DSP课程设计.doc

目录第一章 绪论21.1 dsp的基本原理21.1.1数字信号处理的实现方法一般有以下几种：21.2 dsp芯片的基本结构，原理和功能31.2.1 dsp芯片的基本结构31.2.2 dsp芯片的特点51.3 tms320c54xdsp芯片的主要特性61.4用dsp实现正弦函数的基本算法8第二章ccs集成开发环境92.1 ccs集成开发环境简介92.2 建立工程文件102.3 在工程中添加删除文件, 编辑源程序112.4编译和调试11第三章 用ccs环境编程，调试实现正弦函数信号123.1编写汇编程序sin.asm和vectors.asm123.2编写链接命令文件sin.cmd153.3在ccs中生成项目，编译，调试16第四章 个人小结17参考文献17第一章 绪论1.1 dsp的基本原理数字信号处理（简称dsp）是一门涉及多门学科并广泛应用于很多科学和工程领域的新兴学科。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字的形式对信号进行分析、采集、合成、变换、滤波、估算、压缩、识别等加工处理，以便提取有用的信息并进行有效的传输与应用。数字信号处理是以众多学科为理论基础,它所涉及的范围极其广泛。如数学领域中的微积分、概率统计、随机过程、数字分析等都是数字信号处理的基础工具。它与网络理论、信号与系统、控制理论、通信理论、故障诊断等密切相关。dsp可以代表数字信号处理技术（digital signalprocessing）,也可以代表数字信号处理器（digitalsignalprocessor）。前者是理论和计算方法上的技术,后者是指实现这些技术的通用或专用可编程微处理器芯片。数字信号处理包括两个方面的内容:1.算法的研研究2.数字信号处理的实现1.1.1数字信号处理的实现方法一般有以下几种：(1)在通用的计算机（如pc机）上用软件（如fortran、c语言）实现；(2)在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现；(3)用通用的单片机（如mcs-51、96系列等）实现，这种方法可用于一些不太复杂的数字信号处理，如数字控制等；(4)用通用的可编程dsp芯片实现。与单片机相比，dsp芯片具有更加适合于数字信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法；(5)用专用的dsp芯片实现。在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极高，用通用dsp芯片很难实现，例如专用于fft、数字滤波、卷积、相关等算法的dsp芯片，这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无需进行编程。在上述几种方法中，第1种方法的缺点是速度较慢，一般可用于dsp算法的模拟；第2种和第5种方法专用性强，应用受到很大的限制，第2种方法也不便于系统的独立运行；第3种方法只适用于实现简单的dsp算法；只有第4种方法才使数字信号处理的应用打开了新的局面。 虽然数字信号处理的理论发展迅速，但在20世纪80年代以前，由于实现方法的限制，数字信号处理的理论还得不到广泛的应用。直到20世纪70年代末80年代初世界上第一片单片可编程dsp芯片的诞生，才将理论研究结果广泛应用到低成本的实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸张地说，dsp芯片的诞生及发展对近20年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。1.2 dsp芯片的基本结构，原理和功能数字信号处理器（dsp）是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，主要用于实时快速实现各种数字信号处理的算法。在20世纪80年代以前，由于受实现方法的限制,数字信号处理的理论还不能得到广泛的应用。直到20年及80年代初，世界上第一块单片可编程dsp芯片的诞生，才使理论研究成果广泛应用到实际的系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸张地讲，dsp芯片的诞生及发展对近20年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。数字信号处理不同于普通的科学计算与分析，它强调运算的实时性。除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制能力外,针对实时数字信号处理的特点,在处理器的结构、指令系统、指令流程上作了很大的改进。 1.2.1 dsp芯片的基本结构(1) 冯诺伊曼（von neuman）结构该结构采用单存储空间，即程序指令和数据共用一个存储空间，使用单一的地址和数据总线，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行。当进行高速运算时，不但不能同时进行取指令和取操作数，而且还会造成数据传输通道的瓶颈现象，其工作速度较慢。（2）哈佛（harvard）结构该结构采用双存储空间，程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的程序总线和数据总线，可独立编址和独立访问，可对程序和数据进行独立传输，使取指令操作、指令执行操作、数据吞吐并行完成，大大地提高了数据处理能力和指令的执行速度，非常适合于实时的数字信号处理。微处理器的哈佛结构如图1.2.2所示。（3）改进型的哈佛结构改进型的哈佛结构是采用双存储空间和数条总线，即一条程序总线和多条数据总线。其特点如下：允许在程序空间和数据空间之间相互传送数据,使这些数据可以由算术运算指令直接调用,增强芯片的灵活性；.提供了存储指令的高速缓冲器（cache）和相应的指令,当重复执行这些指令时,只需读入一次就可连续使用，不需要再次从程序存储器中读出,从而减少了指令执行作需要的时间。如：tms320c6200系列的dsp,整个片内程序存储器都可以配制成高速缓冲结构。1.2.2 dsp芯片的特点1.采用流水线技术利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证在单指令周期内完成数字信号处理中用得最多的乘法 - 累加运算。如： 2采用多总线结构 dsp芯片都采用多总线结构，可同时进行取指令和多个数据存取操作，并由辅助寄存器自动增减地址进行寻址，使cpu在一个机器周期内可多次对程序空间和数据空间进行访问，大大地提高了dsp的运行速度。如：tms320c54x系列内部有p、c、d、e等4组总线，每组总线中都有地址总线和数据总线，这样在一个机器周期内可以完成如下操作： 从程序存储器中取一条指令；从数据存储器中读两个操作数；向数据存储器写一个操作数。3. 配有专用的硬件乘法-累加器 为了适应数字信号处理的需要，当前的dsp芯片都配有专用的硬件乘法-累加器，可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作，从而可实现数据的乘法-累加操作。如矩阵运算、fir和iir滤波、fft变换等专用信号的处理。 4. 具有特殊的dsp指令 为了满足数字信号处理的需要，在dsp的指令系统中，设计了一些完成特殊功能的指令。如：tms320c54x中的firs和lms指令，专门用于完成系数对称的fir滤波器和lms算法。5快速的指令周期由于采用哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的指令以及集成电路的优化设计，使指令周期可在20ns以下。如：tms320c54x的运算速度为100mips，即100百万条/秒。6硬件配置强新一代的dsp芯片具有较强的接口功能，除了具有串行口、定时器、主机接口（hpi）、dma控制器、软件可编程等待状态发生器等片内外设外，还配有中断处理器、pll、片内存储器、测试接口等单元电路，可以方便地构成一个嵌入式自封闭控制的处理系统。7支持多处理器结构为了满足多处理器系统的设计，许多dsp芯片都采用支持多处理器的结构。如：tms320c40提供了6个用于处理器间高速通信的32位专用通信接口，使处理器之间可直接对通，应用灵活、使用方便；8省电管理和低功耗 dsp功耗一般为0.54w，若采用低功耗技术可使功耗降到0.25w，可用电池供电，适用于便携式数字终端设备。 1.3 tms320c54xdsp芯片的主要特性tms320c54x（简称c54x）是ti公司为实现低功耗、高速实时信号处理而专门设计的16位定点数字信号处理器，采用改进的哈佛结构，具有高度的操作灵活性和运行速度，适应于远程通信等实时嵌入式应用的需要，现已广泛地应用于无线电通信系统中。 (1)cpu1、 先进的多总线结构。2、 40位算术逻辑运算单元（alu），包括1个40位桶形移位寄存器和2个独立的40位累加器。3、 17位*17位并行乘法器，与40位专用加法器相连，用与非流水线式单周期乘法/累加（mac）运算。4、 比较、选择、存储单元（cssu），用于加法/比较选择。5、 指数编码器，可以在单个周期内计算40位累加器中数值的指数。6、 双地址生成器，包括8个辅助寄存器和2个辅助寄存器算术运算单元（arau）。(2)存储器1、192k字可寻址存储空间（64k字程序存储器、64k字数据存储器以及64k字i/o空间），在c548和c549中存储空间可扩展至8m字。2、片内rom，可配置为程序/数据存储器。3、片内双寻址ram（daram）。4、片内单寻址ram（saram）（仅c548和c549）。(3)指令系统1.单指令重复和块指令重复操作。2.块存储器传送指令。3.32位长操作数指令。4.同时读入2或3个操作数的指令。5.能并行存储和并行加载的算术指令。6.条件存储指令。7.从中断快速返回。(4)在片外围电路1.软件可编程等待状态发生器。2.可编程分区转换逻辑电路。3.带有内部振荡器或用外部时钟源的片内锁相环（pll）时钟发生器。4.全双工串行口，支持8位或16位传送（仅c541、lc545和lc546）。5.时分多路（tdm）串行口（仅c542、c543、c546、c548和c549）。6.缓冲串行口（bsp）（仅c542、c543、c545、c546、c548和c549）。7.16位可编程定时器。8.8位并行主机接口（hpi）（c542、c545、c548和c549）。9.外部总线关断控制，以断开外部的数据总线、地址总线和控制信号。10.数据总线具有总线保持器特性。(5)电源1、 可用idlei、idle2和idle3指令控制功耗，以工作在省电方式。2、 clkout输出信号可以关断。(6)在片坊真接口1、 具有符合ieee1149.1标准的在片坊真接口。(7)速度1、 单周期定点指令的执行时间为25/20/15/12.5/10ns(40/50/66/80/10/mips)。1.4用dsp实现正弦函数的基本算法在通信、仪器和控制等领域的信号处理系统中，可能会用到正弦发生器。一般，产生正弦波的方法有两种：1、查表法。此中方法用于对精度要求不是很高的场合。如果要求精度高，表就很大，相应的存储器容量也要增大。2、台劳级数展开法。这是一种更为有效的方法。与查表法相比，需要的存储单元很少，而且精度很高。一个角度的正弦和余弦函数，都可以展开成台劳级数，取其前5项进行近似：sin=x-x3/3!+x5/5!-x 7/7!+x9/9!=x(1-x2/2*3(1-x2/4*5(1-x2/6*7(1-x2 /8*9)cos=1-x2 /2!+x4 /4!-x6 /6!+x8 /8!=1-x2 /2!(1-x2 /3*4(1-x 2/5*6(1-x2 /7*8)上式中的x为的弧度值。也可以有递推公式求正弦和余弦值：sin n=2cos*sin(n-1)-sin(n-2)cos n=2cos*cos(n-1)-cos(n-2)利用递推公式计算正弦和余弦值需已知cos和正、余弦的前两个值。用这种方法，求少数点还可以，如产生连续正弦、余弦波，则积累误差太大，不可取。第二章ccs集成开发环境2.1 ccs集成开发环境简介利用ccs集成开发环境,用户可以在一个开发环境下完成工程定义、程序编辑、编译链接、调试和数据分析等工作环节.使用ccs开发应用程序的一般步骤为:(1) 打开或创建一个工程文件.工程文件中包括源程序(c或汇编)、目标文件、库文件、连接命令文件和包含文件.(2) 编辑各类文件.如头文件(.h文件),命令文件(.cmd文件)和源程序(.c,.asm文件)等.可以使用一般的编辑软件或ccs集成编辑环境进行各类文件编辑.(3) 对工程进行编译.如果有语法错误,将在构建(build)窗口中显示出来.用户可以根据显示的信息定位错误位置,更改错误.（4）排除程序的语法错误后,用户可以对计算结果/输出数据进行分析,评估算法性能.ccs提供了探针、图形显示、性能测试等工具来分析数据、评估性能.图中为一个典型的ccs集成环境窗口示例.整个窗口由主菜单、工具条、工程窗口、编辑窗口、图形显示窗口、内存单元显示窗口和寄存器显示窗口等构成.2.2 建立工程文件ccs采用工程文件来集中管理一个工程.一个工程包括源程序、库文件、链接命令文件和头文件等,它们按照目录树的结构组织在工程文件中.工程构建(编译链接)完成后生成可执行文件.工程视窗显示了工程的整个内容.例如图2-4显示了工程codec_eg.mak所包含的内容.其中include文件夹包含源文件中以”.include”声明的文件,libraies文件夹包含所有后缀为”.lib”的库文件,source文件夹包含所有后缀为”.c”和”.asm”的源文件.文件夹上的”+”符号表示该文件夹被折叠,”-“表示该文件夹被展开.命令project new用于创建一个新的工程文件(后缀为”.mak”),此后用户就可以编辑源程序、链接命令文件和头文件等,然后加入到工程中.工程编译链接后产生的可执行程序后缀为”.out”.命令project open用于打一个已存在的工程文件. 例如用户打开位于”c:tic5400dsk examplesdsp” 目录下的codec_eg.mak工程文件时, 工程中包含的各项信息也被载入,其工程窗口。如下图所示。 2.3 在工程中添加删除文件, 编辑源程序1.以下任一操作都可以添加文件到工程中:1.选择命令project add file to project 2.在工程视图中右键单击调出关联菜单,选择add file在工程中源文件、链接命令文件及库文件(libraries)需要用户指定加入,头文件(include文件)通过扫描相关性(scan all dependencies)自动加入到工程中.在工程视图中右键单击某文件,从关联莱单中选择”remove from project”可以从工程中删除此文件.2.编辑源程序：ccs集成编辑环境可以编辑任何文本文件(对c程序和汇编程序),可以打开多个窗口或对同一文件打开多个窗口,进行多窗口显示.点击主莱单命令file new source file弹出编辑窗口进行编辑.2.4编译和调试a, 载入可执行程序: 命令file load program载入编译链接好的可执行程序.用户也可以修改”program load”属性,使得在构建工程后自动装入可执行程序.设置方法为选择命令options program load.b, 使用反汇编工具: 在某些时候(例如调试c语言关键代码),用户可能需要深入到汇编指令一级.此时可以利用ccs的反汇编工具.用户的执行程序(不论是c程序或是汇编程序) 载入到目标板或仿真器时,ccs调试器自动打开一个反汇编窗口.如下图所示. 第三章 用ccs环境编程，调试实现正弦函数信号3.1编写汇编程序sin.asm和vectors.asm 1.正弦波源程序清单sin.asm;this function generates the sine wave of angle using the taylor series expansion;sin(theta)=x( i-x 2/2 * 3(1-x2/4 * 5(1-x 2/6 * 7(1-x2/8 * 9);cos(theta)=1-x2/2(1-x2/3 * 4(1-x2/5 * 6(1-x2/7 * 8);sin(2 * theta)=2 * sin(theta) * cos(theta).title sin.asm.mmregs.def start; .refd_xs,d_sinx,d_xc,d_cosx;.refsinx,d_xs,d_sinx,cosx,d_xc,d_cosxsin_x:.usect sin_x,360stack: .usect stack ,10k_theta .set 286 ;theta= pi/360(0. 5deg. )pa0 .set 0start:.textstm #stack + 10, spstm k_theta, ar0 ;aro-k theta (increment)stm 0,ar1 ;(arl)=x(rad. )stm #sin_x, ar6 ; ar6 - - sin xstm #90, brc ; form sino (deg.) sin90 (deg. )rptb loop1-1ldm ar1, ald # d_xs, dpstl a,d_xsstl a, d_xccall sinx ; (d sinx) = sin(x)call cosx ; (d cosx) = cos(x)ld #d_sinx,dpld d_sinx,16 , a ; a= sin(x)mpya d_cosx ; b= sin(x) * cos(x)sth b,1, *ar6+ ;ar6-2 * sin(x) * cos(x)mar *ar1+0loop1: stm #sin_x+89, ar7 ; sin91(deg. ).- sin179 (deg. )stm #88, brcrptb loop2-1ld *ar7-,astl a, *ar6+loop2: stm #179 , brc ; sin180 (deg.) sin359 (deg. )stm #sin_x, ar7rptb loop3-1ld *ar7+, aneg astl a, *ar6+loop3: stm #sin_x, ar6 ;generate sin wavestm #1, ar0stm #360,bkloop4: portw *ar6+0%, pa0b loop4sinx:.def d_xs,d_sinx.datatable_s .word 01c7h ;c1=1/(8 * 9).word 030bh ;c2=1/(6 * 7).word 0666h ;c3=1/(4 * 5).word 1556h ;c4=1/(2 * 3)d_coef_s .usect coef_s,4d_xs .usect sin_vars ,1d_squr_xs .usect sin_vars ,1d_temp_s .usect sin_vars ,1d_sinx .usect sin_vars ,1c_1_s .usect sin_vars ,1.textssbx frctstm #d_coef_s, ar5rpt #3mvpd #table_s, *ar5+stm #d_coef_s, ar3stm #d_xs, ar2stm #c_1_s, ar4st #7fffh, c_1_ssqur *ar2+, ast a, *ar2|ld *ar4, bmasr *ar2+, *ar3+, b, ampya asth a, *ar2masr *ar2-, *ar3+, b, ampya *ar2+st b, *ar2|ld *ar4, bmasr *ar2- , *ar3+, b, ampya *ar2+st b, *ar2|ld *ar4, bmasr *ar2- , *ar3+ , b, ampya d_xssth b, d_sinxretcosx:.def d_xc,d_cosxd_coef_c .usect coef_c , 4.datatable_c .word 0249h ;cl=1/(7 * 8).word 0444h ;c2=1/(5 * 6).word 0aabh ;c3=1/(3 * 4).word 4000h ;c4= 1 /2d_xc.usectcos_vars,1d_squr_xc .usect cos_vars,1d_temp_c .usect cos_vars,1d_cosx .usect cos_vars,1c_1_c .usect cos_vars,1.textssbx frctstm #d_coef_c, ar5 ;move coeff tablerpt #3mvpd #table_c, *ar5+stm #d_coef_c, ar3stm #d_xc, ar2stm #c_1_c, ar4st #7fffh,c_1_csqur *ar2+, a ; a= x-2st a, *ar2 ;(ar2)= x2|ld *ar4,b ;b=1masr *ar2+, *ar3+,b,a ;a=i-x-2/56;t= x2mpya a ;a=t * a=x2(1-x2/56)sth a, *ar2 ;(d temp) =x2(1-x2/56)masr *ar2-, *ar3+,b,a ;a=1-x2/30(1-x2/56);t=x2(1-x2/56)mpya *ar2+ ;b=x2(1-x2/30(1-x2/56)st b, *ar2 ;(d temp)=x2(1-x2/30(1-x2/56)|ld *ar4, b ;b=1masr * ar2-, * ar3+,b,a ;a=1-x2/12(1-x2/30(1-x2/56)sfta a,-1,a ;-1/2neg ampya *ar2+ ;b=-x2/2(1-x2/12(1-x2/30;(1-x2/56) )mar *ar2+retdadd *ar4,16,b ;b=1-x2/2(1-x2/12(1-x2/30;(1-)c2/56)sth b, *ar2 ;cos(theta)ret.end2. vectors.asm.title “vectors”“ref start.sect “.vectors”b start.end3.2编写链接命令文件sin.cmd.debugsin.obj.debugvectors.obj-osin.out-msin.map-estartmemorypage 0:eprom : org=0e000h, len=1000hvecs : org=0ff80h, len=0080hpage 1:spram : org=0060h, len=0020hdaram1 : org=0080h, len=0010hdaram2 : org=0090h, len=0010hdaram3 : org=0200h, len=0200hsections.text : eprom page 0.data : eprom page 0stack : spram page 1sin_vars : daram1 page 1coef_s : daram1 page 1cos_vars : daram2 page 1coef_c : daram2 page 1sin_x :align(512) daram3 page1.vectors: vecspage 0注意：在实际上机操作时命令文件中的以下段可以没有：.debugsin.obj.debugvectors.obj-osin.out-msin.map-es