《DSP实验教案》word版.doc

DSP实验教案摘要：在通用的计算机（如PC）上用软件（如C语言）实现，一般可用于DSP算法的模拟与仿真，缺点是速度较慢； . 运算精度高：早期DSP的字长为8位，后来逐步提高到16位、24位、32位。 . （15）提供了一些有用的测点和扩展点供用户使用. 十、实验方法 .关键词：算法,24,点类别：专题技术来源：牛档搜索（Niudown.COM）本文系牛档搜索（Niudown.COM）根据用户的指令自动搜索的结果，文中内涉及到的资料均来自互联网，用于学习交流经验，作品其著作权归原作者所有。不代表牛档搜索（Niudown.COM）赞成本文的内容或立场，牛档搜索（Niudown.COM）不对其付相应的法律责任！DSP实验讲义主讲人：李艳生一、数字信号处理概述 数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在过去的二十多年的时间里，数字信号处理技术已经在通信领域里得到极为广泛的应用。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。图1是数字信号处理系统的简化框图。预处理器A/D数字处理器D/ALPFx(t) x(n) y(n) y(t)数字信号处理技术已广泛于数字通信、雷达、遥感、声纳、语音合成、图像处理、测量与控制、HDTV、数字音响、多媒体技术、地球物理学、生物医学工程、振动工各及机器人等各领域。随着技术的发展，其研究范围和应用领域还在不断地发展和扩大。数字信号处理技术之所以发展得这样快，应用得这样广，是与它的突出优点分不开的。归纳起来，它有以下4个方面的优点：（1） 精度高。（2） 灵活性大。（3） 可靠性高。（4） 时分复用。数字信号处理技术的实现方法，可以分为5类：（1） 在通用的计算机（如PC）上用软件（如C语言）实现，一般可用于DSP算法的模拟与仿真，缺点是速度较慢；（2） 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现；缺点是系统不便于独立运行，并且专用性太强，应用受到很大的限制；（3） 用通用的单片机（如MCS-51系列）实现，这种方法只只适用于实现简单的DSP算法，如数字控制；（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，这种方法也是应用最多的。（5） 用专用的DSP芯片实现，在一些特殊的场合，要求的的信号处理速度极高，用通用DSP芯片很难实现，如专用于FFT、数字滤波、卷积、相关等算法的DSP芯片，它是把相应的处理算法在芯片内部用硬件资源实现，无须编程。二、DSP芯片的特点DSP芯片，又称为数字信号处理器，是一种特别适用于进行实时数字信号处理的微处理器。它的主要特点是：（1） 哈佛结构：早期的微处理器内部大多采用冯诺依曼结构，其片内程序空间和数据空间是合在一起的，取指令和取操作数是通过一条总线分时进行的。而DSP芯片内采用的是程序空间和数据空间分开的哈佛结构，允许同时取指令（来自程序存储器）和取操作数（来自数据存储器）。（2） 多总线结构：许多DSP芯片内部都采用多总线结构，这样可以保证在一个机器周期内可以多次访问程序空间和数据空间。（3） 流水线结构：在DSP中，采用流水线结构，在程序运行过程中的取指、译码、取操作数和执行是重叠运行的。（4） 多处理单元：DSP内部一般都包括多个处理单元，如ALU、ARAU、ACC及MUL等。（5） 特殊的DSP指令：为了更好的满足数字字信号处理应用的需要，在DSP的指令系统中，设计了一些特殊的DSP指令。（6） 指令周期短：早期的DSP的指令周期约400ns，其运算速度为5MIPS（每秒执行5百万条指令），随着集成电路的发展，运行速度越来越快，TMSC320C54x的运行速度可达100MPIS，TMS320C6203的运行速度达到2400MIPS。（7） 运算精度高：早期DSP的字长为8位，后来逐步提高到16位、24位、32位。（8） 硬件配置强：新一代DSP的接口功能愈来愈强，片内具有串行口，主机接口（HPI），DMA控制器、锁相环时钟产生器等，更易于完成系统设计。三、TMS320C54X硬件概述TMS320C54X是TI公司的第五代产品，是继TMS320C1X和TMS320C2X之后的第三代定点DSP处理器。它的核心中央处理器（CPU）以TMS320C25的核心CPU为基础，增强型哈佛结构大幅度地提高了整体性能。TMS320C5X工作速度是TMS320C25的2倍以上，对于TMS320C1X和TMS320C2X具有源代码向上兼容特性。这种兼容性保留了过去开发的软件，便于系统升级到更高性能的DSP系统。TNS320C5X系列有TMS320C50/C51/C52/C53/C54等多种产品，它们的主要区别是片内RAM，ROM等资源的多少。 而其中TMS320C54具有以下优点：1、 改进的哈佛结构。围绕一组程序总线，三组数据总线和四组地址总线建立的哈佛结构，使得性能和多功能性都得以提高。2、 具有高度并行性和专用硬件逻辑的CPU设计，使芯片性能大大提高。3、 高度专业化指令集，更适用于快捷算法的实现和高级语言编程的优化。4、 模块化结构的设计，使器件得到了更快的发展。5、 最新的IC制造工艺，提高了芯片性能，降低了功耗。6、 最新的静态设计技术使得芯片具有更低的功耗和更强的辐射能力。这些使得C54X特别适用于远程通信时嵌入式应用的需要。下面讲一下TMS320C54X的主要特征:CPU先进的多总线结构(1条程序总线、3条数据总线和4条地址总线)40位算术逻辑单元（ALU），包括一个40位桶形移位器和两个独立的40位累加器1717-bit并行乘法器，连接一个40-bit的专用加法器，可用来进行非流水单周期乘/加（MAC）运算比较、选择和存储单元（CSSU）用于Viterbi运算器的加/比较选择指数编码器在一个周期里计算一个40-bit累加器的指数值两个地址发生器中有八个辅助寄存器和两个辅助寄存器算术单元（ARAUs）存储器可访问的存储器空间最大可为192K16-bit（64K程序存储器，64K数据存储器和64KI/O存储器）指令系统支持单指令循环和块循环存储块移动指令提供了更好的程序和书记管理支持32-bit长操作数指令，支持两个或三个操作数读指令，支持并行存储和并行装入的算术指令，支持条件存储指令及中断快速返回指令在片外围电路软件可编程等待状态发生器和可编程的存储单元转换连接内部振荡器或外部时钟源的锁相环（PLL）发生器支持8-或16-bit传送的全双工串口（C541，LC541，LC545和LC546）时分多路（TDM）串口（C542，LC542，LC543和LC548）缓冲串口（BSP）（C542，LC542，LC543，LC545，LC546和LC548）8-bit并行主机接口（HPI）（C542，LC542，LC545和LC548）一个16-bit定时器外部输入/输出（XIO）关闭控制，禁止外部数据总线、地址总线和控制信号数据总线具有总线保持特性在片仿真接口片内基于扫描的仿真逻辑，JTAG边界扫描逻辑（IEEE 1149、1）速 度单周期定点指令执行时间可达15ns下图给出了TMS320C54x DSP的内部硬件组成框图。四、总线结构(*)见：TMS320C54x DSP结构、原理及应用 P10C54x片内有8条16位主总线：1条程序总线、3条数据总线和4条地址总线。这些总线的功能如下：程序总线(PB)传送取自程序存储器的指令代码和立即数。3 条数据总线（CB、DB和EB）将内部各单元（如CPU、数据地址生成电路、程序地址生成电路、在片外围电路以及数据存储器）连接在一起。CB和DB传送读自数据存储器的操作数，EB传送写到存储器的数据。4条地址总线（PAB、CAB、DAB、EAB）传送执行指令所需的地址。下表列出了各种寻址方式所用的总线。读/写方式地址总线程序总线数据总线PABCABDABEABPBCBDBEB程序读程序写单数据读双数据读长数据（32b）读hwlwhwlw单数据写数据读/写双数据读/系数读外设读外设写注：hw=高16位字 lw=低16位字五、CPU内部结构(*)见：TMS320C54x DSP结构、原理及应用 P19-3140位算术逻辑运算单元（ALU）2个40位累加器移位-1630桶形移位寄存器乘法器/加法器单元比较、选择和存储单元(CSSU)指数编码器CPU状态和控制寄：状态寄存器0（ST0）、状态寄存器1（ST1）、处理器工作方式状态寄存器（PMST）六、存储器系统(*)见：TMS320C54x DSP结构、原理及应用 P10-19存储器空间：存储器空间可以分成3个可单独选择的空间：程序、数据和I/O空间。程序存储器存放要要执行的指令和执行中所用的系数表。数据存储器存放存放执行指令所要用的数据。I/O存储空间与存储器映象外围设备接口，也可作为附加的数据存储空间。片内RAM总是安排到数据存储空间，但也可以构成程序存储空间。片内ROM一般构成程序存储空间，也可以部分安排到数据存储空间。可以通过3个状态位（MP/MC、OVLY、DROM），很方便地“使能”和“禁止”程序和数据空间中片内存储器。MP/MC：MP/MC=0，则片内ROM安排到程序空间MP/MC=1，则片内ROM不安排到程序空间OVLY：OVLY=1，则片内RAM安排到程序和数据空间OVLY=0，则片内RAM只安排到数据空间DROM：DROM=1，则部分片内ROM安排到数据空间DROM=0，则部分片内ROM不安排到数据空间程序存储器：高2K字程序空间(F8000HFFFFH)中中包含内容如下图所示：C5402片内高2K字ROM中的内容及其地址范围数据存储器：前1K数据存储器的配置如下图所示：存储器映象CPU寄存器0000h存储器映象外围电路寄存器0020h暂存器SPRAM(DP=0)0060hDARAM（DP=1）0080hDARAM（DP=2）0100hDARAM（DP=3）0180hDARAM（DP=4）0200hDARAM（DP=5）0280hDARAM（DP=6）0300hDARAM（DP=7）0380h片内RAM前1K配置图I/O存储器：64K字的地址空间(0000HFFFFH)，都在片外。可以用两条指令(输入指令PORTR和输出指令PORTW)对I/O空间寻址。七、寻址方式（*）见：TMS320C54x DSP结构、原理及应用 P31-39C54X提供了七种基本的数据寻址方式：1、 立即数寻址，指令中嵌有一个固定的数在立即数寻址中，指令里包括了立即操作数。在立即数寻址方式的指令中，数字前面加一个#号，表示一个立即数。如：用80h加载累加器A，可以写成指令：LD #80h,A在一条指令中可对两种立即数编码：一种是短立即数（3、5、8或9bits），另一种是16bits的长立即数。立即数可包含在单字或双字指令中。3-，5-，8-或9-bit值在单字指令中，16-bit在双字指令中。2、 绝对地址寻址：就是在指令中包含有所要寻址的存储单元的16位地址，由于指令中的绝对地址总是16位，所以绝对寻址指令的长度至少为2个字。3、 累加器寻址,就是利用累加器的数值作为地址来读写程序存储器。有两条指令用的是累加器寻址方式：READA SmemWRITA Smem4、 直接寻址，指令中的7bits是一个数据页内的偏移地址，而所在的数据页有数据页指针DP或SP决定。该偏移加上DP和SP的值决定了在数据存储器中的实际地址。5、 间接寻址，按照辅助寄存器中的地址访问寄存器。6、 存储器映射寄存器寻址，修改存储器映射存储器中的值，而不影响当前DP或SP的值。7、堆栈寻址，系统堆栈用来在中断和子程序期间自动存入程序计数器。它也能用来存放额外的数据项或传遵纪守法数据值。处理器使用一个16-bit的存储器映射寄存器一堆栈指针来对堆栈寻址，它总是指向存放在堆栈中的最后一个元素。共有四条使用堆栈寻址方式访问堆栈的指令：PSHD 把一个数据存储器的值压入堆栈。PSHM 把一个存储器映射寄存器的值压入堆栈。POPD 把一个数据存储器的值弹出堆栈。POPM 把一个存储器映射寄存器的值弹出堆栈。八、COFF文件的概念见：TMS320C54x DSP结构、原理及应用 P112-118一个完整的程序通常需要将若干个模块连接在一起。通过使用命令文件（Command File），连接器（Linker）可以对输入的模块进行正确地组织，确定目标系统的内存空间，以及各模块的段（Section）在内存中的分配。COFF系统容许模块化地开发软件，而不必关心硬件。当程序的一些模块的代码被修改或者硬件设计发生变动时，不需要对程序中的地址进行修改。作为COFF文件的基本单元，段(Section)是一个很基本的概念。在COFF文件中，可以有初始化段和未初始化段，按段的内容的不同又可以分为程序段和数据段，按照段的定义又可以分为有名段和无名段。下面简单介绍一下比较常用的几种段的形式和定义方法。1 TEXT默认的初始化程序段，所有以TEXT开头的程序被放在这个段中。2 DATA默认的初始化数据段，所有以DATA开头的数据被放在这个段中。3 SECT “section name”初始化的段，所有section name相同的程序或数据被放在同一段中。可以定义不同section name的多个段。4ASECT “section name ” ，address初始化的段，所有section name相同的程序或数据被放在同一段中。可以定义不同section name的多个段。使用address来指定该段在内存中的地址。5USECT “section name”，size in words,block flag未初始化的段，所有section name相同的程序或数据被放在同一段中。可以定义不同section name的多个段。使用size来指定该段的长度（以字为单位）。可以使用blocking flag来定义连续的段，当这个参数大于零时，给这个段分配的内存不跨越页（页为连续的128字），即该段的地址在同一页，除非该段的长度超过一页，那么它的起始地址为一页的开头。6BSS symbol ,size in words,blocking flag未初始化的段，所有位初始化数据被放在同一段中。使用symbol来指定分配的连续地址的开头标志。使用 size 来指定该段的长度（以字为单位）。可以使用blocking flag来定义连续的段，当这个参数大于零时，个这个段分配的内存块不跨越页，即该段的地址在同一页，除非该段的长度超过一页，那么它的起始地址为一页的开头。为使原程序经过汇编之后，生成的目标文件能够被连接器生成最终的可执行件，还需要命令文件。一般说来，该文件有三个部分组成：1.输入输出的文件和连接的选项，包括obj目标文件，输出的map文件，输出的out文件，连接的lib文件；2.程序空间和数据空间的地址分配，各内存块的名字，起始地址，长度。约定程序空间位于第0页，数据空间位于第1页；3.各段在程序空间和数据空间中的分配。这个命令文件具有一定的通用性，一般情况下，只需要对相应的输入输出的文件名进行修改就可以用在不同的文件的连接过程中。九、实验箱简介下图是用户开发板的接口框图。该实验板上带有一片TMS320VC5402定点DSP芯片和一些外围接口芯片，使用交流220V电源，通过开关电源转换成+5V、+12V、-12V三种电源，通过JTAG接口与计算机相连，可以在计算机屏幕上显示程序运行时寄存器的状态。JTAG接口单脉冲输出分频输出8个LED输出8个按键输入同步串口TMS320C54X DSP可编程CPLD异步串口程序存储器数据存储器2路可调幅调频信号源（TRI，SQ，SIN）D/A转换A/D转换用户存储器EP