DSP技术与应用 第一章_绪论

.DSP原理和应用，z，本课程以数字信号处理及微处理器和微机系统为基础，结合TMS320C54x系列数字信号处理器芯片，介绍了DSP的基本概念、技术原理、实现方法和应用开发技术，为学生了解DSP的发展趋势和广泛应用领域奠定了从事数字信号处理技术开发和应用领域的初步基础。本课程的主要内容侧重于DSP硬件原理和应用。讲座内容分为三部分，第一部分阐述了DSP的基本知识。第二部分主要介绍DSP的硬件结构、命令系统和软件应用程序开发和模拟过程。第三部分介绍了DSP片上外设接口设计方法和DSP应用系统开发示例。课程介绍，了解课程目标、DSP的发展趋势和应用领域掌握DSP技术的基本原理，并为DSP技术开发和应用奠定了初步基础。课程要求，1 .课程：不能聊天，不能影响别人；上课有问题的话，可以随时举手提问。2.作业：要求整理，过期不收，按平时成绩(10%)入帐。(按班级分组，每个班级由学习委员负责任务)3 .实验：独立思考和完成(20%)。4.考试：期末考试(70%)5。成绩：作业分数实验分数期末分数。DSP原理和应用，前期课程：数字信号处理，微机原理和应用，单片机原理和接口技术理论教学3360339小时实验教学3360515小时。DSP、单芯片微型计算机、ARM和FPGA应用程序之间的区别？微控制器(MCU)侧重于控制应用程序，计算能力比DSP弱。ARM是微处理器行业著名的MCU之一，advancedriscmachhines具有强大的事务管理功能，可以用于运行接口、应用程序等，其优势主要表现在控制方面。DSP、微控制器、ARM和FPGA应用程序差异？FPGA是英文FieldProgrammableGateArray(FPGA)，它可以编程为VHDL，具有高度的灵活性，允许编程、调试、重新编程和重复执行，从而充分实现设计开发和验证。DSP主要用于解密、调制和解调等计算，具有强大的数据处理能力和高执行速度等优点。第1章介绍，DSP概述可编程DSP芯片TMS320系列DSP芯片概述DSP系统设计过程，1.1DSP概述，DSP和DSP技术DSP技术开发的两个领域数字信号处理方法DSP系统的特性，1 .DSP和DSP技术数字信号处理(DSP)-数字信号处理的理论和方法。Dsp (digitalsignalssor) -用于数字信号处理的可编程微处理器。DSP技术(DigitalSignalProcess) -一种利用专用或通用数字信号处理芯片通过数字计算方法处理信号的方法和技术。CPU、MCU、DSP差异和联系方式自20世纪70年代微处理器问世以来，已发展到三个方向。这三种类型的微处理器各有其独特的特性。技术上继续学习和融合，但有不同的应用领域。CPU:微型计算机中央处理器。MCU:单片机DSP:可编程数字信号处理器。2 .DSP技术开发的两个领域理论：数字信号处理的理论和方法近年来迅速发展，为各种实时处理的应用提供了方法基础。声音图像压缩编码、解密、调制和解调，以及智能天线。应用：为了适应市场需求，微电子科学技术的进步，DSP的性能正在迅速提高。例如：时钟频率为1.1GHZ已到达。每秒90亿次处理速度，32位浮点运算，2Gbit秒处理速度：理论主导应用，应用促进理论发展。3 .数字信号处理方法PC软件实现。(c语言、MATLAB语言等)主要用于DSP算法的仿真和仿真，验证了算法的正确性和性能。优点是灵活方便，缺点是速度慢。PC专用处理器。专用性强，应用程序限制大，系统独立运行不容易。通用单片机(51、96系列等)适用于简单的DSP算法，并执行一些不太复杂的数字信号处理任务，如数字控制。3 .DSP实现方法(续)专用DSP芯片。(FFT、数字过滤、卷积、相关算法等)此芯片在芯片内将相应的信号处理算法实现为硬件，无需编程。处理速度很高，但专用性好，应用受到限制。通用可编程DSP芯片。其特点是具有更适合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，灵活、快速、实时处理。4 .DSP系统的特征(与模拟信号处理系统相比)接口简单方便。电气特性很简单，数据流使用标准协议。高精度，抗干扰能力强，稳定性好。量化误差、有限字符长度的影响、高信噪比、设备性能的影响很小。易于编程，易于实现复杂的算法(包括自适应算法)。DSP芯片为复杂的信号处理提供了高速计算平台。4 .DSP系统功能(续)程序控制。系统的功能和性能发生变化时，不需要重新设计、组装、调试。示例：数字滤波器：低通、高通、带通.软件无线电的不同工作模式无线电通信；虚拟仪器的过滤器、频谱分析器等。集成方便。因为除了DSP芯片外，DSP芯片内部还有特定的周边电路。1.2可编程DSP芯片，DSP芯片结构特性DSP芯片分类DSP芯片开发和趋势DSP芯片应用程序。1 .DSP芯片结构特征(1)改进的哈佛结构，(2)多总线结构多总线结构确保了在一个机器周期内对程序空间和数据空间的多访问。例如，如果TMS320C54x内部具有p、c、d和E4总线(每个总线都包含地址总线和数据总线)，则在系统周期内，可以从程序存储中获取一个命令，从数据存储中读取两个操作数，并将一个操作数写入数据存储，从而大大提高了DSP的执行速度。(3)流水线技术DSP处理器流水线技术是将每个指令的每个步骤嵌套执行，而不是在一个指令执行完成后开始执行下一个指令。(4)多处理单元DSP内部通常包括算术逻辑计算单元(ALU)、辅助寄存器计算单元(ARAU)、累加器(ACC)和硬件乘数(MUL)等多个处理单元。可以在一个命令周期中同时进行运算。示例：在执行乘法和累加操作时，辅助寄存器单元将完成对以下地址的寻址，以准备下一次乘法和累加操作：适用于多处理单元结构，尤其是用于批量乘法运算的矩阵运算、过滤、FFT、Viterbi解码等。(5)指令周期短，功能强，使用亚微米CMOS制造工艺快速运行。TMS320C54x:运行速度高达100MIPS。TMS320C6203的时钟以300MHz运行，最高可达2400MIPS。DSP命令功能强大，使用一个特殊命令执行非常复杂的功能。系数对称的fir过滤器和LMS算法(如TMS320C54x中的FIRS和LMS命令)分别使用。(6)计算精度高的初始DSP的字符长度从8位逐渐增加到16位、24位和32位。还有达到40位的累加器，防止运算过程中溢出。浮点DSP提供了更大的动态范围，如TMS320C3x、TMS320C4x、ADSP21020等。(7)丰富的外设嵌入式主机接口(HPI)、直接内存访问控制器(DMAC)、外部存储扩展端口、串行通信端口、中断处理器、PLL时钟生成器、测量和映射访问端口(符合IEEE1149.1标准的芯片仿真)、(8)低功耗普通DSP芯片功耗0.5至4瓦。采用低功耗技术的DSP芯片为0.1瓦(电池可用)。例如：TMS3205510只有0.25mW，特别适合便携式数字终端。DSP最重要的特性：特殊的内部结构、强大的信息处理能力和高执行速度。DSP能够实时处理大量数据，是声音、图像实时处理领域的理想应用。例如：DSP已经成为世界上70%的数字电话的“心脏”，DSP也广泛用于网络领域。，2 .DSP芯片分类(1)按用途分类一般用途的DSP芯片(本课程中主要讨论的芯片)通常是指可通过指令编程的DSP芯片，TI公司的一系列DSP芯片属于一般用途的DSP芯片。专用DSP芯片专为特定DSP操作(如数字过滤、卷积、FFT等)而设计，通过数据加载、参数控制或向插针添加控制信号，可编程功能有限。与Motorola的DSP56200相同。(2)以数据格式分类定点格式运行定点DSP数据的DSP芯片称为定点DSP芯片，该芯片简单且成本低。两种基本显示方法：整数显示方法：主要用于控制操作、地址计算和其他非信号处理应用程序。十进制表示：主要用于数字和各种信号处理算法的计算。定点表现法不一定是整数表现法。浮点DSP数据以浮点格式工作的DSP芯片称为浮点DSP芯片，该芯片具有较高的计算精度，运行速度快。在浮点数运算中，表示数字的范围可以自动调整其指数，从而避免了数字规范化或溢出等问题。但是，浮点DSP通常比定点DSP复杂且成本高。3 .DSP芯片的开发和趋势(1)DSP芯片的发展过程。自1978年第一个DSP诞生S2811(微软公司AMI子公司)1986年以来，取得了飞跃性的发展。目前：DSP制造商80多个，品种300多个。TI公司市场份额：60%；广告公司市场份额：15%；摩托罗拉市场份额：10%；Lucent市场份额：5%；(2)国内DSP开发概述1983年引进(TMS32010)我国DSP产品主要来自海外。TI公司的产品大约占国内DSP市场的90%，其他公司如Lucent、AD、Motorola、ZSP、NEC。状态：DSP开发工具/DSP硬件平台开发/DSP应用软件开发国内引入的主流产品：TMS 320 f 2407(电动机控制)TMS 320 c 5409(信息处理)TMS 320 c 6201(图像处理)，4 .DSP芯片上的应用程序通用数字信号处理：过滤、自适应、卷积、FFT、hibert转换、频谱分析等；语音识别和处理：语音编码/会议/识别/语音邮箱等；图形/图像处理：二维/三维图形转换；模式识别；图像识别；电子地图；机器人视觉等；仪表：函数发生器、数据收集等；自动控制：机器人控制、发动机控制等；医学工程：心脏/脑电图、监护、超声、x射线扫描等；4 .DSP芯片应用(续)家电：HDTV (HDTV)、高保真音频、数字电话、电子玩具等；通信：纠错编辑/解码、自适应均衡、回声消除、同步、分集接收、数字调制/解调、扩频通信、软件无线电等；电脑：阵列处理器、图形加速器、工作站和多媒体电脑等。国防部队：雷达和声纳信号处理、导航、导弹制导、机密通信、全球定位、电子战、信息收集和处理等。1.3TMS320系列DSP概述，TI公司DSP芯片简介TMS320C5000系列，1 .TI公司DSP芯片简介TI公司常用的DSP芯片可以概括为三个系列：TMS 320 c 2000系列：TMS320C24x/C28x。Tms 320 c 5000系列：TMS320C54x/C55x等；Tms 320 c 6000系列：TMS320C62x/C67x/C64x。说明：同一代TMS320系列DSP产品的CPU结构相同，但片上内存和外围电路的配置不一定相同。C2000系列TMS 320 c 2000系列DSP控制器具有集成闪存、高速A/D、CAN模块等的卓越性能。C2000系列DSP芯片价格低廉，性能高，具有适合数字控制领域的功能。因此，它广泛应用于工业自动化、电机控制、家电和家电领域。C6000系列TMS 320 c 6000系列通过TI的专利技术VeloiTI和新的长命令结构提供高级别的性能。C6000系列DSP芯片的主要应用领域包括数字通信和图像处理。2 .TMS320C5000系列C5000系列DSP芯片具有两个主要C54x:C54x和C55x:高运行灵活性和运行速度。此结构使用增强的哈佛体系结构，具有专用硬件逻辑的CPU、片上存储、片上外围设备和高效的指令集。C54x是16位定点DSP，适合远程通信等实时嵌入式应用程序的需要。本课程将介绍基于C54x的DSP技术。C55x:C5000系列DSP的子系列，在C54x上开发，与原始代码兼容。当C55x在0.9V下运行时，功耗降低到0.005mW/MIPS。以400MHz时脉频率运作，最高可达800MIPS。300MHz C55x性能是120MHz C54的5倍，C54系列的1/6功耗。因此，C55x非常适合个人和便携式应用程序以及数字通信设备应用程序。例如将DSP应用于手机：(1)2G手机：配置为DSP和MCU DSP:负责信号处理，MCU:支持手机的用户界面，以及在通信协议堆栈中处理上层协议。(2)3G手机：将实时通信功能与用户的交互式应用程序分开，以实现多媒体通信。包含多个DSP、MCU，用于更好的信号处理和应用程序软件服务。1.4DSP系统设计摘要，DSP系统设计过程选择DSP芯片DSP应用程序系统开发工具，1 .DSP系统设计过程，(1)基于算法研究和优化系统要求的算法模拟和高级语言(如MATLAB)仿真实现，通过仿真验证算法的正确性、准确性和效率，确定最佳算法并初步确定相应参数。会计算法所需的DSP处理能力。这是选择DSP的重要因素，也会影响目标主板的DSP结构(例如单个或多个DSP、并行或串行)。优化算法。一方面提高了算法的效率，另一方面使算法更适合DSP的体系结构，如用于并行处理的分解或用于流处理的分解，从而获得最小运算量和使用最小资源量的算法。(2)根据DSP芯片和外围芯片确定算法的计算速度、准确性和存储要求，选择DSP芯片和外围芯片。每个DSP芯片都有特别适合处理的区域。例如：TMS320C54x系列适用于通信领域(支持Vertbi解码、FFT等算法，以确保通