数字信号处理器(DSP)原理与应用.ppt

1、TianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityn数字信号处理（数字信号处理（Digital Signal ProcessingDigital Signal Processing） 以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估 值、增强、压缩、识别等处理值、增强、压缩、识别等处理n数字信号处理器（数字信号处理器（Digital Signal ProcessorDigital Signal Processor）DSPDSP芯片芯片 是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理是一种特别适合于进行数字信号处理

2、运算的微处理 器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理 算法算法 TianjinUniversityn在通用的计算机（如在通用的计算机（如PCPC机）上用软件（如机）上用软件（如FortranFortran、C C语言）实现语言）实现 ；速度慢；速度慢n在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现；在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现；应用受限制应用受限制n用通用的单片机（如用通用的单片机（如MCS-51MCS-51、9696系列等）实现系列等）实现 ；仅限于简单算法仅限于简单算法n用通用的可编程用通用的可编程DSPDSP芯片实现芯片实现

3、 ；广泛应用；广泛应用n用专用的用专用的DSPDSP芯片实现芯片实现 ；应用受限制；应用受限制TianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversity数字滤波数字滤波卷积卷积相关相关希尔伯特变换希尔伯特变换FFTFFT自适应滤波自适应滤波加窗加窗波形产生波形产生TianjinUniversity三维旋转三维旋转机器人视觉机器人视觉图像传输图像传输/ /压缩压缩同态处理同态处理模式识别模式识别工作站工作站动画动画/ /数字地图数字地图TianjinUniversity频谱分析频谱分析函数发生器函数发生器模式匹配模式匹配地震信号处理地震信号处理数字滤波

4、数字滤波锁相环锁相环TianjinUniversity声码器声码器语音识别语音识别语音增强语音增强语音合成语音合成TianjinUniversity磁盘控制磁盘控制数值控制数值控制声控声控伺服控制伺服控制机器人控制机器人控制激光打印机控制激光打印机控制发动机控制发动机控制自适应驾驶自适应驾驶TianjinUniversity雷达处理雷达处理声纳处理声纳处理图像处理图像处理导航导航导弹制导导弹制导高频调制解调器高频调制解调器保密通讯保密通讯TianjinUniversity回声对消回声对消ADPCMADPCM代码转换器代码转换器数字交换机数字交换机线路转发器解调器线路转发器解调器通道多路复用通道

5、多路复用12001200至至19200bps19200bps调制调制自适应均衡自适应均衡传真传真扩频通讯扩频通讯TianjinUniversity全球定位全球定位导航导航数字无线电数字无线电/TV/TVTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversity需求需求分析分析系统结系

6、统结构选择构选择系统总系统总体构成体构成软硬件软硬件设计设计系统系统调试调试试运试运行行交付交付使用使用TianjinUniversityn在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法n程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据 n片内具有快速片内具有快速 RAMRAM，通常可通过独立的数据总线在两块，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问中同时访问n具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持 n快速的中断处理和硬件快速的中断处理和硬件I/OI/O支持支持n具有在单周期内操作的多个

7、硬件地址产生器具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器n可以并行执行多个操作可以并行执行多个操作 n支持流水线操作，使取指、译码和执行操作可以重叠执支持流水线操作，使取指、译码和执行操作可以重叠执行行 TianjinUniversityn优点：优点：大规模集成性、大规模集成性、 稳定性好稳定性好 精度高精度高 可编程性可编程性 高速性能高速性能 可嵌入性可嵌入性 接口和集成方便接口和集成方便n缺点：缺点：成本较高成本较高 高频时钟的高频干扰高频时钟的高频干扰 功率消耗较大等功率消耗较大等 DSPDSP技术更新速度快，开发和调试工具不尽完善技术更新速度快，开发和调试工具不尽完善 TianjinUn

8、iversityTianjinUniversityn完成乘加操作的时间下降到完成乘加操作的时间下降到10ns10ns以下以下n乘法部件占模片区从乘法部件占模片区从4040下降到下降到5 5n引脚数从引脚数从6464增加到增加到200200以上以上n重量和体积大大下降重量和体积大大下降n采用低电压，功耗大大下降采用低电压，功耗大大下降TianjinUniversity500K50K集成集成晶体管数晶体管数0.45mW/MIPS12.5mW/MIPS250mW/MIPS功耗功耗$5.00$25.00$ 15.00$150.00价格价格16K字字4K字字1.5K字字内部内部ROM32K字字1K字字1

9、44字字内部内部RAM100MHz80MHz20MHzMHz100MIPS40MIPS5MIPSMIPS0.3 m CMOS0.8 m CMOS4 m NMOS制造工艺制造工艺1999年年1992年年1982年年年份年份TianjinUniversityTianjinUniversity4、DSP分类通用通用专用专用定点（定点（FixedFixed）浮点（浮点（FloatingFloating）静态静态一致性（兼容性）一致性（兼容性）TianjinUniversityn运算速度运算速度nDSPDSP芯片的价格芯片的价格 nDSPDSP芯片的硬件资源芯片的硬件资源nDSPDSP芯片的运算精度芯片

10、的运算精度 nDSPDSP芯片的开发工具芯片的开发工具 nDSPDSP芯片的功耗芯片的功耗 n其它：其它： TianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversity 一般而言，定点一般而言，定点DSPDSP芯片的价格较便宜，芯片的价格较便宜，功耗较低，但运算精度功耗较低，但运算精度稍低。而浮点稍低。而浮点DSPDSP芯片芯片的优点是运算精度高，的优点是运算精度高，且且C C语言编程调试方便，语言编程调试方便，但价格稍贵，功耗也较但价格稍贵，功耗也较大。大。 TianjinUniversity按样点处理按样点处理一个

11、采用一个采用LMSLMS（Least Mean SquareLeast Mean Square）算法的）算法的256 256 抽头的自适应抽头的自适应FIRFIR（Finite Impulse Finite Impulse ResponseResponse）滤波器）滤波器假定：假定：3 3个个MAC/MAC/抽头抽头则：则：2562563 3768768个个MACMAC周期周期设：采样频率为设：采样频率为8kHz8kHz，即样点之间的间隔为，即样点之间的间隔为125125 s s；采样频率为；采样频率为44.1kHz44.1kHz，即样点之间的间，即样点之间的间隔为隔为22.722.7s sT

12、ianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversity 中低速语音编码算法：中低速语音编码算法：10ms10ms或或20ms20ms为一帧，每隔为一帧，每隔10ms10ms或或20ms20ms语音编码算法循环一语音编码算法循环一次。次。选择选择DSPDSP芯片时应该比较一帧内芯片时应该比较一帧内DSPDSP芯片的处理能力和芯片的处理能力和DSPDSP算算法的运算量。法的运算量。假设：假设：DSPDSP芯片的指令周期为芯片的指令周期为 p p（nsns），一帧的时间为），一帧的时间为 （nsns）则：在一帧内所能提供的最大运算量为则：在一帧内所能提供

13、的最大运算量为 /p/p条指令。条指令。如：如：TMS320LC549-80TMS320LC549-80的指令周期为的指令周期为12.5ns12.5ns，设帧长为，设帧长为20ms20ms，则一帧内所能提供的最大运算量为则一帧内所能提供的最大运算量为160160万条指令万条指令 按帧处理按帧处理TianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversit

14、yTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversitynDSPDSP芯片的基本结构芯片的基本结构 n哈佛结构哈佛结构 n流水线操作流水线操作 n专用的硬件乘法器专用的硬件乘法器 n特殊的特殊的DSPDSP指令指令n快速的指令周期快速的指令周期 TianjinUniversity冯诺曼（Van Neuman）TianjinUniversityTianjinUniversityn流水线深度从流水线深度从2 26 6级不等级不等n多个指令重叠进行，理想情况下，多个指令重叠进行，理想情况下，K K 段流水能段流水能在在

15、 K+N-1K+N-1个周期内，处理个周期内，处理 N N 条指令条指令TianjinUniversityn在通用的微处理器中，乘法指令是由一在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周系列加法来实现的，故需许多个指令周期来完成期来完成 nDSPDSP具有专用的硬件乘法器，乘法可在一具有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成个指令周期内完成 TianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTMS320C20X指令周期指令周期（ns）片内片内ROM（字）（字）片内片内RAM（字）

16、（字）片内片内FLM（字）（字）同步串行同步串行口口异步串行异步串行口口LC2035054411LC2062532K4.5K11C20325/35/5054411C2062532K4.5K11F206504.5K32K11C209354K4.5KTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTMS320C240X指令周期指令周期（ns）片内片内ROM（字）（字）片内片内RAM（字）（字）片内片内FLM（字）（字）A/DA/D转换转换时间时间LF2407255K64K16ch/10bit500nsLF2406255K64K16ch/10bi

17、t500nsLF2403252K32K8ch/10bit500nsLF2402252K16K8ch/10bit500nsLF2401252K16K5ch/10bit500nsLC24062564K5K16ch/10bit375nsTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTMS320C28X指令周期指令周期（ns）片内片内RAM（字）（字）片内片内FLM（字）（字）12bitA/D串行口串行口PWMR28126.6720K16ch216R28116.6720K16ch216F28126.6718K128K16ch216F28116.6

18、718K128K16ch216F28106.6718K64K16ch216F28081018K64K16ch216TianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversity DSPDSPDSPRISCMPFPUCro

19、ssbar50K字节的SRAM视频控制器传输控制器仿真口32646464显示捕获存储器DSPGLIGLIGLIGLI323264323264323264323264 图 2.3 TMS320C80的 内 部 结 构 TianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityQqxx2intQqxfloatx2TianjinUniversityTianjinUniversityyxzQqQqQqyxz222xyxxQQQqQqyx222)(xyxQQQqqyx22)()()(22xzy

20、xQQQQqqqyxzTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityzQqz2=)(2yxQQqqyxqz =)(2)(yxzQQQqqyxTianjinUniversityTianjinUniversityzQqz2yxQqQqyx22qQQQqqyxzyxz)(2TianjinUniversityTianjinUniversitynn2max21TianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniv

21、ersityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversity2877.1314)61035. 0(log)261035. 0(log)10

22、000(log)(log)2(log)(log)2(log)(loge1m5 . 025 . 0X15 . 02142222222例如：为整数，式中，则：的数为大于，设：表的范围为emmmXmXeeeTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversity无穷大无效xfexfexfefxfefxeses, 0,255, 0,2550, 0, 0. 021, 0, 0. 121,2550126127TianjinUniversity0, 02.101

23、2.010 xfsefxsfxsee且为绝对值最大的负数， fs smfmfxses.22.2TianjinUniversityTianjinUniversity711222最大正数TianjinUniversity721最小正数TianjinUniversity711221最小负数TianjinUniversity722最大负数TianjinUniversity0, 8fse零的特殊表示：TianjinUniversity12723222最大正数TianjinUniversity12721最小正数TianjinUniversity12723221最小负数TianjinUniversity12

24、722最大负数TianjinUniversity0,128fse零的特殊表示：TianjinUniversity12712732127127322222121222最大负数最小负数最小正数最大正数0128fse零的特殊表示：TianjinUniversityTianjinUniversity121212222221222211eeeeemxxeemxmx进行归正：则需对如果：设两个浮点数：TianjinUniversity21222211eemxmx设两个浮点数：TianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversi

25、tyTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityOVLY1OVLY0OVLY1OVLY0程序空间程序空间程序空间程序空间数据空间数据空间地址地址地址000000000000000000000000005

26、F005F00600060007F007F007F007F007F007FDARAMOVLY1OVLY0DARAMOVLY1OVLY0DARAM8KSARAMOVLY1OVLY0SARAMOVLY1OVLY0 ROM16KSARAM24K ROMDROM1ROMDROM0DROM1DROM0MP/MC1微处理器方式MP/MC0微机方式008000801FFF1FFF200020007FFF7FFF80008000FF7FFF7FFFFFFFFF008000801FFF1FFF200020007FFF7FFF80008000BFFFBFFFC000C000FEFFFEFFFF00FF00FFFF

27、FFFF008000801FFF1FFF200020007FFF7FFF80008000BFFFBFFFC000C000FEFFFEFFFF00FF00FFFFFFFFTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversity0 0IMRIMR中断屏蔽寄存器中断屏蔽寄存器1 1IFRIFR中断标志寄存器中断标志寄存器2-52-5- -测试保留测试保留6 6ST0ST0状态寄存器状态寄存器0 07 7ST1ST1状态寄存器状态寄存器1 18 8ALAL累加器累加器A A低字（低字（15150 0比特）比特）9 9AHAH累加器累加器A A高字（高字（3

28、1311616比特）比特）A AAGAG累加器累加器A A保护位（保护位（39393232比特）比特）B BBLBL累加器累加器B B低字（低字（15150 0比特）比特）C CBHBH累加器累加器B B高字（高字（31311616比特）比特）D DBGBG累加器累加器B B保护位（保护位（39393232比特）比特）E ET T乘法寄存器乘法寄存器F FTRNTRN传送寄存器传送寄存器10-1710-17AR0-AR7AR0-AR7辅助寄存器辅助寄存器ARn nARn n0 07 71818SPSP堆栈指针堆栈指针1919BKBK循环缓存区大小寄存器循环缓存区大小寄存器TianjinUniv

29、ersity内存映象寄存器（续）内存映象寄存器（续）1A1ABRCBRC块重复计数器块重复计数器1B1BRSARSA块重复开始地址块重复开始地址1C1CREAREA块重复结束地址块重复结束地址1D1DPMSTPMST状态寄存器状态寄存器1E1EXPCXPCPCPC扩展寄存器扩展寄存器1E1E1F1F保留保留2020BDRR0BDRR0带缓存串口带缓存串口0 0数据接收寄存器数据接收寄存器2121BDXR0BDXR0带缓存串口带缓存串口0 0数据发送寄存器数据发送寄存器2222BSPC0BSPC0带缓存串口带缓存串口0 0控制寄存器控制寄存器2323BSPCE0BSPCE0带缓存串口带缓存串口0

30、 0控制扩展寄存器控制扩展寄存器2424TIMTIM定时器计数器定时器计数器2525PRDPRD定时器周期寄存器定时器周期寄存器2626TCRTCR定时器控制寄存器定时器控制寄存器2727保留保留2828SWWSRSWWSR等待状态产生寄存器等待状态产生寄存器2929BSCRBSCRBank-switchingBank-switching控制寄存器控制寄存器TianjinUniversity内存映象寄存器（续）内存映象寄存器（续）2A2A保留保留2B2BXSWRXSWR扩展等待状态寄存器扩展等待状态寄存器2C2CHPICHPIC主机接口控制寄存器主机接口控制寄存器2D2D2F2F保留保留303

31、0TRCNTRCNTDMTDM串口数据接收寄存器串口数据接收寄存器3131TDXRTDXRTDMTDM串口数据发送寄存器串口数据发送寄存器3232TSPCTSPCTDMTDM串口控制寄存器串口控制寄存器3333TCSRTCSRTDMTDM串口通道选择寄存器串口通道选择寄存器3434TRTATRTATDMTDM串口接收发送寄存器串口接收发送寄存器3535TRADTRADTDMTDM串口接收地址寄存器串口接收地址寄存器36363737保留保留3838AXR0AXR0ABU0ABU0发送地址寄存器发送地址寄存器3939BKX0BKX0ABU0ABU0发送缓冲大小寄存器发送缓冲大小寄存器3A3AARR

32、0ARR0ABU0ABU0接收地址寄存器接收地址寄存器3B3BBKR0BKR0ABU0ABU0接收缓冲大小寄存器接收缓冲大小寄存器TianjinUniversity内存映象寄存器（续）内存映象寄存器（续）3C3CAXR1AXR1ABU1ABU1发送地址寄存器发送地址寄存器3D3DBKX1BKX1ABU1ABU1发送缓冲大小寄存器发送缓冲大小寄存器3E3EARR1ARR1ABU1ABU1接收地址寄存器接收地址寄存器3F3FBKR1BKR1ABU1ABU1接收缓冲大小寄存器接收缓冲大小寄存器4040BDRR1BDRR1带缓存串口带缓存串口1 1数据接收寄存器数据接收寄存器4141BDXR1BDXR

33、1带缓存串口带缓存串口1 1数据发送寄存器数据发送寄存器4242BSPC1BSPC1带缓存串口带缓存串口1 1控制寄存器控制寄存器4343BSPCE1BSPCE1带缓存串口带缓存串口1 1控制扩展寄存器控制扩展寄存器44445757保留保留5858CLKMDCLKMD时钟方式寄存器时钟方式寄存器59595F5F保留保留TianjinUniversityTianjinUniversityST1寄存器寄存器 nBRAFBRAF块重复指示块重复指示 nCPLCPL编译器模式，指示相关直接寻址选用指针。编译器模式，指示相关直接寻址选用指针。CPLCPL0 0，使用，使用DPDP指针；指针；CPLCPL

34、1 1，使用，使用SPSP指针指针nXFXF指示外部引脚指示外部引脚XFXF状态状态 nHMHM挂起方式。指示挂起方式。指示CPUCPU响应信号的方式。响应信号的方式。HMHM0 0，外，外部接口呈高阻；部接口呈高阻；HMHM1 1，CPUCPU停机停机 nINTMINTM全局中断控制位。全局中断控制位。INTMINTM0 0，开中断；，开中断；INTMINTM1 1，屏蔽可屏蔽中断屏蔽可屏蔽中断 nOVMOVM溢出处理方式。指示发生溢出时，对累加器中数溢出处理方式。指示发生溢出时，对累加器中数值的处理。值的处理。OVMOVM0 0，溢出值不变；，溢出值不变；OVMOVM1 1，载入正向，载入

35、正向最大值最大值007FFFFFFFH007FFFFFFFH或负向最大值或负向最大值0080000000H 0080000000H 151413121110987654-0BRAFCPLXFHMINTM0OVMSXMC16FRCTCMPTASMTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversity片内外设（续）T

36、ianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUnive

37、rsityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianji

38、nUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversity tetc1 69. 0, 5 . 01dtdtetcdRC FCKRms 15,1015. 0:100TianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityA0-A15TMS320MSCREADYD0-D7CERAMRWDSD0-D7CERAMD0-D7D8-D15MSTRBTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityTianjinUniversityT