DSP原理与应用教程学习心得.doc

DSP原理与应用教程学习心得 通过一个学期对DSP原理与应用教程的学习，特别是老师的认真教学和仔细指导让我又学到了很多知识，对我的专业知识有了更深的了解。特别是对于现在科技高速发展人才严重缺少的现实，其次马上毕业，马上面临寻找工作的我们，更应该学会这门课程，学精这门课程。以下就是我这学期对DSP这门课程的一些体会。1.DSP原理与应用的诞生 随着DSP技术在我国的应用日趋广泛，培养更多更好的DSP应用人才，造就一批DSP开发研究的骨干力量，满足国内高新技术发展的需求，已经越来越紧迫地摆在教育工作者面前。为此，国内许多大学对硕士生及本科生开设了DSP课程，迫切需要这方面的教材，自学课本和参考书籍，本书就是在这种背景下编写完成的。本书由承担“DSP原理与应用”课程教学的老师们以DSP的技术手册为基础，结合多年来教课的讲稿和科研的体会编写而成，讲述了DSP的基础知识和应用设计方面的内容，以满足教学和自学的需要，满足越来越多的读者对DSP开发应用的学习愿望。2.对DSP原理与应用的大概了解 DSP的全称是数字信号处理器，是专为实时数字信号处理而设计的一种可编程的嵌入式微处理器。它采用改进型哈佛总线结构，内部配置了硬件乘法器，实用多级流水线工作方式。它具有运算速度高，处理能力强，片内外设备丰富等诸多特点。它的问世与飞速发展，为将数字信号处理理论应用于工程实际提供了低成本的软，硬件平台。近年来，随着DSP性能的日趋完善，功能的逐步降低，开发环境的不断改进以及价格的不断下调，DSP的应用价值和推广前景越来越凸现出来。其应用以深入到人们的学习，工作和生活中的各个方面，在语音，图像，通信系统，生物医学工程，遥感遥测，航空航天，电力系统，故障检测以及自动化仪器等领域发挥着越来越大的作用。3.全书内容简介 数字信号处理器（DSP）是专为数字信号处理而设计的大规模集成芯片，是一种高速，实时，可编程的嵌入式微处理器。本书是以TI公司的TMS320C54x系列DSP为例，详细介绍DSP的硬件结构和软件设计的特点，包括总线结构，CPU，流水线操作，存储器映像，片内外围设备，寻址方式和指令系统等。然后从应用角度出发，详细介绍用汇编语言和C语言进行软件设计方法。通过实例介绍CCS集成开发环境。讨论基于TMS320C54x为核心的应用系统设计，给出典型的DSP硬件设计及接口技术，并对在DSP系统设计中出现的主要问题和解决方法进行讨论。最后通过一个综合应用系统的设计实例，介绍了DSP的开发设计的全过程。4.全书编写特点 a.以TI公司的TMS320C54x系列DSP为描述对象，系统介绍DSP的基本硬件结构，编程模型和指令系统，并深入讨论DSP系统的软硬件设计及开发应用等内容。尽可能详细地将DSP综合应用系统设计方面的知识介绍给读者。 b本书定位于教材或自学参考书，面向初学者，因此在编写中力求内容全面，通俗易懂，多分析，多总结，使读者易于接受，便于理解。在编写中尽量采用教学语言进行描述，避免写成DSP的使用手册。 c.列举大量例题，习题和思考题，给读者以更多的启发和思考。引导读者从应用DSP的角度出发，掌握DSP系统设计的关键环节和解决问题的方法。5.全本解剖 第一章：概述DSP的结构特点，描述DSP技术的发展，分类及其应用。 第二章：详细介绍TMS320C54xDSP的内部硬件资源，包括CPU内核，多总线结构，引脚功能，系统控制，存储器映像及中断系统等。 第三章：介绍TMS320C54x的寻址方式和指令系统，并集合实际应用，对常用指令进行重点讲解，给出程序段编写的例程。 第四章：结合TMS320C54x的软件开发工具及开发过程，介绍DSP所采用的COFF目标文件格式，结构和规范，介绍伪指令和宏指令，并通过实例介绍汇编语言程序设计的方法和技巧。 第五章：介绍DSP的C语言程序设计特点，讨论DSP C语言编程的设计技巧，C代码优化及C语言与汇编语言的混合编程实现等内容。 第六章：介绍DSP的软件开发环境CCS的结构及其应用方法。 第七章：介绍TMS329C54x的片内外围设备的结构，编程及其应用。 第八章：讨论数字信号处理典型算法的程序设计，包括卷积，FIR，IIR,FFT等程序的设计与在DSP上的实现。 第九章：讨论DSP硬件系统设计及接口技术的应用，详细介绍DSP的最小应用系统设计，讨论外部数据存储器，程序存储器的扩展应用，给出了DSP与A/D,D/A的接口设计等，并举例了一些常用接口芯片和接口电路：就DSP应用系统设计的调试与抗干扰措施进行了讨论：最后介绍了一个DSP的应用实例，以它在语音处理中的应用为例，讨论了DSP应用系统的开发过程。6.章节解剖(由于我的设计是快速傅里叶变换的DSP实现，所以将更详细的解读快速傅里叶变换的DSP实现) DSP技术概要 随着计算机，信息技术和大规模集成电路的飞速发展，数字信号处理技术已形成一门独立的学科系统，并且在理论和实现技术两个方面都获得了告诉的发展。数字信号处理时采用数值计算的方法对信号进行处理的一门学科。它衙门就的是怎样对模拟信号进行采样，将其转换为数字序列，然后对其进行变换，滤波，增强，压缩及识别等加工处理，从而提取有用信息并进行有用的理论和算法。而数字信号处理器则是一种用于数字信号处理的可编程微处理器，它诞生与快速发展，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新局面，提供了低成本的实际工作环境和应用平台，拖动了新的理论和应用领域的发展。目前，DSP技术在通信，航空，航天，雷达，工业控制，医疗，网络及家用电器等各个领域都得到了广泛的应用。其中包括了DSP系统和芯片的结构和特点（如下图0），DSO的发展概况和趋势以及DSP芯片的分类（如图01），性能及其应用。1）.采用改进型哈佛结构；2）.流水线操作；3）.片内集成有硬件乘法器和乘加单元；4) .功能强大的CPU；5) .硬件循环复制机制；6）.复合操作指令；7）。嵌入式功能。DSP芯片的结构特点 （图0）（图01）DSP芯片的分类按照数据格式按照芯片用途按照芯片结构DSP的发展概况 DSP诞生于20世纪70年代。1978年，美国AMI公司发布的S2811被认为是世界上的第一片DSO芯片。然而，1980年由日本NEC公司推出的D7720才是第一片具有硬件乘法器的商用DSP器件。进入80年代，随着计算机应用范围的扩大，迫切要求提高数字信号处理技术的速度，从而推动了DSP的进一步发展。进入20世纪90年代以后，DSP技术得到了惊人的发展，这体现在DSP的性能和指标不断提高，而其芯片尺寸和功耗却在不断减小，价格也在逐年降低。自1997年至今，DSP的发展进入了完善阶段。近年来，DSP在国内外的应用市场上都取得了长足的进展，特别是在无线通信，宽带网络以及由此而拓展的流媒体应用领域，DSP都取得了重大突破。TNS320C54x硬件结构及原理 TNS320C54x简称C54x，该系列DSP是一种低功耗，高性能的16位定点芯片。它的突出特点是：采用改进型哈佛总线结构，具有性能强大的CPU内科，内部多总线结构，硬件重复机制及两套独立的地址生成器，为组成6级流水线和并行操作提供了硬件平台。它提供多种寻址模式和功能丰富的指令集，瞒住了告诉，实时的数字信号处理的需要。它丰富的 片内外设资源及方便的外部扩展能力，为芯片的嵌入式应用奠定了基础。 C54x的内部硬件资源，包括：CPU内核，多总线结构，引脚功能，系统控制，存储器映像及中断系统等。 其中有芯片内部结构及特点（如下图），C54x的内部多中线结构，C54x的中央处理单元（CPU），C54x的存储器结构，复位操作及省电方式中断系统，流水线，引脚及其功能。主要组成部分和结构特点多总线的哈佛结构CPU内核片内存储空间片外可扩展的最大存储空间片内外设灵活的寻址方式及适合于信号处理的指令系统发低功耗工作 汇编语言指令系统 指令系统时候CPU操作命令的集合。不同类型的CPU有不同的指令系统。在DSP应用中，虽然可以使用C/C+高级语言编程，降低了对编程者的要求，但在一些事实性要求高的场合仍然需要采用汇编编程，以充分利用DSP丰富的硬件资源，发挥它的实时运算能力。用汇编语言编程，要求编程者对DSP的低层有充分的了解，包括硬件结构，存储器空间模型和I/O口的组织等。同时又要求编程者对指令系统有深刻的了解。 其中包括：C54x汇编语言指令集介绍（指令系统中的符号，缩写及操作符），寻址方式（如下图：1），C54x系列DSP的指令系统（如下图：2）立即寻址绝对寻址累加器寻址直接寻址间接寻址存储器映像寄存器寻址堆栈寻址寻址方式 （图1） 指令数据存取指令算术运算指令逻辑运算指令控制程序转移指令重复操作指令并行操作指令 （图2）汇编语言程序设计 集合C54x的软件开发过程，介绍DSP所采用的公共目标文件格式(COFF.),结构和规范，讨论建立汇编语言程序并产生可执行文件的一些设计要求。伪指令和宏指令是汇编语言程序的重要组成部分。汇编语言程序设计是混合编程和应用软件设计的基础。 其中有，C54x的软件开发过程，COFF（优点有如图3，类型有如图4），汇编器的伪指令，C54x汇编语言的有关知识，汇编语言程序设计 。 将指令和数据按照段的概念进行组织和储存，这使得程序的可靠性大大增强，更容易编写程序，更便于进行程序的移植，更利于进行模块化的程序设计，为管理代码段及系统储存器提供灵活的方法和手段。 （图3）COFF0COFF1COFF2COFF （图4） C54x高级C语言程序设计 C54x的程序设计有两种设计语言可以选择：汇编语言和C语言。用汇编语言的优势是程序执行效率高，硬件定时准确，缺点是程序不够直观，不同公司的DSP芯片所提供的汇编语言是各不相同的，即使是同一公司的芯片，不同型号芯片的汇编语言也是所不同的。因此用汇编语言开发基于某种DSP芯片的产品的程序，其设计周期都相对较长，而且所开发的程序可移植性和可维护性都比较差。而对于C语言，作为一种执行效率相对较高的高级程序语言，其可移植性好，可维护性好，配合一些优化编译器，能够生成代码执行效率较高的可执行程序。因此，在DSP系统的软件开发中，除了对于一些运算量较大或运算时间要求严格的程序代码，如实时信号处理系统中的关键代码外，一般性的代码就可采用高级语言编写，从而缩短程序的开发周期，同时还可以使汇编语言编写的程序被高级语言所调用。 其中包括C54xC语言介绍（主要介绍C54xC与ANSIC的相同点和不同点），C54xC语言编程，C54xC代码优化。 TMS320C54x软件开发环境CCS CCS是TI公司推出的用于开发DSP芯片的集成开发环境，它采用Windows风格界面，集编辑，编译，链接，软件仿真，硬件调试以及实时跟踪等功能于一体，支持汇编语言与C语言及二者的混合编程，极大地方便了DSP芯片的开发与设计，是目前使用最广泛的DSP开发软件之一。 其中包涵CCS的简介，CCS的组成，CCS集成开发环境与Simulator使用方法，CCS开发流程，CCS使用举例。 TMS320C54x片内外设及其应用 在C54x片内集成了大量外部设备，包括通用I/O引脚，定时器，主机接口，串行口，时钟产生逻辑，等待状态产生器，直接储存器访问和外部总线接口等。这些片内外设是辅助CPU完成信号处理的重要部件，它们在DSP与外界进行数据交换以及DSP与其他芯片进行接口和通信等方面发挥了极其重要的作用。 其中介绍了通用I/O引脚（GPIO） ，定时器（工作原理与定时器的编程），主机接口HPI（HPI-8结构以及与主机的接口，数据传输等），直接储存器访问DMA，多通道缓冲串行口（功能和结构）。 数字信号处理典型算法程序设计 在通信和信号处理中，常用的运算，如卷积，自相关，滤波和快速傅立叶变换等，都具有较高的密集性和复杂性，而这些运算中所用到的最基本的是乘法-累加运算。C54x的硬件及软件设计使得其具有快速的进行乘法-累加运算功能，并且有丰富的软硬件资源为这些算法的实施提供了有利的基础条件。因此，这种芯片在通信及信号处理等领域得到了广泛的应用。在这里详细了解其在C54x芯片中的具体实现方法。主要包括：卷积，有限冲激相应（FIR）数字滤波器，无限冲激响应（IIR）数字滤波器，快速傅立叶变换（FFT）运算的实现方法。 其中有卷积运算的DSP实现，数字滤波器的DSP实现，IIR滤波器的DSP实现，快速傅立叶变换的DSP实现。 快速傅立叶变换的DSP实现：FFT算法介绍 FFT算法的基本原理是把长序列的DFT逐次分解为较短序列的DFT。按照抽取方式的不同可分为DIT-FFT（按时间抽取）和DIT-FFT（按频率抽取）算法。基2基4基8蝶形运算在各种信号序列中，有限长序列信号处理占有很重要地位，对有限长序列，我们可以使用离散Fouier变换(DFT)。这一变换不但可以很好的反映序列的频谱特性，而且易于用快速算法在计算机上实现，当序列x(n)的长度为N时，它的DFT定义为： 反变换为： 有限长序列的DFT是其Z变换在单位圆上的等距采样，或者说是序列Fourier变换的等距采样，因此可以用于序列的谱分析。FFT并不是与DFT不同的另一种变换，而是为了减少DFT运算次数的一种快速算法。它是对变换式进行一次次分解，使其成为若干小点数的组合，从而减少运算量。常用的FFT是以2为基数的，其长度 。它的效率高，程序简单，使用非常方便，当要变换的序列长度不等于2的整数次方时，为了使用以2为基数的FFT，可以用末位补零的方法，使其长度延长至2的整数次方。 用FFT计算相关函数 两个长为的实离散时间序列与的互相关函数定义为 ：的离散傅里叶变换为： 当时，得到的自相关函数为： 利用FFT求两个有限长序列线性相关的步骤（设长，长）： （1）为了使两个有限长序列的线性相关可用其圆周相关代替而不产生混淆，选择周期，以便使用FFT，将，补零至长为。（2）用FFT计算（3）（4）对作IFFT；取后项，得；取前项，得。 TMS320C54x硬件设计及接口技术 DSP硬件设计是DSP应用系统设计的基础。DSP芯片内部提供了CPU，片内外设，储存器（ROM,RAM或Flash），这些内部构成为DSP系统的设计提供了很大方便。但是