DSP技术及应用成电陈金鹰教授的讲义

DSP技术及应用陈金鹰副教授(博士)信息工程学通信工程系DigitalSignalProcessor数字信号处理器1主要内容第一章DSP技术概述第二章DSP芯片结构介绍第三章DSP指令系统及特点第四章DSP软件开发过程第五章汇编语言编程举例2第一章DSP技术概述第三节DSP芯片的选择第一节DSP系统概述第四节DSP芯片的主要优点与应用领域

第五节DSP应用系统的开发工具第二节DSP芯片技术的发展

3序论强调的是对以数字形式表现的信号进行处理和研究的方法。是一门涉及许多学科且广泛应用于许多领域的新兴学科。什么是DSP？DSP包括两层概念:1.数字信号处理（DigitalSignalProcessing——DSP）4《DSP技术及应用》课程属于这一层概念，所涉及内容为如何利用DSP芯片进行数字信号的处理。研究的内容为DSP芯片的结构和特点，如何通过程序编写，实现对数字信号的处理。2.数字信号处理器（DigitalSignalProcessor——DSP）强调的是通过专用集成电路芯片，利用数字信号处理理论，在芯片上运行目标程序，实现对信号的某种处理。5数学工具：微积分、复变函数、概率统计、随机过程、数值分析、高等代数、线性代数、泛函数等。基础理论：网络理论、信号与系统、现代控制理论（包括人工智能、模式识别、神经网络、模糊控制）、现代通信理论、故障理论和现代测量等。数字信号处理的理论基础：61.在通用的微型计算机（PC机）上用软件（如C、Fortran语言）实现。

缺点是：速度慢

2.用单片机（如MCS-51、96系列等）实现。

缺点是：只用于简单数字信号处理。3.用通用的可编程DSP芯片实现。DSP芯片有更适合于数字信号处理的软件和硬件资源，非常适合于通用数字信号处理的开发，为数字信号处理的应用打开了新局面。

数字信号处理的实现方法：74.用于极高速信号处理的专用DSP芯片。缺点：灵活性差，开发工具不完善。5.在通用的计算机系统中加上加速卡实现。

缺点：需核心含DSP的用户加速卡。6.用FPGA等产品实现数字信号处理算法。缺点：专用性太强，而且这种方法的研发工作也主要不是由一般的用户来完成的。

8第一节DSP系统概述DSP系统模拟系统数字信号模拟信号实时处理模拟器件FPGA/CPLDDSP芯片强调控制运算过程9一、DSP系统的特点

1.精度高难17位字长模拟网络元件（R、L、C等）模拟网络系统数字系统DSP、D/A精度10-3精度10-3102.可靠性强信号信号放大器A放大器B计算机A计算机B只要误差不超过0、1判决电平A、B结果可能不同A、B结果果相同113.集成度高

表面贴装ASIC芯片DSP系统DSPCPLDFPGA开发压缩体积降低成本124.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136.保密性好

DSP系统DSPCPLDFPGA保密性好保密性好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147.时分复用

系统n信道1信道2信道n信号的采样频率与DSP系统的运算速度相比较低的场合。实时性要求不高的场合。

应用场合系统2系统1DSP系统15二、DSP系统的设计思路抗混叠滤波器A/DD/ADSP芯片平滑滤波器输入输出典型的DSP系统16DSP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。

1.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17技术指标的确定

系统采样频率

信号频率

最复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

18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19总体设计

算法仿真高级语言Matlab最佳算法初步参数系统初步分工软件硬件202.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

213.硬件设计阶段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硬件实现方案器件的选型DSP芯片、A/DD/A、内存、电源、逻辑控制、通信、人机接口、总线等22DSP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23器件的选型原则A/D变换D/A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。

根据信号频率、精度：是否要求基准电源多路器输出运放等。

24存储器RAM、EPROM（或EEPROM、FlashMemory），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25逻辑控制先确定所用器件，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26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27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28器件的选型原则人机接口电源选取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

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29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。304.系统集成系统集成：是将软硬件结合起来，并组合成样机，在实际系统中运行，进行系统测试。如果系统测试结果符合设计指标，则样机设计完毕。但由于在软硬件调试阶段调试的环境是模拟的，因此在系统测试时往往会出现一些问题，应找出原因，不断改进。

31第二节DSP芯片技术的发展1978年，AMI公司生产的S2811；1979年美国Intel公司的商用可编程器件2920；这两种是DSP芯片的一个主要里程碑。特点：没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出μPD7720。特点：是第一片具有乘法器的商用DSP芯片。321982年，美国德州仪器公司（TexasInstruments——TI）推出第一代DSPTMS320010及其系列产品，目前已发展到第六代。TI公司的系列DSP产品已经成为了当今世界最有影响的DSP芯片，其DSP市场占有量占全世界份额的近50%，成为世界上最大的DSP芯片供应商。331982年，日本东芝公司推出浮点DSP芯片。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。1986年，Motorola公司推出了定点DSPMC56001。1990年，推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC96002。美国模拟器件公司（AnalogDevices—AD）相继推出了定点DSP芯片ADSP21xx系列，浮点DSP芯片ADSP210xx系列。3420多年来，DSP芯片得到了迅猛发展，主要体现在如下方面：1.在生产工艺上

采用1µm以下的CMOS制造工艺技术和砷化镓集成电路制造技术，使集成度更高，功耗更低，从而使高频、高速的DSP处理器得到更大的发展。2.基本结构上以RISC结构、单片并行计算机结构为主导，脉冲阵列和数据流阵列也将成为并行处理器的主要体系结构。设计、测试简单，易模块化，易于实现流水线操作和多处理器结构。353.模拟/数字混合上集滤波、A/D、D/A及DSP处理于一体，将成为DSP发展的主要方向，是DSP厂商的主要增长点。4.DSP技术与ASIC技术融合上在DSP芯片中嵌入ASIC模块，进一步扩大DSP逻辑控制功能。5.代码兼容性上将推出更新的、更强大的优化C编译器来适应不同型号的DSP代码生成，各种DSP的开发、加速、并行处理插件板也将大量涌现。36第三节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、有技术支持、升级方便的芯片。371．TI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。一、主要的DSP芯片种类38（3）TMS320C6000系列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。392．AD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32位单精度和40位扩展精度的IEEE浮点格式，内部具有32×48位的程序Cache，有3至4个外部中断源。40AD的BLACKFINADSP-21535413．AT&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。42LUCENT用STARCORE开发的新DSP434．Motorola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。44455．其他公司NEC公司的μPD77C25、μPD77220定点DSP芯片和μPD77240浮点DSP芯片等。LUCENT的DSP1600等，INTEL也有自己的DSP产品。

INTEL&AD的新DSPCORE461．DSP芯片的运算速度

MAC时间：一次乘法和一次加法的时间。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。二、选择芯片考虑的因素472．DSP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。

3．DSP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，总线接口、I/O接口等。

4．DSP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。485．DSP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。6．DSP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。49一般地讲：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，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。50第四节DSP芯片的主要优点与应用领域一、DSP芯片的优点

1．哈佛结构2．多总线结构和多处理单元3.流水线技术4．特殊的DSP指令5．指令周期短6.运算精度高7.硬件配置强8.耗电省51二、DSP芯片的主要应用领域据预测，到2007年，DSP的市场将达到500亿美元。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。52（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。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。55第五节DSP应用系统的开发工具

开发工具的好坏对代码的长度、代码的执行速度起着关键的作用，开发工具的功能是否齐全，使用是否方便，在很大程度上将影响DSP系统的开发周期以及产品上市时间。由于不同厂商、不同系列的DSP都有自己的开发工具，因此开发工具的选择也是重要的一环。56代码产生工具对用户开发的高级语言或汇编语言源代码进行编译，生成可以在目标DSP上运行的可执行代码。代码调试工具根据调试者的命令观察DSP的状态，控制DSP代码的执行，进行结果显示，对用户的代码进行调试或性能测试。DSP的开发工具571.代码产生工具（1）TMS320优化C编译器（OptimizingANSICCompilers）C编译器的输入是C语言源代码，输出为TMS320汇编代码，它用于把符合ANSI标准的C代码转换为目标DSP汇编代码，使用户可以用C语言编写代码。并且，配套的代码调试工具支持C代码的源码调试。TI公司的编译器支持除TMS320C1x外的所有DSP产品。TI公司的开发工具58（2）TMS