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DSP 原理及应用 三系通信工程教研室 田爱君 第 1 章 DSP 绪论 1 1 数字信号处理概述 1 2 可编程 DSP 芯片 1 3 DSP 系统 1 4 DSP 产品简介 宿迁学院教案 课程名称 课程名称 DSP 原理与应用 任课教师 任课教师 田爱君 第 课时 课题 课题 第 1 章 DSP 绪论 授课时间 授课时间 目的要求 目的要求 1 掌握数字信号处理的特点及应用领域 2 掌握 DSP 系统的组成及主要性能指标 3 掌握 DSP 芯片的分类方法及各种定点和浮点芯片的特征 重点难点 重点难点 1 DSP 芯片的特点及硬件组成 2 DSP 系统的组成及性能指标 教具及教学实验设备 教具及教学实验设备 教材 教案 教参 板书 PPT 教学过程 教学过程 1 讲授 DSP 的概念及 DSP 的应用领域 2 讲授 DSP 芯片的发展历程 3 讲授 DSP 芯片的基本结构 4 讲授 DSP 芯片的特点 5 讲授哈佛结构 流水线结构的原理 6 讲授 DSP 系统的组成及主要性能指标 第 1 章 DSP 绪论 1 1 数字信号处理概述 一 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 1 数字信号处理 Digital Signal Processing 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 2 数字信号处理器 Digital Signal Processor DSP 芯片 是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器 其主要应用是实时快速地实 现各种数字信号处理算法 3 数字信号处理包括两个方面的内容 1 算法的研究 2 数字信号处理的实现 4 数字信号处理的实现方法 在通用计算机 PC 机 上用软件 如 Fortran C 语言 实现 但速度慢 不适合实 时数字信号处理 只用于算法的模拟 在通用计算机系统中加入专用的加速处理机实现 用以增强运算能力和提高运算速度 不适合于嵌入式应用 专用性强 应用受到限制 用单片机实现 用于不太复杂的数字信号处理 不适合于以乘法 累加运算为主的密 集型 DSP 算法 用通用的可编程 DSP 芯片实现 具有可编程性和强大的处理能力 可完成复杂的数 字信号处理的算法 在实时 DSP 领域中处于主导地位 用专用的 DSP 芯片实现 可用在要求信号处理速度极快的特殊场合 如专用于 FFT 数字滤波 卷积 相关算法的 DSP 芯片 相应的信号处理算法由内部硬件电路实 现 用户无需编程 但专用性强 应用受到限制 1 2 可编程 DSP 芯片 一 DSP 芯片的发展概况 DSP 芯片诞生于 20 世纪 70 年代末 至今已经得到了突飞猛进的发展 并经历了以下三 个阶段 1 第一阶段 DSP 的雏形阶段 1980 年前后 1980 年 日本 NEC 公司推出的 PD7720 是第一个具有乘法器的商用 DSP 芯片 美国德州仪器 Texas Instruments 公司为世界上最大的 DSP 芯片供应商 其 DSP 市场份 额占全世界份额近 50 2 第二阶段 DSP 的成熟阶段 1990 年前后 完成乘加操作的时间下降到 10ns 以下 乘法部件占模片区从 40 下降到 5 引脚数从 64 增加到 200 以上 重量和体积大大下降 采用低电压 功耗大大下降 3 第三阶段 DSP 的完善阶段 2000 年以后 二 DSP 芯片的特点 1 采用哈佛结构 DSP 芯片普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构或改进的哈佛结构 比传统处 理器的冯 诺伊曼结构有更快的指令执行速度 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 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 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 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 3 采用流水线技术 每条指令可通过片内多功能单元完成取指 译码 取操作数和执行等多个步骤 实现多 条指令的并行执行 从而在不提高系统时钟频率的条件下减少每条指令的执行时间 4 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 5 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 6 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 7 硬件配置强 新一代的 DSP 芯片具有较强的接口功能 可以方便地构成一个嵌入式自封闭控制的处理 系统 8 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 9 省电管理和低功耗 DSP 功耗一般为 0 5 4W 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 三 DSP 芯片 为了适应数字信号处理各种各样的实际应用 DSP 厂商生产出多种类型和档次的 DSP 芯 片 在众多的 DSP 芯片中 可以按照下列 3 种方式进行分类 1 按基础特性分 静态 DSP 芯片 一致性 DSP 芯片 2 按数据格式分 定点 DSP 芯片 浮点 DSP 芯片 3 按用途分 通用型芯片 专用型芯片 四 DSP 芯片 随着 DSP 芯片价格的下降 性能价格比的提高 DSP 芯片具有巨大的应用潜力 主要应用 1 信号处理 2 通 信 3 语 音 4 图像处理 5 军 事 6 仪器仪表 7 自动控制 8 医疗工程 9 家用电器 10 计 算 机 五 DSP 芯片的发展现状和趋势 1 DSP 芯片的现状 1 制造工艺 早期 4 m 的 NMOS 工艺 现在 0 25 m 或 0 18 m 亚微米的 CMOS 工艺 成本 体积和功耗不断下降 2 存储器容量 早期 片内程序存储器和数据存储器只有几百个单元 目前 片内程序和数据存储器可达到几十 K 字 而片外程序存储器和数据存储器可达 到 16M 48 位和 4G 40 位以上 3 内部结构 DSP 内部均采用多总线 多处理单元和多级流水线结构 4 运算速度 近 20 年的发展 使 DSP 的指令周期从 400ns 缩短到 10ns 以下 5 高度集成化 集滤波 A D D A ROM RAM 和 DSP 内核于一体的模拟混合式 DSP 芯片已有较 大的发展和应用 6 运算精度和动态范围 DSP 的字长从 8 位已增加到 32 位 累加器的长度也增加到 40 位 从而提高了运算精度 7 开发工具 具有较完善的软件和硬件开发工具 2 国内 DSP 的发展现状 进入 21 世纪以后 中国新兴的数字消费类电子产品进入增长期 市场呈现高增长态势 普及率大幅度提高 从而带动了 DSP 市场的高速发展 此外 计算机 通信和消费类电子 产品的数字化融合也为 DSP 提供了进一步的发展机会 3 DSP 技术的发展趋势 全球 DSP 产品将向着高性能 低功耗 加强融合和拓展多种应用的趋势发展 DSP 技术 将会有以下一些发展趋势 1 DSP 的内核结构将进一步改善 2 DSP 和微处理器的融合 3 DSP 和高档 CPU 的融合 4 DSP 和 SOC 系统级芯片 的融合 5 DSP 和 FPGA 的融合 6 实时操作系统 RTOS 与 DSP 的结合 7 DSP 的并行处理结构 8 功耗越来越低 1 3 DSP 系统 一 DSP 系统 一个典型的 DSP 系统应包括抗混叠滤波器 数据采集 A D 转换器 数字信号处理器 DSP D A 转换器和低通滤波器等组成 1 DSP 系统的处理过程 x t 抗混叠抗混叠 滤波器滤波器 A D 转换器转换器 x n y n y t 数字信号数字信号 处理器处理器 D A 转换器转换器 低通低通 滤波器滤波器 将输入信号 x t 进行抗混叠滤波 滤掉高于折叠频率的分量 以防止信号频谱的混叠 经采样和 A D 转换器 将滤波后的信号转换数字信号 x n 数字信号处理器对 x n 进行处理 得数字信号 y n 经 D A 转换器 将 y n 转换成模拟信号 经低通滤波器 滤除高频分量 得到平滑的模拟信号 y t 2 DSP 系统的特点 1 接口方便 2 编程方便 3 具有高速性 4 稳定性好 5 精度高 6 可重复性好 7 集成方便 二 DSP 系统的设计 根据需求写出任务书根据需求写出任务书 确定设计目标确定设计目标 算法研究和系统模拟实现算法研究和系统模拟实现 定义系统性能指标定义系统性能指标 选择选择DSP芯片芯片 和外围芯片和外围芯片 硬件设计硬件设计 硬件调试硬件调试 软件设计软件设计 软件调试软件调试 系统集成和测试系统集成和测试 设计步骤分几个阶段 1 明确设计任务 确定设计目标 2 算法模拟 确定性能指标 3 选择 DSP 芯片和外围芯片 4 设计实时的 DSP 应用系统 5 硬件和软件调试 6 系统集成和测试 三 DSP 应用系统的开发工具 开发工具支持开发工具支持开发工具支持 开发步骤开发步骤开发步骤内容开发内容开发内容开发 硬件支持硬件支持硬件支持软件支持软件支持软件支持 1 1 1 算法模拟算法模拟算法模拟计算机计算机计算机C C C 语言 语言 语言 MatlabMatlabMatlab 语言语言语言 2 2 2 DSPDSPDSP 软件编程软件编程软件编程计算机计算机计算机 编辑器 如编辑器 如编辑器 如 EditEditEdit UltraeditUltraeditUltraedit 3 3 3 DSPDSPDSP 软件调试软件调试软件调试计算机 计算机 计算机 DSPDSPDSP 仿真器仿真器仿真器DSPDSPDSP 代码生成工具 调试工具代码生成工具 调试工具代码生成工具 调试工具 4 4 4 DSPDSPDSP 硬件设计硬件设计硬件设计计算机计算机计算机电路设计软件电路设计软件电路设计软件 5 5 5 DSPDSPDSP 硬件调试硬件调试硬件调试 计算机 计算机 计算机 DSPDSPDSP 仿真器 仿真器 仿真器 示波器 信号发生器 示波器 信号发生器 示波器 信号发生器 逻辑分析仪等逻辑分析仪等逻辑分析仪等 相关支持软件相关支持软件相关支持软件 6 6 6 系统集成系统集成系统集成 计算机 计算机 计算机 DSPDSPDSP 仿真器 仿真器 仿真器 示波器 信号发生器 示波器 信号发生器 示波器 信号发生器 逻