数字化医疗仪器：第07章单片数字信号处理机应用

1、数字化医疗仪器数字化医疗仪器 第七章第七章 单片数字信号处理机单片数字信号处理机 DSPDSP：数字信号处理：数字信号处理 网状拓扑网状拓扑 环形拓扑环形拓扑 点点连接点点连接 点点连接点点连接 （加入（加入 FPGAFPGA、 ASICASIC） 完完 全全 拓拓 扑扑 通用通用DSPDSP 目前世界上生产目前世界上生产DSPDSP芯片的公司主要有芯片的公司主要有TITI （德州仪器）公司，（德州仪器）公司，ADAD（美国模拟器件）公司，（美国模拟器件）公司， TechnologicsTechnologics（朗讯技术）公司和（朗讯技术）公司和MotorolaMotorola（摩（摩 托罗拉

2、）公司托罗拉）公司四大公司，而四大公司，而TITI公司则是世界上最公司则是世界上最 大的大的DSPDSP芯片供应商。芯片供应商。 http:/ DSPDSP应用于 应用于MRI MRI成像 成像 数字信号处理机数字信号处理机TMS320TMS320系列芯片系列芯片 7.1 7.1 数字信号数字信号 处理机处理机TMS320TMS320 7.1.1 7.1.1 TMS 320TMS 320 的典型应用的典型应用 7.1.2 7.1.2 TMS320TMS320 系列部分产品系列部分产品 的主要性能的主要性能 7.2 TMS320C307.2 TMS320C30 数字信号处理器数字信号处理器 7.

3、2.1 7.2.1 特点和功能特点和功能 7.2.2 CPU7.2.2 CPU结构结构 7.2.3 7.2.3 存储器组织存储器组织 7.2.4 7.2.4 数据格式数据格式 7.2.5 7.2.5 总线结构总线结构 7.2.6 7.2.6 寻址方式寻址方式 7.2.7 7.2.7 其他结构特征其他结构特征 7.2.8 7.2.8 指令集指令集 本章结构本章结构 7.3 TMS3207.3 TMS320系列系列 DSPDSP系统的设计系统的设计 与调试与调试 7.1.1 7.1.1 TMS 320TMS 320的典型应用的典型应用 TMS 320TMS 320是美国是美国TexasTexas仪

4、器公司（仪器公司（TITI）研研 制的一种单片数字信号处理（制的一种单片数字信号处理（DSPDSP）微微 计算机实现了数字信号的高速度、高精计算机实现了数字信号的高速度、高精 度运算，进而为实时应用创造了条件。度运算，进而为实时应用创造了条件。 1.3 Million Dollar Mobile Phone - Encryption Processor: TMS 320 VC 5416TMS 320 VC 5416 应用领域应用领域 数字处理数字处理(Ex.(Ex.双精度运算）双精度运算） 信号处理信号处理(Ex.(Ex.自适应滤波）自适应滤波） 滤波前波形滤波前波形平均值滤波平均值滤波自适应

5、滤波自适应滤波 应用领域应用领域 图像处理图像处理(Ex.(Ex.图像增强）图像增强） 测试设备测试设备(Ex.(Ex.频谱分析）频谱分析） 增强前增强前增强后增强后 TMS 320TMS 320的第一至第五代产品性能的第一至第五代产品性能 第一代第一代( (C1X)C1X)、第二代第二代( (C2X)C2X)及第五代及第五代( (C5X)C5X)是是定点定点运运 算处理器；而第三代算处理器；而第三代( (C3X)C3X)及第四代及第四代( (C4X)C4X)是是浮点浮点运算运算 处理器。处理器。 浮点和定点处理器的动态范围比较浮点和定点处理器的动态范围比较 许多算法的许多算法的浮点浮点实现实

6、现 执行起来比执行起来比定点定点代码代码 占用更少的周期占用更少的周期( (假假 设定点代码提供相同设定点代码提供相同 的精度的精度) )。浮点处理。浮点处理 器也往往更容易用汇器也往往更容易用汇 编代码编程。编代码编程。 指令 片内 串口并口DMA定时器 RAMROM数据程 序 (ns) TMS320C101441.5K一4K816200 TMS320C152564K一4K816200 TMS320C172564K/26161200 TMS320C255444K64K64K11616外部1100 TMS320C25 505444K64K64K11616外部180 TMS320C5010K2K

7、BL64K64K21664K外部15035 25 TMS320C512K8K64K64K21664K外部15035 25 TMS320C534K16K64K64K21664K外部15035 25 TMS320C302K4K16M23216M内外260 TMS320C30 一50 TMS320C312K256BL16M13216M内外260 TMS320C40 一402K4KBL4G324G内外250 存储器容量字I0口 产品名称片内片外周期 TMS320C285448K64K64K11616外部1100 2K4K16M23216M内外240 TMS320C402K4KBL4G40 表7-1 T

8、MS320系列部分产品性能一览表 数据类型 16bit 定 点 运 算 32bit 浮 点 运 算 324G内外2 高性能高性能TMS320TMS320芯片的性能与结构简介芯片的性能与结构简介 TMS320C80TMS320C80是是TITI公司推出的高性能信号处理芯片，公司推出的高性能信号处理芯片， 其结构与性能和前五代其结构与性能和前五代DSPDSP芯片有较大的区别。芯片有较大的区别。 五处理器结构五处理器结构 一主四同一主四同，多指令、多数据操作。，多指令、多数据操作。 主处理器主处理器MPMP 四个微处理器四个微处理器ADSP0ADSP0ADSP3ADSP3 3232bitbit的的R

9、ISCRISC。 高速高速 高速并行运算，完成绝大部分功能。高速并行运算，完成绝大部分功能。 TMS320C80TMS320C80每秒可执行每秒可执行2020亿次类似亿次类似RISCRISC的操作。的操作。 大的片外扩展大的片外扩展RAMRAM 片上静态片上静态RAMRAM5050KB KB ，片外扩展片外扩展RAMRAM可达可达4 4GBGB。 7.2 7.2 TMS320C30TMS320C30数字信号处理器数字信号处理器 TMS320C30TMS320C30是是TITI公司的第三代数字信号处理器，属公司的第三代数字信号处理器，属 浮点浮点运算运算DSPDSP微处理器微处理器。 硬件支持硬

10、件支持 片上更多的片上更多的RAMRAM、ROMROM且且RAMRAM为双端口；为双端口； 1616M M字的寻址空间；字的寻址空间； 片内设置片内设置DMADMA控制器。控制器。 指令系统指令系统 采用采用4 4级流水线方式，吞吐量得以提高。级流水线方式，吞吐量得以提高。 TMS320C30TMS320C30的内部主要部件结构特征图的内部主要部件结构特征图 该处理器的主要部分是该处理器的主要部分是内内 部存储器部存储器（包括（包括RAMRAM，ROMROM 和高速缓存器）、和高速缓存器）、中央处中央处 理部件理部件CPUCPU（包括定点包括定点 浮点乘法器、定点浮点浮点乘法器、定点浮点 算术

11、逻辑单元、算术逻辑单元、8 8个扩展个扩展 精度寄存器、精度寄存器、8 8个辅助寄个辅助寄 存器、存器、2 2个地址生成器、个地址生成器、 1212个控制寄存器）、个控制寄存器）、外围外围 设备设备（包括串口、定时器（包括串口、定时器 和外部总线）以及和外部总线）以及直接存直接存 储器访问部件（储器访问部件（DMADMA）。 .1 TMS320C30TMS320C30的特点和功能的特点和功能 采用采用1 1mm工艺的工艺的CMOSCMOS芯片芯片； 外部晶振时钟外部晶振时钟33.333.3MHzMHz（周期周期3030nsns），二分频后芯片内部钟，二分频后芯片内部钟 频频16

12、.716.7MHzMHz（周期周期6060nsns）； 主要指令在一个周期主要指令在一个周期6060nsns内执行，即每秒能实现内执行，即每秒能实现16.716.7MIPSMIPS； 一个指令周期一个指令周期6060nsns内能执行一个浮点乘加，芯片每秒可执行内能执行一个浮点乘加，芯片每秒可执行 33.333.3MFLOPSMFLOPS； 指令和数据字长为指令和数据字长为32 bit32 bit； 多总线结构，内部有多总线结构，内部有7 7条总线条总线； 共有共有2828个寄存器个寄存器，其中，其中8 8个扩展精度寄存器、个扩展精度寄存器、8 8个辅助寄存器、个辅助寄存器、 还有还有1212个

13、专用的控制寄存器个专用的控制寄存器; ; 2 2个个3232位位数据的外部总线。分别是数据的外部总线。分别是24bit24bit地址的主总线（因地址的主总线（因 而有而有16M16M寻址空间）和寻址空间）和13 bit13 bit地址的扩展总线。地址的扩展总线。 TMS320C30TMS320C30结构的功能方框图结构的功能方框图 .2 TMS320C30TMS320C30的的CPUCPU结构结构 CPUCPU由以下单元组成：由以下单元组成： 硬件乘法器、硬件乘法器、 算术逻辑单元、算术逻辑单元、 桶形移位器、桶形移位器、 内部总线、内部总线、 辅助寄存器算术单元、辅助寄存器算

14、术单元、 CPUCPU寄存器组。寄存器组。 硬件乘法器硬件乘法器：单指令周期中完成：单指令周期中完成 两个两个3232bitbit浮点数乘法，乘积为浮点数乘法，乘积为 4040bitbit，或完成两个或完成两个2424bitbit定点数定点数 乘法，乘积为乘法，乘积为3232bitbit。 4 4条内部总线条内部总线：CPU1CPU1CPU2CPU2和和 REG1REG1REG2REG2。 辅助寄存辅助寄存 器算术单器算术单 元元ARAUARAU： 产生访问产生访问 存储器所存储器所 需的地址。需的地址。 CPUCPU寄存器寄存器 组组：共：共2828 个寄存器。个寄存器。 算术逻辑单元算术逻

15、辑单元 （ALUALU）：）：在单周在单周 期内对期内对3232bitbit定点定点 数、数、3232bitbit逻辑变逻辑变 量和量和4040bitbit的浮点的浮点 数进行运算。数进行运算。 桶形移位器桶形移位器：对：对 3232bitbit数在一个周数在一个周 期内实现一次左期内实现一次左 移或右移。移或右移。 .3 TMS320C30TMS320C30的存储器结构的存储器结构 全地址空间为全地址空间为1616M M字字，程序、数据和，程序、数据和I/OI/O空间统一编址空间统一编址。 片内片内 两个两个RAMRAM（各（各 1 1K K 32bit 32bit）， 一个

16、一个ROMROM （4 4K K32bit32bit）， 一个一个64643232bitbit 的高速缓存器。的高速缓存器。 片外片外 主总线接口为主总线接口为 2424bitbit地址线，最地址线，最 大可利用存储空间大可利用存储空间 为为1616M M字（每字字（每字 3232bitbit）。 内存映射图内存映射图 可工作在两种不可工作在两种不 同的内存模式下：同的内存模式下： 微处理器模式微处理器模式OROR 微计算机模式。微计算机模式。 .4 TMS320C30TMS320C30的数据格式的数据格式 TMS320C30TMS320C30支持支持整型数整型数、无符号整型数

17、无符号整型数和和浮点数浮点数 三种数据类型。三种数据类型。 1 整型数整型数 两种格式：两种格式：短整型短整型（16 16 bitbit， 用于立即操作数），用于立即操作数），单精度单精度 整型整型（32 32 bitbit），补码补码表示表示。 2 无符号无符号 整型整型 有有16 16 bitbit的的 无符号位整无符号位整 型数和型数和3232bitbit 无符号位整无符号位整 型数。型数。 3 浮点数浮点数 三种浮点数：三种浮点数：短浮点数短浮点数、 单精度浮点数单精度浮点数和和扩展精度扩展精度 浮点数浮点数。浮点数由阶码浮点数由阶码e e、 符号位符号位s s和小数和小数f f三部分

18、组三部分组 成。成。 .5 TMS320C30TMS320C30的总线结构的总线结构 TMS320C30TMS320C30共有七个内部总线可访问存储器。共有七个内部总线可访问存储器。 两个总线用于程序：程序地址总线两个总线用于程序：程序地址总线PADDRPADDR和程序和程序 数据总线数据总线PDATAPDATA。 2 3 三个总线用于数据：其中两个总线，即数据地址三个总线用于数据：其中两个总线，即数据地址 总线总线DADDR1DADDR1和和DADDR2DADDR2，用于传送数据地址，可以用于传送数据地址，可以 在同一周期中访问两个存储器。第三个总线是数在同一周期中访问两个存

19、储器。第三个总线是数 据总线据总线DDATADDATA，用于传送数据。用于传送数据。 2 两个总线与两个总线与DMADMA有关：即有关：即DMADMA地址总线地址总线DMAADDRDMAADDR， DMADMA数据总线数据总线DMADATADMADATA，它以并行的方式透明地传它以并行的方式透明地传 输数据到输数据到CPUCPU。 .6 TMS320C30TMS320C30的寻址方式的寻址方式 TMS320C30TMS320C30共有五组寻址方式。共有五组寻址方式。 通用寻址方式通用寻址方式 寄存器寻址寄存器寻址操作数是操作数是CPUCPU的寄存器。的寄存器。 短立即数寻址短立

20、即数寻址操作数是操作数是16 16 bitbit的立即数（无符号数），的立即数（无符号数）， 它直接来自指令字的低它直接来自指令字的低1616位。位。 直接寻址直接寻址数据页指针数据页指针DPDP的低的低8 8位与包含在指令中的位与包含在指令中的 1616位页内偏移地址，共同组成位页内偏移地址，共同组成2424位的地址。位的地址。 间接寻址间接寻址数据存储器地址被保留在一个辅助寄存数据存储器地址被保留在一个辅助寄存 器中（器中（AR0AR0AR7AR7中的一个）。间接寻址是用中的一个）。间接寻址是用星号星号“” 放在辅助寄存器之前来表示的。放在辅助寄存器之前来表示的。 TMS320C30TMS

21、320C30间接寻址方式间接寻址方式 三操作数寻址方式三操作数寻址方式 寄存器寻址，也是间接寻址。寄存器寻址，也是间接寻址。 并行寻址方式并行寻址方式 寄存器寻址。操作数是扩展精度寄存器，也是间接寻址。寄存器寻址。操作数是扩展精度寄存器，也是间接寻址。 长立即数寻址方式长立即数寻址方式 操作数是操作数是2424bitbit的无符号数，它直接来自指令字中的低的无符号数，它直接来自指令字中的低2424位。位。 条件转移寻址方式条件转移寻址方式 寄存器寻址。程序计数器相对寻址，程序计数器叠加来自程寄存器寻址。程序计数器相对寻址，程序计数器叠加来自程 序指令中的序指令中的1616bitbit或或242

22、4bitbit有符号数作为地址。有符号数作为地址。 .7 TMS320C30TMS320C30的其他结构特征的其他结构特征 高速缓冲存储器；高速缓冲存储器； RPTSRPTS（单指令重复）指令；单指令重复）指令； RPTBRPTB（指令块重复）指令（指令块重复）指令； 重复起始地址（重复起始地址（RSRS）寄存器（循环开始）；寄存器（循环开始）； 重复结束地址（重复结束地址（RERE）寄存器（循环终点）。寄存器（循环终点）。 这两个寄存器自动地由处理器初始化这两个寄存器自动地由处理器初始化 ； 除了复位信号外，有除了复位信号外，有四个外部中断四个外部中断INT0INT3INT0

23、INT3，为为 串口接收中断、串口接收中断、 串口发送中断、串口发送中断、 定时器中断和定时器中断和 与与DMADMA有关的中断。有关的中断。 DMADMA（直接存储器访问）直接存储器访问）。DMADMA采用和采用和CPUCPU相并行的方式，相并行的方式， 在存储器单元之间传输数据。在存储器单元之间传输数据。 .8 TMS320C30TMS320C30指令集指令集（114114条指令）条指令） TMMS320C30TMMS320C30的指令集的指令集 并行指令并行指令 两条指令两条指令“”“”表示，构成一条指令表示，构成一条指令 高速缓存器取指令（高速缓存器取指令（F F）；）

24、； 解码单元将指令解码，并且产生地址（解码单元将指令解码，并且产生地址（D D）；）； 读单元从存储器或寄存器中读操作数（读单元从存储器或寄存器中读操作数（R R）；）； 执行单元执行指令规定的操作（执行单元执行指令规定的操作（E E）。）。 整型整型VS.VS. 浮点数浮点数 整型整型“I”I”、浮点数、浮点数“F”F” 并行指令并行指令 流水线流水线 工作方式工作方式 调用子程序、重复指令和正规的转移指令调用子程序、重复指令和正规的转移指令 等前需刷新（对齐）流水线等前需刷新（对齐）流水线。 调用前刷新调用前刷新 逻辑指令逻辑指令 对整型数（或无符号整型数）操作数进行操作。对整型数（或无符

25、号整型数）操作数进行操作。 指令注解指令注解 7 7. .3 TMS3203 TMS320系列系列DSPDSP系统的系统的设计与调试设计与调试 设计一个实际应用的设计一个实际应用的DSPDSP系统的系统的步骤：步骤： 根据要求选定芯片；根据要求选定芯片； 基本性能基本性能 指标（指标（Ex.Ex. 抽样频率、抽样频率、 指令速度、指令速度、 RAMRAM大小）大小） 字长及采用字长及采用 定点还是浮定点还是浮 点运算点运算 输入输出输入输出 口的需求口的需求 以及其他以及其他 功能需求功能需求 考虑价格、考虑价格、 成本、功成本、功 耗、体积耗、体积 等因素等因素 使用与开使用与开 发的方便发的方便 性以及较性以及较 短的开发短的开发 周期周期 资料齐全，资料齐全， 应该有产应该有产 品完整的品完整的 用户手册用户手册 考虑型号考虑型号 的延续性、的延续性、 兼容性和兼容性和 可替代性可替代性 系统硬件与软件的设计与调试可同时进行；系统硬件与软件的设计与调试可同时进行； 利用硬、软件的结果进行系统的集成，并进行系统利用