定点数字信号处理器（DSP）技术与应用.ppt

定点数字信号处理器（dsp） 技术与应用,by zhang li,2,课程的主要内容和目的,本课程主要介绍 analog device公司adsp-blackfin系列16位定点dsp的体系结构和软/硬件开发环境，通过几个典型的实验使大家初步掌握dsp系统的硬件构成、 软件开发以及系统的综合调试方法。 课程的重要性： 直接面向应用 it工程师三大实用技能 * pcb设计 * dsp应用 * fpga应用,3,第一部分:数字信号处理器（dsp）概述,数字信号处理的特点,特别强调运算处理的实时性(real-time capability),模拟/数字转换 a/d converter,数字信号 处理运算,数字/模拟转换,d/a converter,待处理 的信号,处理后 的信号,数字信号处理及数字信号处理器（dsp） digital signal processor,4,数字信号处理器（dsp）结构特点, dsp面向高性能、重复性、数值运算密集型的实时处理，它具有适合数字信号处理算法的指令、适合数字信号处理数据结构的存储器结构和寻址机构、并行处理能力和嵌入式性能等。其体系结构一般具有以下特点： 采用分离程序总线与数据总线的哈佛结构（cpu：普林斯顿结构），有着较高的指令执行速度，但结构复杂需要两套地址产生电路。 采用流水线技术，使取指、译码、取操作数、执指等步骤并行完成，提高了指令的执行速度。 除了算数逻辑单元（alu）外，具有独立的乘加器(mac),使其能够在一个周期内完成相乘和累加两个操作，加快了各种典型处理算法的处理速度。 具有适用于典型处理算法的特殊存储器寻址方式，如循环寻址、位反序寻址等。 针对实时处理的专用的数据接口(sram、dma、sport，etc.)，使数据的存取速度得以提高。 专门的指令流控制逻辑，如无附加开销的循环转移指令。 集成度高，能够实现单片、低功耗的处理系统。,5,数字信号处理器（dsp）的应用领域,通用数字信号处理(数字滤波、卷积、相关、变换等) 通信（高效数字调制/解调、编/解码器、自适应均衡、ip处理、软件无线电等） 语音处理（语音识别/合成/压缩/解压缩等） 图形/图象处理（图象变换、模式识别、图象压缩/解压缩等） 自动控制（高精度、高速度伺服控制） 军事/航空/航天（雷达/声呐信号处理、雷达成像、制导/火控系统、导航/定位系统、战场c3i系统等） 消费电子（数字高清晰度电视（hdtv）、cd/vcd/dvd编解码器、多媒体信息处理、汽车电子等）,6,dsp的典型应用民用领域,7,dsp的典型应用民用领域,8,dsp的典型应用军事应用,9,dsp的典型应用军事应用,10,坦克火控系统,dsp的典型应用军事应用,11,dsp的典型应用军事应用,12,dsp的典型应用军事应用,飞机火控系统,13,dsp的典型应用军事应用,14,dsp的典型应用军事应用,各类导弹弹载数字信号处理机,15,dsp的典型应用军事应用,16, 主要分为通用dsp和专用dsp两大类 通用dsp：其所要实现的处理算法由软件程序控制实现。应 用灵活性大，通过更改软件程序能够实现不同的 处理算法。 产品是各种类型的可编程dsp芯片，应用较广泛 的是： ti公司的tms320系列 ad公司的adsp21xx系列 专用dsp：针对某种具体应用而设计，所要实现的处理算法 由硬件直接实现。运算处理速度极高，但完成的 算法单一、精度和动态范围有限，需要与外围电 路配合才能构成系统，功耗也较大，因此应用范 围较窄， 主要应用于仪器/ 仪表以及军事等需要 极高处理处理能力的领域。 主要产品：fft专用dsp、卷积/相关器、复乘加 器等。 * 用asic/fpga实现的dsp,dsp的分类,17,dsp的分类,横向滤波器 fft 复乘/累加器 求模/相角,嵌入式dsp 定点 dsp 32bit浮点dsp 32bit浮点并行dsp 超高性能dsp,16bit 定点dsp 24bit 定点dsp,通用dsp,18,数字信号处理器（dsp）的开发与调试, dsp系统的设计分为硬件/软件两个部分。两者可以在各自的开发平台上分别进行前期设计与调试，然后进行系统的联调。 硬件设计 dsp选型/系统结构确立 性能/功耗分析 开发周期/成本分析 电路设计/调试 调试工具： dsp在线硬件仿真器（emulator)、dsp开发/评估板（evaluation board)、 示波器、逻辑分析仪。 软件设计 算法确定/程序流程图 软件编制（汇编/c语言） 汇编/编译/链接 软件模拟 调试工具： 汇编/编译/链接程序，软件模拟/调试器（simulator/debugger) 系统联调对整个系统的软/硬件进行的综合调试。 调试工具：硬件仿真器、dsp开发/调试集成环境（ide/idde）、dsp os，etc.,19,dsp系统的开发流程图系统级设计,系统功能要求,系统性能及算法模拟,处理速度、开发周期、 体积、成本，功耗、 供货、升级,器件选型： dsp型号、存储器、i/o、 fpga、a/d、d/a,系统设计框图,硬件设计,软件设计,20,dsp系统的开发流程图电路/软件设计,电路原理图设计,生成电路网表,设计印制电路板,印制板制造,器件安装,软件流程图绘制,高级语言程序设计,汇编语言程序设计,汇编算法库,实时运行库,编译,汇编,链接,软件模拟,修正,硬件调试,软/硬件系统联调,示波器 逻辑分析仪,21,dsp系统的开发流程图系统联调,系统在线仿真,硬件电路,软件程序,pc机仿真,仿真结果?,有误错,修正,固化程序,嵌入系统设备进行联调,连接外部设备,综合测试,满足系统要求?,否,修正,否,修正,成品制造,示波器 逻辑分析仪,22,adsp-blackfin在线仿真器,23,adsp-bf533开发/评估板,24,dsp及其开发的新趋势,片上系统soc(system-on-chip) 随着vlsi技术的发展，针对一定的应用领域，可以使整个系统以dsp为核心进行设计，并将应用中所涉及的诸如 ram、i/o、a/d、d/a等附加电路单元全部集成在一片ic芯片中，并且包括处理单元在内的各功能块都具有可重定义特性（re-configurable). 这样一来，系统以后的功能扩展与升级将非常简单，只需要重新编写软件程序即可。同时系统的功耗会大大的降低， 可靠性会大大的提高。而这对便携/移动应用非常重要。 模块化设计 dsp及支持芯片/软件生产厂商，均依据一定的标准，设计生产电路板级dsp处理模块， 同时为这种模块提供丰富的符合标准的软件开发系统和算法资源库。 这样做的好处是降低了硬件设计难度、 减少了硬件设计时间， 更重要的是模块化设计得到了丰富的软件支持，大大提高了设计效率。,25,二进制代数复习,dsp中的二进制数表示方法,adsp系列定点数dsp使用2的补码进行操作。若要有效地对该系列dsp进行编程，了解以下概念及定义是非常重要的。 1) 有符号 / 无符号数格式 2) 小数 / 整数格式 3) 小数的范围 4) 16进制到2进制的转换 5) 2进制到16进制的转换,26,2进制（binary ）- （16进制）hexadecimal 10进制（decimal ）数据转换表,decimal,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15,hexadecimal,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f,binary,0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111,27,有符号数与无符号数,无符号数,有符号数,0x0000 0v (最小负值),0xffff 5v (最大正值),0x8000 -5v (最小负值),0x0000 0v,0x7fff 5v (最大正值),s/u,u u u u u u u u u u u u u u u,0,15,2进制表示,实际物理量,28,有符号数（原码）与2的补码,有符号数（原码）的最高位（msb）为符号位。 1表示负数 0表示正数 * 有符号数（原码）“0”有两种表示方法（+/-0）。 * 有符号数（原码）的运算比较复杂，类似于正负数的笔算 ，先要比较两个数绝对值的大小，然后确定如何计算，最 后在确定符号位。 2的补码xcmp = 2n + x (n-字长位数） * 性质：正数的补码与其原码相同。负数的补码仍是负数，它是 将其原码的符号位保持不变而将其数值部分求补得到。 “0”在补码中的表示是唯一的。 * 补码的求法：一个负数的补码等于其原码除符号位保持不变外 ，其余各位按位求反，再在最低位加1。 * 补码的运算：符号位与数值位一样参加运算（若符号位有进位 则丢弃）。 * 溢出的判别：“双高位判别法” cs：最高位（符号位）的进位情况。 若有进位，cs = 1; cp：数值部分的最高位的进位情况。若有进位，cp = 1; overflow = cs xor cp,29,2的补码表示方法,对于2的补码表示法， 一个数符号位的位权值是-(2)(m-1)，m是2进制小数点左边的位数。对于一个 4.2 型式的数字, 符号位的位权值是 -(23).,例子:,0101.01 = 0 * (-8) + 1 * (4) + 0 * (2) + 1 * (1) + 0 * (1/2) + 1 * (1/4) = 5.25 1101.01 = 1 * (-8) + 1 * (4) + 0 * (2) + 1 * (1) + 0 * (1/2) + 1 * (1/4) = - 2.75,2进制小数点,符号位,30,小数与整数表示法, 1.15型式的小数格式,s f f f f f f f f f f f f f f f,s i i i i i i i i i i i i i i i,小数点,小数点, 16.0型式的整数格式,31,dsp是针对小数表示型式 进行优化设计的 dsp也支持整数表示型式,32,16位二进制数的表示范围,33,不同数制表示实例,+5 v,-5 v,0 v,0x7fff,0x0000,0x8000,1,2,3,4,5,格式,0x7fff,0x3fff,0x0000,0xcccd,0x8000,1),2),3),4),5),16.0,1.15,34,有两种将16进制数转换为10进制数的方法，一种简单，一种较复杂. 复杂的方法 : 先将16进制数转换成2进制数. 确定小数点的位置. 将每一位的2进制位数值乘以其相应的位权值。 例子: 将 0x2a00（ 以1.15 、2的补码格式表示）转换10进制数值 0x2a00 = 0.010 1010 0000 0000 = 2-2 + 2-4 + 2-6 = 0.25 + 0.0625 + 0.015625 = 0.328125 = 0.33 = 1/3 简单的方法 : 先将16进制数直接转换成10进制数（整数整数）。再用转换后的10进制数除以2n，n是2进制小数点右边的位数。 例子: 将 0x2a00（ 以1.15 、2的补码格式表示）转换10进制数值 0x2a00 10752 / 215 = 10752 / 32768 = 0.328125,16进制(1.15 格式)到10进制转换,35,有两种将10进制数转换为16进制数的方法，一种简单，一种较复杂. 复杂的方法: 将10进制数用其2n 的型式表示出来。 例子: 将0.8125转换成以1.15、 2的补码表示的16进制数值 简单的方法: