01DSP原理及应用——第1章绪论(讲稿).ppt

1、1 TMS320C54X DSP原理及应用 作者：乔瑞萍 崔涛 张芳娟 出 版 社：西安电子科技大学出版社 2 数字信号处理系统的应用和设计 作 者：胡剑凌 徐盛 出 版 社：上海交通大学出版社 3 DSP技术与应用实例 作者：赵红怡 出 版 社：电子工业出版社 4 TMS320C54X DSP结构、原理及应用(第2版) 作者：戴明桢；周建江 出 版 社：北京航空航天大学出版社 5 DSP原理与应用实验 作者：姜阳；周锡青 出 版 社：西安电子科技大学出版社,参考书,本次课授课提纲,课程性质、目的和任务 数字信号处理概述 可编程DSP芯片 DSP系统 DSP产品简介,课程性质、目的和任务,应用

2、性较强的专业课程 以数字信号处理、单片机原理及应用等课程为先修课程 融合电子、计算机、信息处理、现代EDA等多项技术的综合性课程 学习本课程的最高目标是硬件、软件、算法的完美结合,课程性质、目的和任务,硬件设计,主要工具：Protel、Cadence等软件,课程性质、目的和任务,软件设计,主要工具：CCS、Quartus、Keil等软件,课程性质、目的和任务,算法应用滤波,DSP中嵌入数字滤波算法处理心电信号。主要工具：Matlab,课程性质、目的和任务,算法应用FFT,DSP中嵌入FFT算法实现音频信号的频谱显示。主要工具：Matlab,数字信号处理概述,DSP可以代表数字信号处理技术（Di

3、gital Signal Processing）,也可以代表数字信号处理器（Digital SignalProcessor）。,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,数字信号处理概述,算法的研究,以最小的运算量和存储器的使用量来完成指定的任务。,以众多的经典理论体系作为自己的理论基础，同时它又是新兴学科理论基础。 经典理论体系 微积分，概率统计，随机过程，数值分析，网络理论，通信理论，控制论。 新兴学科 人工智能，模式识别，神经网络等。,数字信号处理概述,用硬件、软件或软硬结合的方法来实现各种算法。数字信号处理的实现一般有以下几种方法：, 在通用计算机（PC机）

4、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

5、户无需编程，但专用性强，应用受到限制；, 用基于通用DSP核的ASIC芯片实现。随着专用集成电路的广泛使用,可以将DSP的功能集成到ASlC中。一般说来，DSP核是通用DSP器件中的CPU部分，再配上用户所需的存储器和外设，组成用户的ASIC。,数字信号处理的实现,可编程DSP芯片,TI（Texas Instruments）： TMS320系列DSP器件,AD（Analog Devices）: ADSP、TS系列DSP器件,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。,第一阶段，DSP的雏形阶段（1980年前后）。 197

6、8年AMI公司生产出第一片DSP芯片S2811。 1979年美国Intel公司发布了商用可编程DSP器件Intel2920,由于内部没有单周期的硬件乘法器，使芯片的运算速度、数据处理能力和运算精度受到了很大的限制。运算速度大约为单指令周期200250ns，应用领域仅局限于军事或航空航天部门。,可编程DSP芯片,可编程DSP芯片,第二阶段，DSP的成熟阶段（1990年前后）。,这个时期的DSP器件在硬件结构上更适合数字信号处理的要求，能进行硬件乘法、硬件FFT变换和单指令滤波处理，其单指令周期为80100ns。 这个时期的器件主要有:TI公司的TMS320C20、30、40、50系列，Motor

7、ola公司的DSP5600、9600系列，AT&T公司的DSP32等。,可编程DSP芯片,第三阶段，DSP的完善阶段（2000年以后）。,各DSP制造商不仅使信号处理能力更加完善,而且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步降低、成本不断下降。尤其是各种通用外设集成到片上,大大地提高了数字信号处理能力。这一时期的DSP运算速度可达到单指令周期10ns左右，不仅在通信、计算机领域得到了广泛的应用，而且逐渐渗透到人们日常消费领域。,二、 DSP芯片的特点,可编程DSP芯片,1采用哈佛结构,(1) 冯诺伊曼（Von Neuman）结构,1944年，數學家馮紐曼（John von Neum

8、ann，19031957）造訪摩爾學院 ENIAC的實驗室。在他到訪前，Eckert曾說：要知道馮紐曼是不是一個真正的天才，就看他的第一個問題是不是：這部機器是否會變成邏輯的結構？，這的確是馮紐曼的第一個問題。之後馮紐曼成為計畫的顧問，致力於研究機器的數學與邏輯結構。,可编程DSP芯片,冯.诺依曼结构,可编程DSP芯片,哈佛结构,外部管理数据总线,外部管理地址总线,数据总线,数据地址总线,程序数据总线,程序地址总线,可编程DSP芯片,改进型的哈佛结构,可编程DSP芯片,2采用多总线结构,可编程DSP芯片,3采用流水线技术,可编程DSP芯片,4. 配有专用的硬件乘法-累加器,5. 具有特殊的DS

9、P指令,6快速的指令周期,7硬件配置强,8支持多处理器结构,9省电管理和低功耗,三、 DSP芯片的分类,可编程DSP芯片,1、按基础特性分类 静态DSP芯片与一致性DSP 芯片 2、按数据格式分类 定点与浮点DSP芯片 3、按用途分类 通用与专用DSP芯片,可编程DSP芯片,四、DSP芯片的应用,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,如：数字滤波、自适应滤波、 快速傅氏变换、Hilbert

10、变换、 相关运算、频谱分析、 卷 积、模式匹配、 窗函数、波形产生等；,如：调制解调器、自适应均衡、 数据加密、数据压缩、 回波抵消、多路复用、 传真、扩频通信、 移动通信、纠错编译码、 可视电话、路由器等；,如：语音编码、语音合成、 语音识别、语音增强、 语音邮件、语音存储、 文本语音转换等；,如：二维和三维图形处理、 图像压缩与传输、 图像鉴别、图像增强、 图像转换、模式识别、 动画、电子地图、 机器人视觉等；,如：保密通信 雷达处理 声纳处理 导航 导弹制导 电子对抗 全球定位GPS 搜索与跟踪 情报收集与处理等,如：频谱分析、函数发生、 数据采集、锁相环、 模态分析、暂态分析、 石油/

11、地质勘探、 地震预测与处理等；,如：引擎控制 声 控 发动机控制 自动驾驶 机器人控制 磁盘/光盘伺服控制 神经网络控制等,如：助听器 X-射线扫描 心电图/脑电图 超声设备 核磁共振 诊断工具 病人监护等,如：高保真音响 音乐合成 音调控制 玩具与游戏 数字电话/电视 高清晰度电视HDTV 变频空调 机顶盒等,如：震裂处理器 图形加速器 工作站 多媒体计算机等,集成ARM核和TI公司DSP的手机ASIC,DSP在生物医学工程领域的应用,五、DSP芯片的发展现状和趋势,1DSP芯片的现状,（1）制造工艺,普遍采用0.25m或0.18m亚微米的CMOS工艺。芯片引脚从原来的40个增加到200个以

12、上，需要设计的外围电路越来越少，成本、体积和功耗不断下降。,（2）存储器容量,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16M48位和4G40位以上。,可编程DSP芯片,（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，加上完善的接口功能，使DSP的系统功能、数据处理能力和与外部设备的通信功能都有了很大的提高。,（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，其相应的速度从2.5MIPS提高到2000MIPS以上。如TMS320C6201执行一次1024点复数FFT运算的时间只有66S。,可编程DSP芯片,（5）高

13、度集成化,（6）运算精度和动态范围,可编程DSP芯片,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。,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。同时，采用超长字指令字（VLIW）结构和高性能的浮点运算，扩大了数据处理的动态范围。,（7）开发工具,可编程DSP芯片,2国内DSP的发展现状,可编程DSP芯片,1983年引进TI公司TMS320C2010 核心芯片主要来自海外 TI公司居首，约占90% Lucent、AD、Motorola、ZSP和NEC DSP应用系统的研发 国内知名公司 瑞泰科技 闻亭公

14、司 合众达,3DSP技术的发展趋势,可编程DSP芯片,总体趋势 高性能、低功耗、技术融合和应用拓展。 主要体现 制造工艺； 内核结构的提升； DSP与MPU融合； DSP与高档CPU的融合； DSP与SOC融合； DSP与FPGA融合； RTOS与DSP融合； RISC架构的并行处理； 降低功耗。,典型的DSP系统构成,DSP系统,DSP应用系统设计过程,根据用户需求，确定设计目标，撰写设计说明书； 验证算法、核算算法和算法优化； 根据算法的运算速度、精度和存储要求进行DSP选型 根据系统技术指标完成硬件、软件设计 硬件调试与软件调试是否达到预期设计目标 脱离开发系统直接运行系统以评估是否完成

15、设计目标,DSP系统,DSP芯片选型,此外还应有价格、 开发工具、功耗、 封装、质量标准、 供货情况、生命 周期,DSP产品简介,目前生产通用DSP的厂家中，最有影响的公司有： AD公司 AT&T公司（现在的Lucent公司） Motorola公司 TI公司（美国德州仪器公司） NEC公司。 其中TI公司的TMS320系列，几乎适用于各个DSP应用领域，市场分额居世界之冠,定点DSP： TMS320C1x系列 16bit 第一代 1982年前后； TMS320C2x系列 16bit 第二代 1987年前后； TMS320C5x系列 16bit 第五代 1993年； TMS320C54x系列 1

16、6bit 第七代 1996年； TMS320C24x系列 16bit 第七代 1996年； TMS320C6x系列 32bit 第七代 1997年； TMS320C55x系列 16bit 第七代 2000年。,浮点DSP： TMS320C3x系列 32bit 第三代 1990年； TMS320C4x系列 32bit 第四代 1990年； TMS320C67x系列 64bit 第七代 1998年。,多处理器DSP： TMS320C8x系列 32bit 第六代 1994年。,C2x、C24x称为C2000系列，主要用于数字控制系统； C54x、C55x称为C5000系列，主要用于功耗低、便于携带的通信终端； C62x、C64x和C67x称为C6000系列，主要用于高性能复杂的通信系统，如移动通信基站。,DSP产品简介,TI公司的TMS320 DSP系列,附1：课程组织结构,DSP技术 TMS320C54X,硬