[工学]第5章DSP软硬件开发.ppt

1、返章首返章首 退出退出 退出退出 目录目录 第第5章章 DSP软硬件开发软硬件开发 返章首返章首 退出退出 DSP lDigital Signals Processing 数字信号处理 （方法、技术） lDigital Signals Processor 数字信号处理器 返章首返章首 退出退出 DSP最典型的应用手机，可见DSP的应用市场之 大。 在世界众多的DSP厂商中，德州仪器（TI）的DSP始 终占有较大的市场份额（百分之60）。 全球每10部手机中就有6部采用TI的DSP，每10部手 机中就有8部嵌进TI公司的模拟芯片。 PC时代的领袖Intel 信息时代的领袖TI 2000年诺贝尔物

2、理奖TI公司杰克-基尔比 DSP与通用计算机、单片机的区别 数字信号处理的运算特点：乘/加，及反复相乘求和 （乘积累加） 返章首返章首 退出退出 DSP的特点的特点 l1. DSP与MCU的比较 l2. DSP特点 返章首返章首 退出退出 几种微处理器几种微处理器Microprocessor l通用处理器通用处理器（GPPGPP） l采用冯.诺依曼结构，程序和数据的存储空间合二 而一 l8086/286/386/486/Pentium/Pentium II/ Pentium III Pentium lPowerPc 64-bit CPU（SUN Sparc，DEC Alpha, HP） lCI

3、SC 复杂指令计算机, RISC 精简指令计算机 l采取各种方法提高计算速度，提高时钟频率，高 速总线，多级Cashe，协处理器等 返章首返章首 退出退出 lSingle Chip Computer/ Micro Controller Unit （MCU） l除通用CPU所具有的ALU和CU，还有存储器 （RAM/ROM）寄存器，时钟，计数器，定时器，串 /并口，有的还有A/D，D/A lINTEL MCS/48/51/96（98） lMOTOROLA HCS05/011 lDSP l采用哈佛结构，程序和数据分开存储 l采用一系列措施保证数字信号的处理速度，如对 FFT的专门优化 返章首返章首

4、 退出退出 DSP芯片的主要特点芯片的主要特点 l哈佛(Harvard)结构和改进的哈佛结构 l专用的硬件乘法器 l指令系统的流水线操作 l片内外两级存储结构 l特殊的DSP指令 l快速指令周期 返章首返章首 退出退出 返章首返章首 退出退出 采用冯采用冯.诺依曼结构的处理器诺依曼结构的处理器 返章首返章首 退出退出 返章首返章首 退出退出 采用哈佛结构的采用哈佛结构的DSP处理器处理器 返章首返章首 退出退出 流水线操作功能流水线操作功能 lDSP芯片采用多组总线结构,允许CPU同时进 行指令和数据的访问。因而，可在内部实行流 水线操作。 l执行一条指令，总要经过取指、译码、取数、 执行运算

5、，需要若干个指令周期才能完成。流 水线技术是将各个步骤重叠起来进行。既第一 条指令取指、译码时，第二条指令取指；第一 条指令取数时，第二条指令译码，第三条指令 取指，依次类推。 返章首返章首 退出退出 哈佛结构的哈佛结构的指令流的定时关系指令流的定时关系 返章首返章首 退出退出 NN+1N+2N+3 N-1NN+1N+2 N-2 N-3 N-1 N-2 NN+1 N-1N 时钟 取指 译码 取操作数 执行 图1-2 四级流水线操作 返回本节 返章首返章首 退出退出 返章首返章首 退出退出 改进的哈佛结构改进的哈佛结构 返章首返章首 退出退出 DSP与通用计算机、单片机的区别 数字信号处理的运算

6、特点：乘数字信号处理的运算特点：乘/加，及反复相乘求和加，及反复相乘求和 （乘积累加）（乘积累加）早期的计算机或微处理器的内部乘法运 算是靠加法器反复移位相加实现的，需要数十个时钟反复移位相加实现的，需要数十个时钟 周期。周期。 而而DSP设置了硬件乘法设置了硬件乘法/累加器，能在单个指令周期内累加器，能在单个指令周期内 完成乘完成乘/加运算。加运算。 高速数据的传输能力是高速实时处理的关键高速数据的传输能力是高速实时处理的关键之一。 （1）新型的DSP设置了单独的DMA总线及其控制器， （2） DSP还在指令并行、功能单元并行、多总线、时 钟频率提高等方面不断创新和改进。 （3） DSP是专

7、为数字信号处理所设计的。与PC机相比， 体积小、成本低。且易于开发，易于实现嵌入式和便 携式应用。 返章首返章首 退出退出 PC机的设计目的 (1)“通用”计算，方便使用，所以，它有大容量 内存、复杂的指令集和操作系统。 (2) 体系结构对特殊类型的数据结构只能提供通 用的寻址操作，而DSP有专门的简捷寻址机构 和辅助硬件来快速完成。 lPC机通常不能高效地完成许多基本的数字处 理运算。 例如，乘法累加，矢量旋转，三角函数等。 返章首返章首 退出退出 单片机单片机 （1）为低成本控制领域而设计和开发的。位控 能力强，I/O接口种类繁多，在片上外设和控制 功能丰富、价格低、使用方便占有一定的优势

8、， 但处理速度较慢。 （2）DSP具有高速并行结构及指令，而单片机 没有。DSP处理的算法的复杂度和大的数据处 理流量更是单片机不可企及的。 返章首返章首 退出退出 三者各有所长，技术的发展使得DSP、通用计算机、 单片机相互借鉴对方的优点，互相取长补短。 现在，PC机及部分单片机内部都有硬件乘法器，单 片机内部也有了通用计算机和DSP内部才有的流水线作 业（但规模小些）。 而DSP内部也有了一定规模的高速缓存。 吸收Intel的嵌入式系统芯片和系统软件的优点。有 的DSP内部集成了高速运行的的DSP内核及控制功能丰 富的嵌入式处理器内核。例如，内部集成有TI公司的 C54xCPU内核和ARM

9、公司的ARM7TDMIE内核的DSP， 既具有高速的数据处理能力，又有各种类型的外设接口 和位控能力，大大拓宽DSP在控制领域的应用。DSP在 注重高速的同时，也在发展自己的低价位控制芯片。 返章首返章首 退出退出 DSP的种类的种类 l定点与浮点DSP芯片 l通用与专用DSP芯片 l静态DSP芯片与一致性DSP 芯片 返章首返章首 退出退出 TI的的 TMS320系列DSP概述 该系列包括：定点、浮点、多处理器DSP和定点 DSP。体系结构专为实时数字信号处理而设计。 TI公司从1982年推出: 第一代TMS32010、TMS32011等。 第二代TMS32020、TMS320C025（改进

10、型 TMS320C2xx） 第三代TMS32030、TMS320C32等。 第四代TMS32040/TMS320C44等。 第五代TMS3205x/TMS320C54x等。 第六代TMS32062x/TMS320C67x等（速度最快）。 返章首返章首 退出退出 三大系列：三大系列：2000、5000、6000。 同一代的器件有相同的CPU结构，但片内存储器 和外设配置不同。 返章首返章首 退出退出 DSP的应用的应用 自20世纪70年代末诞生，得到飞速发展。已广泛应用，价格 越来越低。 主要应用: （1）信号处理: 数字滤波，自适应滤波，FFT，相关运算， 谱分析，卷积，模式匹配，加密，波形产

11、生 （2）电机和机器人控制:集成多个DSP处理器,可采用先进的 神经网络和模糊逻辑控制等人工智能算法。机器人智能 的视觉、听觉和四肢的灵活运动必须有DSP技术支持 才能实时实现。 （3）激光打印机、扫描仪和复印机：DSP不仅仅是控制， 还有繁重的数字信号处理任务，如字符识别、图像增强、 色彩调整等。 返章首返章首 退出退出 （4）网络控制及传输设备如视频信箱、交互式电视 等，要求更宽、更灵活的传输带宽，实时传输 和处理数据的网络控制器、网络服务器和网关 都需要DSP的支持。 （5）通讯:调制解调器,自适应均衡,数据加密, 数据压 缩,扩频通信,纠错编码,传真,可视电话。 （6）语音处理。 （7

12、）自动测试诊断设备及仪器仪表、虚拟仪器。 （8）图像处理 （9）军事: 保密通信，雷达处理，导航，导弹制导。 （10）自动控制:机器人控制，磁盘控制，自动驾驶， 声控，发动机控制。 返章首返章首 退出退出 （11）医疗仪器: 助听、诊断工具、超声 仪, CT、核磁共振。 （12）家用电器: 数字电话，数字电视， 音乐合成，音调控制，玩具与游戏， 高保真音响，数字收音机、数字电 视。 （13）汽车: 防滑刹车、引擎控制、伺服 控制、振动分析、安全气囊的控制 器、视像地图。 返章首返章首 退出退出 DSP系统的开发步骤系统的开发步骤 返章首返章首 退出退出 DSP典型系统典型系统 返章首返章首 退

13、出退出 前、后向通道示意图前、后向通道示意图 返章首返章首 退出退出 D D S S P P 总总 体体 设设 计计 框框 图图 根据需求写出任务说明书 根据任务书确定技术指标 DSP芯片及外围芯片 总体设计确定软硬件分工 软件设计说明书 硬件设计说明书 软件编程与调试 硬件（.sch / .pcb ） 系统集成 硬件调试 系统测试、样机完成、中试、产品测试与生产 返章首返章首 退出退出 前、后向通道示意图前、后向通道示意图 返章首返章首 退出退出 D D S S P P 总总 体体 设设 计计 框框 图图 根据需求写出任务说明书 根据任务书确定技术指标 DSP芯片及外围芯片 总体设计确定软硬

14、件分工 软件设计说明书 硬件设计说明书 软件编程与调试 硬件（.sch / .pcb ） 系统集成 硬件调试 系统测试、样机完成、中试、产品测试与生产 返章首返章首 退出退出 软件设计框图软件设计框图 返章首返章首 退出退出 硬硬 件件 系系 统统 设设 计计 框框 图图 确定硬件方案 器件选型 原理图设计 PCB图设计 硬件调试 系统分析系统综合 返章首返章首 退出退出 DSP的知识平台的知识平台 DSP技术 计算机 电子 计算机硬件计算机软件 电子线路数字信号处理 返章首返章首 退出退出 TMS320LF240 x系列DSP控制器 l专为数字电机控制和其它控制系统而设计的。 l不但有高性能

15、的C2XX CPU内核，配置有高速数字信 号处理的结构，且有控制电机的外设。 主要用途： l电机（交流伺服、直流永磁、开关磁阻）的控制器。 l传感器信号处理。 l控制通讯系统。 l多电机系统的单处理器控制。 l电源开关转换的控制。 返章首返章首 退出退出 返章首返章首 退出退出 （1）看门狗定时器模块； （2）41个可独立编程的多路复用I/O引脚； （3）带锁相环PLL的时钟模块； （4）10位A/D转换器，最小转换时间500nS，可选择由两个 事件管理器来触发两个8路或一个16路输入的A/D转换 器； （5）串行通信接口SCI与串行外设接口SPI； （6）CAN2.0B模块； （7）高达40

16、个可单独编程或复用的GPIO引脚； （8）两个事件管理器EVA、EVB，可为所有类型电机提供 控制技术，在工业自动化方面的应用奠定了基础； * 3个具有死区功能的全比较单元；2个单比较单元； * 防止击穿故障的可编程PWM死区控制； * 2个16位通用定时器； 返章首返章首 退出退出 * 3个事件捕捉单元，其中2个具有直接连接光 电编码器脉冲的能力； （7）8个16位PWM通道-三相反相器控制； （8）5个外部中断（两个驱动保护、复位、两个 可屏蔽中断）； （10）用于仿真的JTEG接口。 （11）片内存储器：32K字闪存、2.5K字RAM 返章首返章首 退出退出 返章首返章首 退出退出 事件

17、管理器A（EVA） lCAP1/QEP1/IOPA3：捕捉输入1/正交编码脉冲输入； lCAP2/QEP2/IOPA4： lCAP3/IOPA5： lPWM1/IOPA6：比较PWM输出或通用IO； lPWM2/IOPA7： lPWM3/IOPB0： lPWM4/IOPB1： lPWM5/IOPB2： lPWM6/IOPB3： lT1PWM/T1CMP/IOPB4： lT2PWM/T2CMP/IOPB5： lTDIRA/IOPB6：通用计数器方向选择（EVA）1:加计数； 0:为减计数； lTCLKINA/IOPB7：通用计数器（EVA）外部时钟输入。 返章首返章首 退出退出 事件管理器事件管理器B（EVB） lCAP4/QEP3/IOPE7： lCAP5/QEP4/IOPF0： lCAP6/IOPF1： lPWM7/IOPE1 PWM12/IOPE6： lT3PWM/T3CMP/IOPF2： lT4PWM/T4CMP/IOPF3： lTDIRB/IOPF4：通用计数器方向选择（EVB）1:加计 数；0:减计数； lTCLKINB/IOPF