DSP课件-高等院校课程(1)(精)

1、20110H8HDSP/MJ3L/4 应用第1章DSP绪论两蓉提嬰首先对数字信号处理进行了概述介绍了 DSP 的基本知识,接着介绍了可编程 DSP 芯片.对 DSP 芯片的发展、特点.分类.应用和发展趋势作了论述 然后介绍 DSP 系统，对 DSP 系统的构成.特点、设计 过程以及芯片的选择进行了详细的介绍*最后对 DSP 产品作了筒要介绍DSP 技术尺应用微型计算机与单片机、DSP的关系与区别:微型计算机：微处理器(CPU)、存储器、I/O接口电 路由总线冇机地连接在一起的整体，称为微型计算 机。:单片机：将微处理器(CPU)、存储器、I/O接1电路 和相应实时控制器件集成在一块芯片上，称为

2、单片 微型计算机，简称单片机。:主要区别:(1)通用微机的CPU主要面向数据处理, 具发展主要围绕数据处理功能、计算速度和精度的 进一步提高。微型计算机与单片机、DSP的关系与区别单片机主耍而向控制，控制中的数据类型及数据 处理相对简单，所以单片机的数据处理功能比通 用微机相对要弱一些，计算速度和精度也相对耍DSP 贩理及应用微型计算机与单片机、DSP的关系与区别:低一些。可以这样说，现在的家用电器基本上都采 用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机.电冰箱、空 调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设 备，五花八门，无所不在。:- (2)通用微机中存储器组织结构主要针对增大存储 容量和CPU对数

3、据的存取速度。：单片机中存储器的组织结构比较简单，存储黠芯片 直接挂接在单片机的总线上，CPU对存贮器的访问 按直接物理地址来寻址存储器单元，存储器的寻址 空间一般都为64 KBo2015 10H8 日迹沁阴2.数字信号处課険凰6201510H8HDSP 丿京理及应用4微型计算机与单片机、DSP的关系与区别通用微机中I/O接口主要考虑标准外设(如CRT、 标准键盘.鼠标、打印机.硬盘、光盘等)。令单片机的I/O接口实际上是向用户提供的与外设连接 的物理界面。用户对外设的连接要设计具体的接口 电路，需有熟练的接口电路设计技术。 DSP就属于单片机。:. DSP与单片机的关系请大家查阅资料。DSP

4、可以代表数字信号处理技术(Digital Signal Processing),也可以代表数字信号处理器( (DigiUd Signal Processor)。前者是理论和计算方法上的技术.后者是指实现这些技术的通用或专用可编程微处理器芯片数字信号处理包括两个方面的内容:20151 10H8BDSP 床理及应用_第章 DSP 绪讼信看处理概述迹沁阴2.数字信号处課険凰61.算法的研丸第 1 章 DSP 绪论E算法的研宪算法的研究是指如何以最小的运算量和存储器的 使用量来完成指定的任务，如20世纪60年代出现的快 速傅里叶变换( (FFT),使数字信号处理技术发生了 革命性的变化.近几年来，数字

5、信号处理的理论和方法得到了迅 速的发展，诸如：语音与图像的压缩编码.识别与鉴 别，信号的调制与解调.加密和解密，信道的辨识与 均衡，智能天线，频谱分析等各种快速算法都成为研 究的热点.并取得了长足的进步，为各种实时处理的 应屈提供了算法基础。DSP股理及应用1.2可编程DSP芯片数字信号处理器(DSP)是一种特别适含于进行 数字信号处理运算的微处理器.主要用于实时快速实 现各种数字信号处理的算法.在20世纪80年代以前，由于受实现方法的限制.数字信号处理的理论还不能得到广泛的应用.直到20年及80年代初，世界上第一块单片可编程DSP芯片的 诞生.才使理论研宪成果广泛应用到实际的系统中. 并且推

6、动了新的理论和应用领域的发展.可以交不夸 张地讲.DSR芯片的诞生及发展对近20年来通信.计 算机.控制等领域的技术发展起到十分重要的作用.2015 年 10 月 8 日DSP 丿京理及应出8第 1 章 DSP 绪论2015 年 10 月 8 日DSP 燥理及应用10第 1 章 DSP 绪论1.2.1 DSP芯片的特点数字信号处理不同于普通的科学计算与分析.它强调运算的实时性.除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制能力外、针对实时数字信号处理的特点在处理器的结构、指令系统、指令流程上作了很大的改进祺主要待点如下*DSP 芯片普灣釆用数据总&和程序思皴分薦的 2 蜡构或改进的哈 1结

7、构比传统处理塞的冯诺伊曼皓构有更快的 指令执行速度DSP 麻必应用第 1 章 DSP 绪论冯诺伊曼( (Von Neuman)结构该结构釆用单存備空间.即程序拘令和如共用一个 存储空间.使用单一的地址和数掲总钱.取描令和作 敷都是通过一条总线分时进行.当进行高速运算时，不但不能同时进行取指令和取操 作数，而且还会造成数据传输通道的瓶颈现象.其工作速 度较慢.20151 10 片 8 日2015 年 10 月 8:JDSP 丿京理及应用12第 1 章 DSP 绪论L 来用瞄佛蛤构(1)冯诺伊曼(Von Neuman)结构第俅DSP鋼论1 来用呛佛结构(2)哈佛( (Harvard)结构该结构采用

8、双存储空间.程序存储器和数据存储辭分开.有各自独立的程序总线和数据总线.可独立编址和独立访问，可对程序和数据进行独立传输.使取指令操作. 指令执行操作.数据吞吐并行完成.大大地提高了数据处 理能力和指令的执行速度.非常适合于实时的数字信号处CPU20154 10H8 日11数据总线DB地址总线ABHEX1冯诺伊受结构DSP 原理人应用2015 年 10 月 8:JDSP 丿京理及应用12理微处理器的哈佛结构如122 所示.第 1 章 DSP 绪论釆用冷佛结构( (3)改进型的哈佛结构改进型的哈佛结构是采用双存储空间和数条总线，即一条程序总线和多条数据总线。其特点如下:1允许在程序空间和数据空间

9、之间相互传送数据、使这些数据可以由算术运算指令直接调用増强芯片的灵活性二 提供了存備指令的高速績冲母(cache)和相应的指令，当霍复执行这些指令时只需读入一次就可连埃使用.不 需要再次从程序存住 II中读出从而截少了描令执行作需要 的时间 0：TMS320C6200M 列的 DSR 整个片内程序存 1* 髀都可以配制成高速覆冲结构.第 1 章 DSP 绪论(2)哈佛( (HurviiM)结构串行接口并行接口CPU2015 卸 10H8I i“ m :L外那件理数据总统外祁管理地址总线效擔总线 数据地址总找 程序数据总钱程序地址总线habUmi13渺肯理辿址总弐岂处址总线V_L_L201510

10、H8HDSP 丿京埋及应用142015 年 1OHBdDSP 廉理及应用16第章 DSP 笔途1. 2. 2 DSP芯片的特点1.采用多总域结构DSP 芯片都采用多总钱结构.可同时进行取指令和多个 效据存取操作.并由辅助寄存脣自动増减地址进行寻址.便 CPU 在一个机塞周期内可多次对程序空间和 1WR 空间遊行访 问.大大地提高了 DSP 的运行速度.如TMS320C54XJK 列 内部有 P. C、D. E 等 4俎总钱.每组总找中都有地址总钱和 数据总线.这样在一个机夥周期内可以完成如下垛作二1从程序存値漏中取一条播令；2从数据中读两个 I*作数；3向数据存储器写一个操作数.2015 年

11、10H8iiDSP/Jl 及应用15第 1 章 DSP 绪论1.2.2 DSP芯片的特点3.来用波水钱技贰DSP 执行一条指令时、将指令分为几个阶TMS320C54M系列的 DSP 将指令分为 6 个阶段：預取指用指，译码寻址读操 作孰执行&y = Zaxi;-118，C54x的内部錯构2.9C5 zm中的1.2.2 DSP芯片的特点4.用的联伴柬 AH 加壽澤码D手址A澳數R执行X执行指令写数据加19流水线结构;萱需要若需要修止辅2015 勺 10H8i iDSP/MJS 及应用第 1 章 DSP 绪论2015 年 10 月 8 日DSP 廉理及应用22为了适应数字借号处理的需要当前

12、的 DSP 芯片配有 专用的啖件桑法 d?加可在一个周期内完成一次乗法和 一次 JR 加操作从而可实現数 18 的乘法 JR 加操作如矩阵 运算、FIR 和 URil波.FFT 变换等专用信号的处理.5.具有特珠的 DSI 湘令为了满足数字信号处理的需要.在 DSP 的指令系统中. 设计了一些完成特殊功能的指令.如：TMS320C54X 中的 FIRS 和 LMS 指令.专门用于完 感秤觀称的科 R 滤波器现酬携萨.第 1 章 DSP 绪论1-2.2 DSP芯片的特点氐快逸的欄令罔療由于采用哈佛结构、流水线操作.专用的硬件乘法器、 特殊的指令以及集成电路的优化设计.使指令周期可在 20ns 以

13、下.如工TMS320C54X 的运算速度为 1OGMIPS.即 100 百 万条妙札硬件 it 置强新一代的 DSP 芯片具有较强的接口功能.除了具有串行 口、定时器、主机接口（HPD x DMAtt 制器、软件可编程 等特状态发生壽等片内外设外还配有中析处理 IK PLL 片内存借器、 测试接口筹单元电路可以方便地构成一个嵌 入式自封闭控制的处理系统.第 1 章 DSP 绪论2015 年 10 月 8 日Dspjwa 及应用241. 2. 2 DSP芯片的特点R 支持多处理壽站构为了満足多处理器系统的设计.许多 DSP芯片都采用 支持多处理器的结构。如：TMS320C40 提供了 6 个用于

14、处理 器间高速通信的 32 位专用通信接口 使处理器之间可直接对 通应用灵活、使用方便；省电管理和低HDSP 功耗一般为 0.5-4VV,若采用低功耗技术可使功耗降到 0.25W,可用电池供电，适用于便携式数字终端设备。第 1 章 DSP 绪论1. 2. 3 DSP芯片的分类为了适应数字信号处理各种餐样的实际应用，DSP 厂商生产出多种类型和档次的 DSP 芯片.在众多的 DSP 芯片中可以按照下列 3 种方式进行分类.1.按基 Q 持准令类久按用途分类3 按裁摻格“类2015 10 片 8 日DSP 族瑰应用第 1 章 DSP 绪论1. 2. 3 DSP芯片的分类1*扶基砒待性介类这种分类是

15、依攥 DSP 芯片的工作时钟和拥令类型进行的. 可分为静态 DSF 芯片和一致性 DSF 芯片如果有两种或两种以上的 DSP 芯片.它们的指令集和相应的机器代码及管脚结构相互兼容.则这类 DSP 芯片被称之为一 致性的芯片.例如，TI 公司的 TMS320C54X.2015 年 10H8HDSP 总理从应用25第 1 章 DSP 绪论1.2.3 DSP芯片的分类基按用途分夷按照用途.可将 DSP 芯片分为通用型和专用型两大类.通用型 DSP 芯片：一般是指可以用指令編程的 DSP 芯片, 适合于普通的 DSP 应用.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.专用型 DSP

16、 芯片：是为特定的 DSP 运算而设计.通常只骨 对某一种应用.相应的算法由内部硬件电路实现.适合于数字 滤波、FFT.卷积和相关算法等特殊的运算.主要用于要求信 号处理速度极快的特殊场合.第 1 章 DSP 绪论20154P10H8 HDSP 丿京理及应用26第 1 章 DSP 绪论2015 年 10H8HDSP 丿京理及应出281. 2. 3 DSP芯片的分类3 扶播榕式令类根据芯片工作的数据格式.按其精度或动态范围，可将 通用DSF 划分为定点 DSP 和浮点 DSP 两类。若数据以定点格式工作的定点 DSP 芯片.若数据以浮点格式工作的一点 DSP 芯片.不同的浮点 DSP 芯片所采用

17、的存点格式有所不同.有的 DSP芯片采用自定义的浮点格式有的DSP芯片息釆用1EEEM 标准浮点格式2015 年 10H8HDSP/Jkil 及应用27第 1 章 DSP 绪论1.2.4 DSP芯片的应用NTtfDSP 芯片价格的下降性總价絡比的縄高.DSP 芯片具有巨大的应用潘力主要应用：第 1 章 DSP 绪论2015 年 10H8HDSP 丿京理及应出28如： 震裂处理器 图形加速器 工作站多媒体计算机等B：保密通信. 雷达处理I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6HDSP 丿京瞅应用30第 1 章 DSP 绪论1. 2 5 DSP芯片的发展现状和趋势

18、1 DSP 芯片的现状( (1) )制造工艺早期 DSP 采用 4gm 的 NMOS 工艺现在的 DSP 芯片普連 采用 0 25jun 或 0 18gm 亚微米的 CMOS 工艺.芯片引脚从原来 的4 川増加到 200 个以上，需要设计的外围电路划来越少*成本、体积和功耗不断下降(2)存储器容量早期的 DSP 芯片，其片内程序存和数据存储壽只有 几百个单元.目前.片内程序和数掲存備鑒可达封几十 K 字 而片外程序存備器和数据存備塞可达到位和 464020110DSP 麻理及应用29第 1 章 DSP 绪论1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势1. DSP 芯片的现状(3)内部结构目前，DSP

19、 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.运算速度近 2 吟的发展，使 DSP 的指令周期从 4 C 编译器和集成开发环 境 CCS尊.给开发应用带来很大方便.CCSMTI 公司骨对本公司的 DSP 产品开发的集成开发环境.它集成了代码的编、編译.键接和调试等诸多功能,而且支持 C/C 卄和汇编的混合编程.开放式的结构介许外扩用户自身的模块.第 1 章 DSP 绪论1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势X DSP 技术的发勢未来的 10 年.全球 DSP 产品将向着高性能、低功耗、加 强融合和

20、拓展多种应用的趋势发展.DSP芯片将越来越多地 渗透到各种电子产品当中.成为各种电子产品尤其是通信类 电子产品的技术核心.DSP 技术将会有以下一些发展趋势*（1）DSP 的内核结构将进一步改善多通道结构和单指令多重数据（SIMD）、特大指令字 组（VLIM）将在新的高性能处理器中占主导地位，如 AD 公 司的ADSP-2116X.2015 年 10H8HDSP/MJ1 及应用33_ 1 章 DSP 绪论1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势3. DSP术的发展趟势（2）DSF 和微处理畧的融合微处理 UMPlh 是一种执行智能定向控制任务的通用处理器，它能很好地执行智能控制任务，但是对数字信

21、号的处理功能很差.DSP 处理器*具有高速的数字信号处理能力在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理 两种功能.将 DSP 和微处理器结合起来，可简化设计”加速产品的 开发，减小 PCB 体积，降低功耗和整个系统的成本2015 年 10H8HDSP/W 理及应出34第 1 章 DSP 绪论1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势3 DSP 披术的发展趟势(3) DSP 和离档 CPU 的砂合大多数高档 MCU,如 Pentium 和 PowerPC 都是 SIMD 指令组的超标量结构.速度很快.在 DSP 中 AkA*档 CPU 的分支预示和动杏冲技术.具 有结构規范.利于编程.不用进行

22、指令排 使 DSPtt 能大幅度提高.(4) DSP 和 SOC 的融合SOC 是指把一个系统集成在一块芯片上这个系统包括DSP 和口软件等2015 年 10H8HDSP J 京埋从应用35第 1 章 DSP 绪论1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势3 DSP术钓发展趟豁(5) DSP 和 FPGA 的融合FPGA 是现场可编程门阵列器件.它和恥陳成在一块 芯片上，可实现宽带信号处理大大提高信号处理速度(6)实时操作系统 RTOSDSP 的结合随着 DSP 处理能力的增强，DSP 系统越来越复杂，使得 软件的规模越来越大，往往需要运行多个任务，各任务间的 通信、同步等问题就变得非常突出.随着

23、 DSP 性能和功能的日益増强，对 DSP 应用提供 丛亦翩支持已成为必然喘攥如湘2015 年 10 月 8HDSP 丿京览及应用38第 1 章 DSP 绪论1.2.5 DSP芯片的发展现状和趋势3 DSP 技和的皮展维势(7)DSP 的并行处理结构为了提离DSP芯片的运算速度.各DSP厂商紛紛在DSP 芯片中引入并行处理机制.这样.可以在同一时刻将不同的 DSP 与不同的任一存储器连通.大大提高数据传输的速率.(8)功耗越来超低随着超大规模集成电路技术和先进的电源管理设计技术 的发展，DSP 芯片内核的电源电压将会越来越低.2015 年 10 片 8 HDSP 原瑰及应用371. 3 DSP系统13.1 DSP系统的构成一个典型的DSP系统应包括抗混叠滤波器.数据采集A/D转换器.数字信号处理器DSP. D/A转换器和 低通滤波器等组成.第 1 章 DSP 绪论2015 年 10 月 8HDSP 丿京览及应用382015 年 1084DSP 丿京理攻应出42DSP芯片的选择在进行 DSP 系统设计时，选择合适的 DSP 芯片是非 的一个环节.通常依据系统