定点数字信号处理器（DSP）技术与应用

1、the world leader in high-performance signal processing solutions 定点数字信号处理器定点数字信号处理器（dspdsp） 技术与应用技术与应用 by zhang li 2 课程的主要内容和目的课程的主要内容和目的 本课程主要介绍本课程主要介绍 analog deviceanalog device公司公司adsp-adsp- blackfinblackfin系列系列1616位定点位定点dspdsp的的体系结构体系结构和和软软/ /硬硬 件开发环境件开发环境，通过几个典型的实验使大家初步掌，通过几个典型的实验使大家初步掌 握握dspds

2、p系统的硬件构成、系统的硬件构成、 软件开发以及系统的软件开发以及系统的 综合调试方法。综合调试方法。 课程的重要性：课程的重要性： 直接面向应用直接面向应用 itit工程师三大实用技能工程师三大实用技能 * * pcbpcb设计设计 * * dspdsp应用应用 * * fpgafpga应用应用 3 第一部分第一部分: :数字信号处理器数字信号处理器（dspdsp）概述概述 数字信号处理的特点数字信号处理的特点 特别强调运算处理的特别强调运算处理的实时性实时性(real-time capability) 模拟模拟/数字转换数字转换 a/d converter 数字信号数字信号 处理运算处理运

3、算 数字数字/模拟转换模拟转换 d/a converter 待处理待处理 的信号的信号 处理后处理后 的信号的信号 数字信号处理及数字信号处理器（数字信号处理及数字信号处理器（dspdsp） d digital igital s signal ignal p processorrocessor 4 数字信号处理器数字信号处理器（dsp）结构特点结构特点 dsp面向面向高性能、重复性、数值运算密集型高性能、重复性、数值运算密集型的的，它具有适，它具有适 合数字信号处理算法的指令、适合数字信号处理数据结构的存储器结合数字信号处理算法的指令、适合数字信号处理数据结构的存储器结 构和寻址机构、并行处理

4、能力和嵌入式性能等。其体系结构一般具有构和寻址机构、并行处理能力和嵌入式性能等。其体系结构一般具有 以下特点：以下特点： u采用分离程序总线与数据总线的采用分离程序总线与数据总线的哈佛结构哈佛结构（cpu：普林斯顿结构），普林斯顿结构）， 有着较高的指令执行速度，但结构复杂需要两套地址产生电路。有着较高的指令执行速度，但结构复杂需要两套地址产生电路。 u采用采用流水线技术流水线技术，使取指、译码、取操作数、执指等步骤并行完成，使取指、译码、取操作数、执指等步骤并行完成， 提高了指令的执行速度。提高了指令的执行速度。 u除了算数逻辑单元（除了算数逻辑单元（alu）外，具有独立的外，具有独立的乘加

5、器乘加器(mac),使其能够在使其能够在 一个周期内完成相乘和累加两个操作，加快了各种典型处理算法的处一个周期内完成相乘和累加两个操作，加快了各种典型处理算法的处 理速度。理速度。 u具有适用于典型处理算法的具有适用于典型处理算法的特殊存储器寻址方式特殊存储器寻址方式，如循环寻址、位反，如循环寻址、位反 序寻址等。序寻址等。 u针对实时处理的针对实时处理的专用的数据接口专用的数据接口(sram、dma、sport，etc.)，使使 数据的存取速度得以提高。数据的存取速度得以提高。 u专门的专门的指令流控制逻辑指令流控制逻辑，如无附加开销的循环转移指令。，如无附加开销的循环转移指令。 u集成度高

6、集成度高，能够实现单片、低功耗的处理系统。，能够实现单片、低功耗的处理系统。 5 数字信号处理器数字信号处理器（dspdsp）的应用领域的应用领域 u通用数字信号处理通用数字信号处理(数字滤波、卷积、相关、变换等数字滤波、卷积、相关、变换等) u通信（高效数字调制通信（高效数字调制/解调、编解调、编/解码器、自适应均衡、解码器、自适应均衡、ip处理、处理、 软件无线电等）软件无线电等） u语音处理（语音识别语音处理（语音识别/合成合成/压缩压缩/解压缩等）解压缩等） u图形图形/图象处理（图象变换、模式识别、图象压缩图象处理（图象变换、模式识别、图象压缩/解压缩等）解压缩等） u自动控制（高精

7、度、高速度伺服控制）自动控制（高精度、高速度伺服控制） u军事军事/航空航空/航天（雷达航天（雷达/声呐信号处理、雷达成像、制导声呐信号处理、雷达成像、制导/火控系火控系 统、导航统、导航/定位系统、战场定位系统、战场c3i系统等）系统等） u消费电子（数字高清晰度电视（消费电子（数字高清晰度电视（hdtv）、）、cd/vcd/dvd编解编解 码器、多媒体信息处理、汽车电子等）码器、多媒体信息处理、汽车电子等） 6 dspdsp的典型应用的典型应用民用领域民用领域 7 dspdsp的典型应用的典型应用民用领域民用领域 8 dspdsp的典型应用的典型应用军事应用军事应用 9 dspdsp的典型

8、应用的典型应用军事应用军事应用 10 坦克火控系统坦克火控系统 dspdsp的典型应用的典型应用军事应用军事应用 11 dspdsp的典型应用的典型应用军事应用军事应用 12 dspdsp的典型应用的典型应用军事应用军事应用 飞机火控系统飞机火控系统 13 dspdsp的典型应用的典型应用军事应用军事应用 14 dspdsp的典型应用的典型应用军事应用军事应用 各类导弹弹载数字信号处理机各类导弹弹载数字信号处理机 15 dspdsp的典型应用的典型应用军事应用军事应用 16 主要分为通用主要分为通用dsp和专用和专用dsp两大类两大类 通用通用dsp：其所要实现的处理算法由软件程序控制实现。应

9、其所要实现的处理算法由软件程序控制实现。应 用灵活性大，通过更改软件程序能够实现不同的用灵活性大，通过更改软件程序能够实现不同的 处理算法。处理算法。 产品是各种类型的可编程产品是各种类型的可编程dsp芯片，应用较广泛芯片，应用较广泛 的是：的是： ti公司的公司的tms320系列系列 ad公司的公司的adsp21xx系列系列 专用专用dsp：针对某种具体应用而设计，所要实现的处理算法针对某种具体应用而设计，所要实现的处理算法 由硬件直接实现。运算处理速度极高，但完成的由硬件直接实现。运算处理速度极高，但完成的 算法单一、精度和动态范围有限，需要与外围电算法单一、精度和动态范围有限，需要与外围

10、电 路配合才能构成系统，功耗也较大，因此应用范路配合才能构成系统，功耗也较大，因此应用范 围较窄，围较窄， 主要应用于仪器主要应用于仪器/ 仪表以及军事等需要仪表以及军事等需要 极高处理处理能力的领域。极高处理处理能力的领域。 主要产品：主要产品：fft专用专用dsp、卷积卷积/相关器、复乘加相关器、复乘加 器等。器等。 * 用用asic/fpga实现的实现的dsp dspdsp的分类的分类 17 dspdsp的分类的分类 dspdsp 专用专用dspdsp 横向滤波器横向滤波器 fftfft 复乘复乘/ /累加器累加器 求模求模/ /相角相角 嵌入式嵌入式dspdsp 定点定点 dspdsp

11、 32bit32bit浮点浮点dspdsp 32bit32bit浮点并行浮点并行dspdsp 超高性能超高性能dspdsp 1616bit bit 定点定点dspdsp 24bit 24bit 定点定点dspdsp 通用通用dspdsp 18 数字信号处理器（数字信号处理器（dspdsp）的开发与调试的开发与调试 dsp系统的设计分为硬件系统的设计分为硬件/软件两个部分。两者可以在各自的开发平台上分别进软件两个部分。两者可以在各自的开发平台上分别进 行前期设计与调试，然后进行系统的联调。行前期设计与调试，然后进行系统的联调。 硬件设计硬件设计 dsp选型选型/系统结构确立系统结构确立 性能性能

12、/功耗分析功耗分析 开发周期开发周期/成本分析成本分析 电路设计电路设计/调试调试 调试工具调试工具： dsp在线硬件仿真器（在线硬件仿真器（emulator)、dsp开发开发/评估板（评估板（evaluation board)、 示波器、逻辑分析仪。示波器、逻辑分析仪。 软件设计软件设计 算法确定算法确定/程序流程图程序流程图 软件编制（汇编软件编制（汇编/c语言）语言） 汇编汇编/编译编译/链接链接 软件模拟软件模拟 调试工具调试工具： 汇编汇编/编译编译/链接程序，软件模拟链接程序，软件模拟/调试器（调试器（simulator/debugger) 系统联调系统联调对整个系统的软对整个系统

13、的软/硬件进行的综合调试。硬件进行的综合调试。 调试工具调试工具：硬件仿真器、：硬件仿真器、dsp开发开发/调试集成环境（调试集成环境（ide/idde）、）、dsp os，etc. 19 dspdsp系统的开发流程图系统的开发流程图系统级设计系统级设计 系统功能要求系统功能要求 系统性能及算法模拟系统性能及算法模拟 处理速度、开发周期、处理速度、开发周期、 体积、成本，功耗、体积、成本，功耗、 供货、升级供货、升级 器件选型：器件选型： dsp型号、存储器、型号、存储器、i/o、 fpga、a/d、d/a 系统设计框图系统设计框图 硬件设计硬件设计 软件设计软件设计 20 dspdsp系统的

14、开发流程图系统的开发流程图电路电路/ /软件设计软件设计 电路原理图设计电路原理图设计 生成电路网表生成电路网表 设计印制电路板设计印制电路板 印制板制造印制板制造 器件安装器件安装 软件流程图绘制软件流程图绘制 高级语言高级语言 程序设计程序设计 汇编语言汇编语言 程序设计程序设计 汇编算法库汇编算法库 实时运行库实时运行库 编译编译汇编汇编 链接链接 软件模拟软件模拟 硬件调试硬件调试 软软/硬件系统联调硬件系统联调 示波器示波器 逻辑分析仪逻辑分析仪 21 dspdsp系统的开发流程图系统的开发流程图系统联调系统联调 系统在线仿真系统在线仿真 pc机仿真机仿真 仿真结果仿真结果? 有误错

15、有误错 固化程序固化程序 嵌入系统设备进行联调嵌入系统设备进行联调 连接外部设备连接外部设备 综合测试综合测试 满足系统要求满足系统要求? 否否 否否 成品制造成品制造 示波器示波器 逻辑分析逻辑分析 仪仪 22 adsp-blackfinadsp-blackfin在线仿真器在线仿真器 23 adsp-bf533adsp-bf533开发开发/ /评估板评估板 24 dspdsp及其开发的新趋势及其开发的新趋势 片上系统片上系统soc(system-on-chip) 随着随着vlsi技术的发展，针对一定的应用领域，可以使整个系统技术的发展，针对一定的应用领域，可以使整个系统 以以dsp为核心进行

16、设计，并将应用中所涉及的诸如为核心进行设计，并将应用中所涉及的诸如 ram、i/o、 a/d、d/a等附加电路单元全部集成在一片等附加电路单元全部集成在一片ic芯片中，并且包括处理芯片中，并且包括处理 单元在内的各功能块都具有可重定义特性（单元在内的各功能块都具有可重定义特性（re-configurable). 这样这样 一来，系统以后的功能扩展与升级将非常简单，只需要重新编写软一来，系统以后的功能扩展与升级将非常简单，只需要重新编写软 件程序即可。同时系统的功耗会大大的降低，件程序即可。同时系统的功耗会大大的降低， 可靠性会大大的提高可靠性会大大的提高 。而这对便携。而这对便携/移动应用非常

17、重要。移动应用非常重要。 模块化设计模块化设计 dsp及支持芯片及支持芯片/软件生产厂商，均依据一定的标准，设计生产软件生产厂商，均依据一定的标准，设计生产 电路板级电路板级dsp处理模块，处理模块， 同时为这种模块提供丰富的符合标准的软同时为这种模块提供丰富的符合标准的软 件开发系统和算法资源库。件开发系统和算法资源库。 这样做的好处是降低了硬件设计难度、这样做的好处是降低了硬件设计难度、 减少了硬件设计时间，减少了硬件设计时间， 更重要的是模块化设计得到了丰富的软件支更重要的是模块化设计得到了丰富的软件支 持，大大提高了设计效率。持，大大提高了设计效率。 25 二进制代数复习二进制代数复习

18、 dspdsp中的二进制数表示方法中的二进制数表示方法 adsp系列定点数系列定点数dsp使用使用进行操作。若要有效地对该系列进行操作。若要有效地对该系列 dsp进行编程，了解以下概念及定义是非常重要的。进行编程，了解以下概念及定义是非常重要的。 1) 有符号有符号 / 无符号数格式无符号数格式 2) 小数小数 / 整数格式整数格式 3) 小数的范围小数的范围 4) 16进制到进制到2进制的转换进制的转换 5) 2进制到进制到16进制的转换进制的转换 26 2 2进制（进制（binary binary ）- - （1616进制）进制）hexadecimal hexadecimal 10 10进

19、制（进制（decimal decimal ）数据转换表数据转换表 decimal 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 hexadecimal 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f binary 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 27 有符号数与无符号数有符号数与无符号数 无符号数无符号数 有符号数有符号数 0 x00000v (最小负值最小负值) 0 xffff5v (最大正值最大正值) 0 x8000-

20、5v (最小负值最小负值) 0 x00000v 0 x7fff5v (最大正值最大正值) s/u u u u u u u u u u u u u u u u 015 2进制表示进制表示 实际物理量实际物理量 28 有符号数（原码）与有符号数（原码）与2 2的补码的补码 u有符号数（原码）的最高位（有符号数（原码）的最高位（msb）为符号位。为符号位。 1表示负数表示负数0表示正数表示正数 * 有符号数（原码）有符号数（原码）“0”有两种表示方法（有两种表示方法（+/-0）。）。 * 有符号数（原码）的运算比较复杂，类似于正负数的笔算有符号数（原码）的运算比较复杂，类似于正负数的笔算 ，先要比较

21、两个数绝对值的大小，然后确定如何计算，最，先要比较两个数绝对值的大小，然后确定如何计算，最 后在确定符号位。后在确定符号位。 u2的补码的补码xcmp = 2n + x (n-字长位数）字长位数） * 性质：正数的补码与其原码相同。负数的补码仍是负数，它是性质：正数的补码与其原码相同。负数的补码仍是负数，它是 将其原码的符号位保持不变而将其数值部分求补得到。将其原码的符号位保持不变而将其数值部分求补得到。 “0”在补码中的表示是唯一的。在补码中的表示是唯一的。 * 补码的求法：一个负数的补码等于其补码的求法：一个负数的补码等于其 。 * 补码的运算：补码的运算：（若符号位有进位（若符号位有进位

22、 则丢弃）。则丢弃）。 * 溢出的判别：溢出的判别： cs：最高位（符号位）的进位情况。最高位（符号位）的进位情况。 若有进位，若有进位，cs = 1; cp：数值部分的最高位的进位情况。若有进位，数值部分的最高位的进位情况。若有进位，cp = 1; overflow = cs xor cp 29 2 2的补码表示方法的补码表示方法 对于对于2的补码表示法，的补码表示法， 一个数一个数是是-(2)(m-1)，m是是2进制进制 小数点左边的位数。对于一个小数点左边的位数。对于一个 4.2 型式的数字型式的数字, 符号位的位权值是符号位的位权值是 - (23). 例子例子: 0101.01 = 0

23、 * (-8) + 1 * (4) + 0 * (2) + 1 * (1) + 0 * (1/2) + 1 * (1/4) = 5.25 1101.01 = 1 * (-8) + 1 * (4) + 0 * (2) + 1 * (1) + 0 * (1/2) + 1 * (1/4) = - 2.75 -2 -1 3 012 -(2 )22222 30 小数与整数表示法小数与整数表示法 1.15型式的小数格式型式的小数格式 s f f f f f f f f f f f f f f f s i i i i i i i i i i i i i i i 小数点小数点 小数点小数点 16.0型式的整数

24、格式型式的整数格式 31 dspdsp是针对小数表示型式是针对小数表示型式 进行优化设计的进行优化设计的 dspdsp也支持整数表示型式也支持整数表示型式 32 1616位二进制数的表示范围位二进制数的表示范围 最大最大10进制正数进制正数 (0 x7fff) 0.999969482421875 1.999938964843750 3.999877929687500 7.999755859375000 15.999511718750000 31.999023437500000 63.998046875000000 127.996093750000000 255.992187500000000

25、511.984375000000000 1023.968750000000000 2047.937500000000000 4095.875000000000000 8191.750000000000000 16383.500000000000000 32767.000000000000000 最大最大10进制负数进制负数 (0 x8000) 1.0 2.0 4.0 8.0 16.0 32.0 64.0 128.0 256.0 512.0 1024.0 2048.0 4096.0 8192.0 16384.0 32768.0 最低有效位（最低有效位（ lsb ） 为为1时的时的10进制数值进制

26、数值 (0 x0001) 0.000030517578125 0.000061035156250 0.000122070312500 0.000244140625000 0.000488281250000 0.000976562500000 0.001953125000000 0.003906250000000 0.007812500000000 0.015625000000000 0.031250000000000 0.062500000000000 0.125000000000000 0.250000000000000 0.500000000000000 1.000000000000000

27、 格式格式 1.15 2.14 3.13 4.12 5.11 6.10 7.9 8.8 9.7 10.6 11.5 12.4 13.3 14.2 15.1 16.0 小数小数 整数整数 33 不同数制表示实例不同数制表示实例 +5 v -5 v 0 v 0 x7fff 0 x0000 0 x8000 1 2 3 4 5 格式格式 0 x7fff 0 x3fff 0 x0000 0 xcccd 0 x8000 1) 2) 3) 4) 5) 16.01.15 5 v 2.5 v 0 v -2.0 v -5.0 v = 32767 - = 16383 - = 0 - = -13107 - = -32768 - 0.999969482. - 0.499969482. - 0.0000000. - -0.399993986. - -1.0000000. - 5 v 2.5 v 0 v -2.0 v -5.0 v 34 有两种将有两种将16进制数转换为进制数转换为10进制数的方法，一种简单，一种较复杂进制数的方法，一种简单，一种较复杂. 复杂的方法复杂的方法 : 先将先将16进制数转换成进制数转换成2进制数进制数