX系列；更适合于数字信号处理算法；3.3V(I/O),1.8V内核

第1章：DSP技术概要1.2DSP的发展概况和趋势30第1章：DSP技术概要1.2DSP的发展概况和趋势

（3）1997年以后：进入完善期普遍采用0.25,0.18um工艺，增加了集成度；片内存储器容量增大,几百千字；

内核电压1.2V，进行一步降低功耗；TI公司的TMS320C64x;开发手段更方便，优化方法更灵活；

第1章：DSP技术概要1.2DSP的发展概况和趋势31第1章：DSP技术概要☆目前全球DSP市场中的主要厂商TI公司位居榜首，在全球DSP市场的占有率为44%左右Motorola公司的占有率为13.2%左右ADI公司的占有率为10.2%左右其他一部分由Hitachi（日立）、NEC、Zilog（桑那）等公司占据

第1章：DSP技术概要☆目前全球DSP市场中的主要厂商32第1章：DSP技术概要☆TI公司的三大系列DSP芯片：（1）TMS320C200系列：16/32位的定点DSP芯片；速度150MIPS;主要应用：数字马达控制，电机控制，数字电视，工业主动化，智能传感器等嵌入式应用领域。

第1章：DSP技术概要☆TI公司的三大系列DSP芯片：33第1章：DSP技术概要（2）TMS320C500系列：低功耗的16位的定点DSP芯片；速度600MIPS;C54x,C55x.主要应用：个人或便携产品。如：音乐播放器，数码相机2G，3G手机和基站；GPS接收器；多种消费类电子产品。

第1章：DSP技术概要（2）TMS320C500系列：34第1章：DSP技术概要（3）TMS320C600系列：高性能的32位的定点DSP芯片；具有强大的计算能力与并行处理能力.C62X，C64x，C67x。主要应用：音频与视频处理。如：语音识别，医学图像处理，视频监控。音频会议与广播；第1章：DSP技术概要（3）TMS320C600系列：35第1章：DSP技术概要☆目前TI公司和ADI公司的主流DSP的一些特性如表第1章：DSP技术概要☆目前TI公司和ADI公司的主流DSP36第1章：DSP技术概要1.2.2DSP的发展趋势1.单片DSP的发展

将围绕性能、价格和功耗这三大要素进行进一步的改善2.DSP与其它可编程处理器技术相结合 将FPGA与DSP技术相结合，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度

3.DSP与SoC技术相结合 利用DSP核嵌入技术将一个系统集成在一块芯片上，提高设计速度，降低开发成本，可直接使用DSP系统开发技术来开发内部嵌有DSP内核的SoC。SystemonChip的缩写，称为系统级芯片,也有称片上系统。所谓SoC技术，是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。使用SoC技术设计系统的核心思想，就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中。在使用SoC技术设计应用系统，除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外，其他所有的系统电路全部集成在一起。

第1章：DSP技术概要1.2.2DSP的发展趋势37第1章：DSP技术概要1.3

DSP芯片的分类、性能及其应用1.3.1DSP芯片的分类

1.按照数据格式分类： 定点DSP芯片 浮点DSP芯片 2.按照芯片的用途分类 通用型DSP 专用型DSP 3.按照芯片结构分类： 静态DSP 为某种应用目的而专门设计的ASIC系统 硬连线逻辑电路

第1章：DSP技术概要1.3

DSP芯片的分类、性能及其应38第1章：DSP技术概要1.3.2DSP芯片的性能

1.MIPS:百万条指令/每秒

如TMS320C6416在时钟为1GHz时的峰值性能可达8000MIPS2.MOPS：百万次操作/每秒

如TMS320C6201在时钟为200MHz时的峰值性能可达2400MOPS3.MFLOPS：百万次浮点操作/每秒

如ADSP-TS201S的峰值性能可达14.4GFLOPS

第1章：DSP技术概要1.3.2DSP芯片的性能39第1章：DSP技术概要4.MBPS：百万位/每秒

如TMS320C6000的总线时钟为200MHz时，其总线数据吞吐率为800M字节/秒5.MAC执行时间：完成一次乘-累加运算所需时间

大部分DSP可在单周期内完成一次MAC6.FFT执行时间完成一个N点FFT运算所需时间第1章：DSP技术概要4.MBPS：百万位/每秒40第1章：DSP技术概要1.3.3DSP芯片的应用

第1章：DSP技术概要1.3.3DSP芯片的应用41第1章：DSP技术概要TMS320C5000™低功耗

手机电信数码相机便携式媒体播放器最佳测控

电机控制家用电器变频电源控制工业自动化TMS320C2000™高性能无线基站视频流、视频会议视频安防/监控制医疗成像TMS320C6000™☆TI公司主推的三大DSP平台第1章：DSP技术概要TMS320C5000™低功耗最佳测控42OpticalNetworkingControloflaserdiodeTVscreenDeflectionofelectronbeamforsmallangleandsharpcornerTVscreenAutomotive-EPSBatteryoperatedprecisionforsteeringPrinterPrintheadcontrolPaperpathmotorcontrolDigitalPowerSupplyProvidescontrol,sensing,PFC,andotherfunctions“Segway”ManynewcoolApplicationtocomeTirePressureLowcostpressuresensingbasedontirerotationspeedmeasurementC2000系列DSP应用领域第1章：DSP技术概要OpticalNetworkingTVscreenAut43☆

C2000系列DSP子系列C2xx子系列：16位定点DSP、20MIPS代表器件：TMS320F206PZC24x子系列：16位定点DSP、20MIPS代表器件：TMS320F240LF240x子系列：16位定点DSP、40MIPS代表器件：TMS320LF2407F28x子系列：32位定点DSP、150MIPS代表器件：TMS320F2812、TMS320F2810第1章：DSP技术概要☆C2000系列DSP子系列C2xx子系列：16位定点DS44第1章：DSP技术概要UpTo40MIPSControlPerformanceHigh-PrecisionControlC242F241LC2404ALF2401ALC2402AMulti-Function,Appliance&ConsumerControlF240F243LC2406ALF2402ALF2403ALF2406ALF2407AF2810128-LQFPF2812176-LQFPF2812179-u*BGA150MIPS!SoftwareCompatibleHigh-endDerivativesApplicationspecificversionsScaledDownversionsRoadmap第1章：DSP技术概要UpTo40MIPSContro45TIDSP占手机市场的60%

TIDSP被前10位因特网消费类电子产品制造商中的8个所选中TIDSP被前8位数码相机制造商中的7个所选中TIDSP占IP电话设计的80%TIDSP占VOIP网关市场的80%TIDSP被前10位无线基站制造商中的8个所采用TMS320C5000C5000系列DSP的应用第1章：DSP技术概要TIDSP占手机市场的60%

TIDSP被前10位因46☆

C5000系列DSP子系列C54x子系列：16位定点DSP、100～160MIPS代表器件：TMS320VC5402、VC5409、VC5416C55x子系列：16位定点DSP、400MIPS代表器件：TMS320VC5510、VC5509、VC5502C54x＋ARM7子系列：代表器件：TMS320VC5470、VC5471、DSC21C55x＋ARM9子系列： 即OMAP平台：OpenMultimediaApplicationsPlatform代表器件：OMAP5910第1章：DSP技术概要☆C5000系列DSP子系列C54x子系列：16位定点DS47第1章：DSP技术概要Application

EnhancedC5502400MIPSC5509288-400

MIPSC5510320-400

MIPSC55xTMDSPDSP+RISCPowerEfficiency/SystemDensityC5000系列DSPC5470C54xTM+ARM7C5471C54xTM+ARM7OMAPTM

OMAP5910MulticoreC5420

200MIPSC5421

200MIPSC5441532MIPSC55xTMMulticoreSoftwareCompatibleC5407120MIPSC540150MIPSC5402100-160MIPSC540980-160

MIPSC5410100-160MIPSC5416120-160MIPSOver500MillionShippedC54xTMDSPWorld’sMostPopularDSP$5BillioninDesign-insC55xTMDSPBestDSP

MicroprocessorReportDSPProductoftheYear

InternetTelephonyEDN2000DSPC5404120

MIPSRoadmap第1章：DSP技术概要Application

Enhanc48HighPerformance160-MIPS performance16KwordsSRAM3McBSPs6-channelDMA8/16-bitHPI1.2-Vand1.8-VcoreoptionsLowPower<72mWactivepower(100MIPS)SmallSize144-pinLQFPUltra-small144microStar™BGA(12mmx12mm)D(15-0)A(22-0)26MuxedGPI/OProgram/DataBuses8/16-bitHostPort

Interface(HPI)Program/DataRAM16KWordsCh0Ch1Ch2Ch3Ch4Ch5DMATimerProgram/DataROM16KWordsPeripheralBusRND,SAT17x17MPY40-BitAdderMACShifter40-BitBarrel

(-16,31)EXPEncoder40-BitALUCMPSOperator

(VITERBI)ALUAccumulators40-BitACCA40-BitACCB8AuxiliaryRegisters2AddressingUnitsAddressingUnitMultichannelBuffered

SerialPort(McBSPMultichannelBuffered

SerialPort(McBSP)JTAGTest/

Emulation

ControlMultichannelBuffered

SerialPort(McBSP)PLLClock

GeneratorS/WWaitstate

GeneratorPowerManagementTMS320C54x内部结构第1章：DSP技术概要HighPerformanceD(15-0)A(22-0)49C54xC55xHigherperformanceCPU2-40bitaccumulators1-40-bitALU1-40bitbarrelshifterL31,R161-17x17-bitMACunprotectedpipeline1-16bitprogrambus3-16bitdatabuses4-16bitaddressbusesseparateprogram,datamemory4-40bitaccumulators1-40-bitALU-dualmode+116-bitALU1-40bitbarrelshifterL32,R312-17x17-bitMACsprotectedpipeline1-32bitprogrambus5-16bitdatabuses6-24bitaddressbusesunifiedmemoryspaceExtendedhardwareresources16bitinstructionsdefinedparallelinstructionsSupersetof54xMnemonic8,16,24,32,40,48bitinstructionsdefinedparallelinstructionsuserdefinedparallelinstructionsC54xMnemonicC55xMnemonicC54x与C55x内含的差别第1章：DSP技术概要C54xC55xHigherperformance2-50☆

C6000系列DSP子系列C62x子系列：32位定点DSP、1200～2400MIPS

代表器件：TMS320C6205代表器件：TMS320C6211C67x子系列：32位浮点DSP、1200～1800MIPS，900～1350MFLOPS代表器件：TMS320C6701

代表器件：TMS320C6711、C6712、C6713C64x子系列：32位定点DSP，4000～5760MIPS代表器件：TMS320C6414、C6415、C6416数字媒体器件：TMS320DM640、DM641、DM642第1章：DSP技术概要☆C6000系列DSP子系列C62x子系列：32位定点DS51DSLmodemsModems池基站收发器无线局域网

区域用户交换机语音识别多媒体网关专业音频设备网络照相机机器视角安全认证工业扫描仪高速打印机高级加密器BroadbandCommunicationsWireless3GBaseStationsMedicalImagingC6000系列DSP的应用第1章：DSP技术概要DSLmodemsBroadbandCommunica52第1章：DSP技术概要FixedPointSoftwareCompatiblePerformanceFloatingPoint

C67HPMulti-CoreC6000系列DSPC64x+RISCC67LCC64LCC6416C6415C6414C6411DM64xTMC6712CC6711CC6713C6203C6701C6711C6201C6204C6211C6712C6205C6202C64xTMDSPBestDSPof2001InStat/MicroDesignResources2001InnovationoftheYearEDNMagazine第1章：DSP技术概要FixedPointSoftwar53

作业：课后预习第二章内容第1章：DSP技术概要作业：课后预习第二章内容第1章：DSP技术概要54李大湘1535370798135108809@数字信号处理器原理B李大湘数字信号处理器原理B55课前说明1总课时：48课时(32理论+16实践),3个学分2理论：教材前6章内容+试验相关算法介绍3实践：(1)试验箱：WintechTS-DM642(2)数字图像处理相关的试验例如：边缘检测、直方图均衡、中值滤波等4考试：平时的试验报告40%+笔试60%5要求：不能旷课、不迟到、不早退，参加试验课且交报告

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各班班长下次课交一份本班同学名单课前说明1总课时：48课时(32理论+16实践),3个学56第1章：DSP技术概要数字信号处理器（DigitalSignalProcessors,简称DSP

）是一种用于数字信号处理的可编程微处理器。它的诞生与快速发展，使各种数字信号处理算法得以实时实现，为数字信号处理的研究和应用打开了新局面，提供了低成本的实际工作环境和应用平台，推动了新的理论和应用领域的发展。第1章：DSP技术概要57

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1.1DSP系统和芯片的结构特点 1.2DSP的发展概况及趋势 1.3DSP芯片的分类、性能及其应用第1章：DSP技术概要第1章：DSP技术概要581.1DSP系统和芯片的结构特点1.1.1DSP系统的基本结构

第1章：DSP技术概要1.1DSP系统和芯片的结构特点第1章：DSP技术概要591.1DSP系统和芯片的结构特点

数字信号处理（DigitalSignalProcessing，DSP）：是研究如何对信号采样、变换、滤波、估计、增强、混合、比较、压缩及识别等处理算法的一门学科。围绕理论、实现和应用而得到迅速发速。第1章：DSP技术概要1.1DSP系统和芯片的结构特点第1章：DSP技术概要60第1章：DSP技术概要实时处理（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（NonReal-Time）：先对信号进行采样并存储，然后再对其进行处理第1章：DSP技术概要实时处理（Real-Time）：数字信61第1章：DSP技术概要在通用计算机上用软件实现用单片机实现用可编程DSP实现用专用DSP实现用可编程阵列FPGA等实现DSP+单片机+FLASH+CPLDDSP+FPGADSP+ARM+操作系统基于标准总线的DSP系统☆

数字信号处理的实现第1章：DSP技术概要在通用计算机上用软件实现☆数字信号处62第1章：DSP技术概要1.1.2DSP芯片的结构特点

☆经典的DSP算法举例求两序列信号h(n)、x(n)的卷积：求两序列信号y(n)、x(n)的相关函数：数字滤波器的数学表达式为：对信号进行快速傅立叶变换FFT：☆数字信号处理的突出特点：ΣAi×Xi、高速实时第1章：DSP技术概要1.1.2DSP芯片的结构特点63第1章：DSP技术概要☆DSP特别适合于数字信号处理的结构１.采用改进型哈佛结构

计算机的总线结构通常可分为二种：

①冯·诺依曼结构

②哈佛结构

第1章：DSP技术概要☆DSP特别适合于数字信号处理的结构64第1章：DSP技术概要冯·诺依曼结构特点：程序和数据共用同一套总线，对程序和数据需要分时读写，执行速度慢，数据吞吐量低，计算机结构简单，不适于进行高速度的数字信号处理第1章：DSP技术概要冯·诺依曼结构65第1章：DSP技术概要多数微处理器和单片机采用冯·诺依曼结构，如图所示

第1章：DSP技术概要多数微处理器和单片机采用冯·诺依66第1章：DSP技术概要哈佛结构特点：程序、数据具有独立的存储空间，有独立的程序总线和数据总线，可同时对程序和数据进行寻址和读写访问，执行速度高，数据吞吐量大，计算机结构复杂，非常适于进行高速的数字信号处理。

(a)哈佛结构(b)改进型哈佛结构

第1章：DSP技术概要哈佛结构67第1章：DSP技术概要(a)哈佛结构(b)改进型哈佛结构第1章：DSP技术概要(a)68第1章：DSP技术概要DSP采用的是改进型哈佛总线结构，如上图(b)所示

改进之处主要体现在下列3点：1）片内RAM可映像至数据空间，也可映像至程序空间2）片内ROM可映像至程序空间，也可映像至数据空间3）具有根装载(Bootloader)功能，即把片外的指令代码调至数据存储器，供CPU零等待运行。第1章：DSP技术概要DSP采用的是改进型哈佛总线结构，如上69第1章：DSP技术概要2.流水线操作☆指令的执行通常分为以下4个阶段：取指Fetch译码Decode取操作数Operand执行Execute第1章：DSP技术概要2.流水线操作70第1章：DSP技术概要

取指.译码.取操作数.执行指令n-2取指.译码.取操作数.执行指令n-1取指.译码.取操作数.执行指令n☆采用冯·诺依曼结构的微处理器指令流如下图CPU是在完成一条指令的全部4个操作阶段后再去执行另一条指令的，从时间上看是一种串行执行的过程，因此需要花费较多的CPU时钟周期。

第1章：DSP技术概要☆采用冯·诺依曼结构的微处理器指令流71第1章：DSP技术概要☆DSP采用多级流水线结构

所谓流水线操作就是将一条指令的不同阶段分配在连续的几个周期上，通过不同的硬件去完成指令的不同执行阶段(称为级)。

例如：当取指硬件完成取指任务，就将指令N交给译码硬件，它就可以去取下一条指令N+1,而译码硬件则同时对指令N进行译码。

第1章：DSP技术概要☆DSP采用多级流水线结构72第1章：DSP技术概要一个4级流水线的示意图如图1-6所示。虽然就一条指令而言，似乎要用4个时钟周期才能完成全部操作，但从多条指令的角度看，则可认为每条指令的运行时间是单周期。这样，就使指令的运行速度得到了很大提高。

第1章：DSP技术概要一个4级流水线的示意图如图1-6所示。73第1章：DSP技术概要

TMS320C6000系列定点DSP采用的多级流水线如图所示

第1章：DSP技术概要TMS320C6000系列定点D74第1章：DSP技术概要3.片内集成有硬件乘法器和乘加单元

DSP内集成了硬件乘法器，可在单周期内完成16×16位、32×32位等的乘法运算。DSP内集成了乘加单元，从硬件结构上为高速完成卷积、相关、FFT及数字滤波等信号处理算法提供了基础。

第1章：DSP技术概要3.片内集成有硬件乘法器和乘加单元75第1章：DSP技术概要TMS320C6000系列片内有2个硬件乘法器，支持在单周期内完成下列乘法运算。16位×16位16位×32位双16位×16位4个8位×8位C64xCPUDataPath2DataPath1RegisterFileAD2S2L2A31-A16InstructionDecodeInstructionDispatchInstructionFetchControlRegistersInterruptControlS1L1TMS320C64x-CPUA15-A0+++++++++++++++M1xD1++RegisterFileBB31-B16B15-B0++M2AdvancedInstructionPacking+xxxxxxxxxxxAdvancedEmulation第1章：DSP技术概要TMS320C6000系列片内有76第1章：DSP技术概要4.功能强大的CPU结构DSP的CPU一般包括：算术逻辑运算单元ALU、累加器、硬件乘法器、乘加单元、加法器、桶型移位器、程序地址产生和数据地址产生等部分。例如：TMS320C6000采用双数据通道和8个功能单元的结构。具有超长指令字(VLIW)操作能力。

TMS320C64xCPU内核第1章：DSP技术概要4.功能强大的CPU结构77第1章：DSP技术概要5.硬件循环重复机制许多DSP芯片具有指令重复循环的专用硬件及重复操作指令，能够自动重复执行单条或一段指令。TMS320C5000中有重复计数器RPTC。当执行一条重复指令RPT#N时，会将重复值N送入RPTC，则紧接RPT后面的那条指令将被重复执行N+1次。每重复执行一次，RPTC的内容自动减1，直至减至零为止。这样可通过硬件自动完成循环操作过程。第1章：DSP技术概要78假设：块ai存放于程序存储器块中（起始地址2000h）块bi存放于数据存储器中（起始地址1000h）块长N=100MAR*，AR1；指定当前辅助寄存器AR为AR1LARAR1，#1000h；1000h→AR1LACC#0；ACC清0RPT#99；后面一条指令重复执行100次MAC2000H，*+,0≤k≤N–1本例若假设代码、程存块和数存块操作数均在片内存储器中，则执行本段程序的周期最短为：1+2+1+1+99+2=106在重复执行100次MAC2000HAR1指令时，由于有了硬件重复机制的支持，取指仅使用了2Pcode，大大缩短了执行时间。若取CPUCLK=50ns，则本段程序的全速运行时间为5.3μs

MAC算法举例,0≤k≤N–1本例若假设代码、程存块和MAC算法举例79第1章：DSP技术概要6.复合操作指令

所谓复合操作是指在一条单字单周期指令中可分别完成多个操作任务。以MPYA（乘且累加前次乘积）指令为例。

MPYA*+，AR3；设AR为AR1，执行后会发生下列事件：

（PC）+1→PC （ACC）+移位后的（PREG）→ACC （TREG）×（数据存储器）→PREG （AR1）+1→AR1 令AR3为AR ARP=011B，ARB=001B第1章：DSP技术概要6.复合操作指令80第1章：DSP技术概要7.嵌入式功能DSP片内集成有大量片内外设，不用外扩很多器件，既可组成独立的应用系统。DSP芯片具有强大的扩展接口能力，可有效连接一系列外扩器件。DSP=数字信号处理能力+嵌入式功能通用DSP系统结构DSP内核测试和开发接口(JTAG)主机接口系统时钟Bootloader电源控制程序存储器数据存储器通信端口模拟I/O编解码器ADC第1章：DSP技术概要7.嵌入式功能通用DSP系统结构DSP81第1章：DSP技术概要

时钟：CPU时钟EMIF时钟外设时钟VcoreVI/O电源：电源供电电源监视系统监视手动复位看门狗电路存储器：异步存储接口

SRAM、Flash、NvRAM……同步存储器

同步静态RAM：SBSRAM、ZBTSRAM同步动态RAM：SDRAM同步FIFO模拟I/O：通用A/D、D/A音频Codec视频Decoder、Encoder……数字I/O：开入／开出串行通信接口UART（RS232、RS422/RS485）CAN总线USB……多处理器接口：双口RAM（DPRAM）HPI接口PCI接口总线扩展存储总线外设总线系统总线：复位、时钟、中断……DSP外部接口CLKCPUCLKEMIFCLKI/O数据地址控制片上外设RESETDSP应用系统功能框图DSP第1章：DSP技术概要时钟：VcoreVI/O电源82第1章：DSP技术概要1.2DSP的发展概况和趋势 1.2.1DSP的发展概况（1）20世纪70年代，DSP诞生：1978年，AMI公司宣布第一个DSPS2811问世1980年，日本NEC公司推出的D7720是第一片具有硬件乘法器的商用DSP

1982年，美国TI公司推出首枚低成本高性能的DSP-TMS32010芯片，16位定点DSP，采用了哈佛结构和硬件乘法器。1985年，TI公司推出TMS32020系列芯片，寻址空间达到64K。ADSP2100，DSP56001，DSP16A第1章：DSP技术概要1.2DSP的发展概况和趋势83第1章：DSP技术概要1.2DSP的发展概况和趋势

（2）20世纪90年代后：惊人发展期性能与指标不断提高；芯片尺寸与功耗不断减小，价格逐年降低；

出现了种技术先进的定点与浮点DSP芯片；TI公司的TMS320C20,C30,C40,C50,C80系列芯片；ADSP21XX系列；更适合于数字信号处理算法；3.3V(I/O),1.8V内核

第1章：DSP技术概要1.2DSP的发展概况和趋势84第1章：DSP技术概要1.2DSP的发展概况和趋势

（3）1997年以后：进入完善期普遍采用0.25,0.18um工艺，增加了集成度；片内存储器容量增大,几百千字；

内核电压1.2V，进行一步降低功耗；TI公司的TMS320C64x;开发手段更方便，优化方法更灵活；

第1章：DSP技术概要1.2DSP的发展概况和趋势85第1章：DSP技术概要☆目前全球DSP市场中的主要厂商TI公司位居榜首，在全球DSP市场的占有率为44%左右Motorola公司的占有率为13.2%左右ADI公司的占有率为10.2%左右其他一部分由Hitachi（日立）、NEC、Zilog（桑那）等公司占据

第1章：DSP技术概要☆目前全球DSP市场中的主要厂商86第1章：DSP技术概要☆TI公司的三大系列DSP芯片：（1）TMS320C200系列：16/32位的定点DSP芯片；速度150MIPS;主要应用：数字马达控制，电机控制，数字电视，工业主动化，智能传感器等嵌入式应用领域。

第1章：DSP技术概要☆TI公司的三大系列DSP芯片：87第1章：DSP技术概要（2）TMS320C500系列：低功耗的16位的定点DSP芯片；速度600MIPS;C54x,C55x.主要应用：个人或便携产品。如：音乐播放器，数码相机2G，3G手机和基站；GPS接收器；多种消费类电子产品。

第1章：DSP技术概要（2）TMS320C500系列：88第1章：DSP技术概要（3）TMS320C600系列：高性能的32位的定点DSP芯片；具有强大的计算能力与并行处理能力.C62X，C64x，C67x。主要应用：音频与视频处理。如：语音识别，医学图像处理，视频监控。音频会议与广播；第1章：DSP技术概要（3）TMS320C600系列：89第1章：DSP技术概要☆目前TI公司和ADI公司的主流DSP的一些特性如表第1章：DSP技术概要☆目前TI公司和ADI公司的主流DSP90第1章：DSP技术概要1.2.2DSP的发展趋势1.单片DSP的发展

将围绕性能、价格和功耗这三大要素进行进一步的改善2.DSP与其它可编程处理器技术相结合 将FPGA与DSP技术相结合，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度

3.DSP与SoC技术相结合 利用DSP核嵌入技术将一个系统集成在一块芯片上，提高设计速度，降低开发成本，可直接使用DSP系统开发技术来开发内部嵌有DSP内核的SoC。SystemonChip的缩写，称为系统级芯片,也有称片上系统。所谓SoC技术，是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。使用SoC技术设计系统的核心思想，就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中。在使用SoC技术设计应用系统，除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外，其他所有的系统电路全部集成在一起。

第1章：DSP技术概要1.2.2DSP的发展趋势91第1章：DSP技术概要1.3

DSP芯片的分类、性能及其应用1.3.1DSP芯片的分类

1.按照数据格式分类： 定点DSP芯片 浮点DSP芯片 2.按照芯片的用途分类 通用型DSP 专用型DSP 3.按照芯片结构分类： 静态DSP 为某种应用目的而专门设计的ASIC系统 硬连线逻辑电路

第1章：DSP技术概要1.3

DSP芯片的分类、性能及其应92第1章：DSP技术概要1.3.2DSP芯片的性能

1.MIPS:百万条指令/每秒

如TMS320C6416在时钟为1GHz时的峰值性能可达8000MIPS2.MOPS：百万次操作/每秒

如TMS320C6201在时钟为200MHz时的峰值性能可达2400MOPS3.MFLOPS：百万次浮点操作/每秒

如ADSP-TS201S的峰值性能可达14.4GFLOPS

第1章：DSP技术概要1.3.2DSP芯片的性能93第1章：DSP技术概要4.MBPS：百万位/每秒

如TMS320C6000的总线时钟为200MHz时，其总线数据吞吐率为800M字节/秒5.MAC执行时间：完成一次乘-累加运算所需时间

大部分DSP可在单周期内完成一次MAC6.FFT执行时间完成一个N点FFT运算所需时间第1章：DSP技术概要4.MBPS：百万位/每秒94第1章：DSP技术概要1.3.3DSP芯片的应用

第1章：DSP技术概要1.3.3DSP芯片的应用95第1章：DSP技术概要TMS320C5000™低功耗

手机电信数码相机便携式媒体播放器最佳测控

电机控制家用电器变频电源控制工业自动化TMS320C2000™高性能无线基站视频流、视频会议视频安防/监控制医疗成像TMS320C6000™☆TI公司主推的三大DSP平台第1章：DSP技术概要TMS320C5000™低功耗最佳测控96OpticalNetworkingControloflaserdiodeTVscreenDeflectionofelectronbeamforsmallangleandsharpcornerTVscreenAutomotive-EPSBatteryoperatedprecisionforsteeringPrinterPrintheadcontrolPaperpathmotorcontrolDigitalPowerSupplyProvidescontrol,sensing,PFC,andotherfunctions“Segway”ManynewcoolApplicationtocomeTirePressureLowcostpressuresensingbasedontirerotationspeedmeasurementC2000系列DSP应用领域第1章：DSP技术概要OpticalNetworkingTVscreenAut97☆

C2000系列DSP子系列C2xx子系列：16位定点DSP、20MIPS代表器件：TMS320F206PZC24x子系列：16位定点DSP、20MIPS代表器件：TMS320F240LF240x子系列：16位定点DSP、40MIPS代表器件：TMS320LF2407F28x子系列：32位定点DSP、150MIPS代表器件：TMS320F2812、TMS320F2810第1章：DSP技术概要☆C2000系列DSP子系列C2xx子系列：16位定点DS98第1章：DSP技术概要UpTo40MIPSControlPerformanceHigh-PrecisionControlC242F241LC2404ALF2401ALC2402AMulti-Function,Appliance&ConsumerControlF240F243LC2406ALF2402ALF2403ALF2406ALF2407AF2810128-LQFPF2812176-LQFPF2812179-u*BGA150MIPS!SoftwareCompatibleHigh-endDerivativesApplicationspecificversionsScaledDownversionsRoadmap第1章：DSP技术概要UpTo40MIPSContro99TIDSP占手机市场的60%

TIDSP被前10位因特网消费类电子产品制造商中的8个所选中TIDSP被前8位数码相机制造商中的7个所选中TIDSP占IP电话设计的80%TIDSP占VOIP网关市场的80%TIDSP被前10位无线基站制造商中的8个所采用TMS320C5000C5000系列DSP的应用第1章：DSP技术概要TIDSP占手机市场的60%

TIDSP被前10位因100☆

C5000系列DSP子系列C54x子系列：16位定点DSP、100～160MIPS代表器件：TMS320VC5402、VC5409、VC5416C55x子系列：16位定点DSP、400MIPS代表器件：TMS320VC5510、VC5509、VC5502C54x＋ARM7子系列：代表器件：TMS320VC5470、VC5471、DSC21C55x＋ARM9子系列： 即OMAP平台：OpenMultimediaApplicationsPlatform代表器件：OMAP5910第1章：DSP技术概要☆C5000系列DSP子系列C54x子系列：16位定点DS101第1章：DSP技术概要Application

EnhancedC5502400MIPSC5509288-400

MIPSC5510320-400

MIPSC55xTMDSPDSP+RISCPowerEfficiency/SystemDensityC5000系列DSPC5470C54xTM+ARM7C5471C54xTM+ARM7OMAPTM

OMAP5910MulticoreC5420

200MIPSC5421

200MIPSC5441532MIPSC55xTMMulticoreSoftwareCompatibleC5407120MIPSC540150MIPSC5402100-160MIPSC540980-160

MIPSC5410100-160MIPSC5416120-160MIPSOver500MillionShippedC54xTMDSPWorld’sMostPopularDSP$5BillioninDesign-insC55xTMDSPBestDSP

MicroprocessorReportDSPProductoftheYear

InternetTelephonyEDN2000DSPC5404120

MIPSRoadmap第1章：DSP技术概要Application

Enhanc102HighPerformance160-MIPS performance