数字信号处理第7章数字信号处理的硬件实现

第7章数字信号处理的硬件实现

7.1DSP技术的概念及其开展7.2DSP处理器的主要结构特点7.3TI系列DSP7.4DSP的开发环境2/24/20251数字信号处理技术主要实现途径：1、信号处理软件包

缺点是软件实时处理较差，因此，多用于教学与科研当中。2、专用的数字信号处理机

方便、经济，但是它的灵活性和适应性都较差。3、采用单片信号处理器(ChipDigitalSignalProcessor通常简称为DSP)把设计师的精力从繁杂的布线和烦琐的调试等硬件设计中转向软件设计。

2/24/202527.1DSP技术的概念及其开展7.1.1DSP系统的根本概念典型的实时信号处理系统2/24/20253DSP系统的优越性主要表现在以下几个方面：(1)接口方便。系统接口与其它数字系统或设备的接口是相互兼容的，这样便于信息的交换与传输。(2)编程方便。系统中的可编程芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。(3)稳定性好。系统以数字处理为根底，与模拟系统相比受环境温度以噪声的影响较小，可靠性高。(4)可重复性好。数字系统便于测试、调试和大规模生产。(5)集成方便。系统中的数字部件具有高度的标准性，便于大规模集成。2/24/20254DSP系统的设计的一般过程如图

2/24/20255针对上图个局部处理的过程(1)根据应用系统的目标确定系统的性能指标，以及信号处理的要求。(2)根据系统的要求进行高级语言的模拟，通常使用C语言或MATLAB语言。(3)设计DSP系统，DSP系统的设计包括硬件设计和软件设计两个方面。硬件设计选择适宜的DSP芯片，然后设计DSP芯片的外围电路及其它电路。软件设计和编程。2/24/202567.1.2DSP芯片的选择

一般来说，选择DSP芯片时考虑以下诸多因素。

1、

DSP芯片的运算速度DSP芯片的运算速度可以用以下几种性能指标来衡量：

(1)指令周期。就是执行一条指令所需要的时间，通常以ns为单位。

(2)MAC时间。即一次乘法和一次加法的时间。

(3)FFT执行时间。2/24/20257(4)MIPS。即每秒执行百万条指令。

(5)MOPS。即每秒执行百万次操作。(6)MFLOPS。即每秒执行百万次浮点操作。(7)BOPS。即每秒执行十亿次操作。2、DSP芯片的价格开发阶段选用某种价格稍贵的DSP芯片，等到系统开发完毕，其价格可能已经下降一倍甚至更多。3、DSP芯片的硬件资源

主要包括：片内RAM和ROM的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口，I/O接口等。2/24/202584、DSP芯片的运算精度定点DSP芯片的字长为16位或32位，浮点芯片的字长一般为32位，累加器为40位。

5、DSP芯片的开发工具在选择DSP芯片的同时必须注意其开发工具的支持情况，包括软件和硬件的开发工具。

6、DSP芯片的功耗在某些DSP应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问题。7、其他2/24/202597.1.3DSP开展1978年，AMI公司研发世界上第一个单片DSP芯片是研制的S2811；1979年Intel公司，展示的商用可编程器件Intel2920成为DSP芯片开展的一个重要的里程碑；1980年，NEC公司推出的μPD7720成为第一个具有乘法器电路的商用DSP芯片。1982年，日本的Hitachi公司推出第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片。在DSP芯片市场中，最成功的是美国德克萨斯仪器公司〔TexasInstruments，简称TI〕。2/24/202510TI公司从1982年推出其产品：第一代DSP芯片TMS32021及其系列产品包括TMS32021、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等；第二代，TMS32021、TMS320C25/C26/C28等；第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32；第四代DSP芯片TMS320C40/C44；第五代DSP芯片TMS320C50/C51/C52/C53以及集多个DSP于一体的高性能DSP芯片TMS320C80/C82等。目前TI公司常用的DSP芯片为以下三大系列，即TMS320C2000，TMS320C5000；TMS320C6000。2/24/2025117.2DSP处理器的主要结构特点

7.2.1哈佛结构冯·诺曼结构将指令、数据、地址存储在同一存储器中，统一进行编址，靠指令计数器提供的地址来区别取出的是数据、地址还是指令。2/24/202512哈佛结构那么将数据和程序分别存储在不同的存储器当中，即程序存储器(PM)，数据存储器(DM)，它们各自独立单独编址，独立访问。与此相对应，系统中还设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。目前使用的DSP芯片都采用了改进的哈佛结构。2/24/2025137.2.2硬件乘法器和特殊的DSP指令考虑到数字信号处理算法中存在着大量的乘加运算，因而几乎所有的DSP芯片都设置了硬件乘法器，以及相应的MAC(乘法并累加)一类的指令。例如利用TMS32021实现上式给出的FIR滤波器，每个抽头需要重复执行下属指令256次：LT；装乘数到T存放器DMOV；在存储器中移动数据以实现延迟MPY；相乘APAC；将乘法结果加到ACC中2/24/202514如果是第二代DSP芯片TMS320C25每个抽头的运算时间将条降为1条，即：

RPT255 ；重复执行下条指令256次MACD ；LT、DMOV、MPY和APAC2/24/2025157.2.3指令系统的多级流水线与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用指令流水线以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力。TMS320系列处理器的流水线深度从二到四级不等。下面是一个三级流水线操作的例子。

2/24/2025167.2.4其它特点1、独立直接存储器访问(DMA)总线及其控制器2、数据地址发生器(DAG)3、丰富的外设2/24/2025177.3TI系列DSP

在TI公司提供的产品系列当中，使用较为广泛的定点DSP芯片有三大系列，即用于数字控制系统的TMS320C2000系列产品，用于功耗低、便携式的无线通信终端的TMS320C5000系列产品，以及高性能32位的TMS320C62XX等系列的产品。

2/24/2025187.3.1TMS320C2000系列DSPTMS320C2000系列DSP控制器，具有很好的性能，集成了Flash存储器、高速A/D转换器，以及可靠CAN模块，主要应用于数字化的控制系统当中。1、TMS320C24x系列DSPTMS320C24x系列所到达的20MIPs，可以应用自适应控制、Kalman滤波、状态控制等先进的控制算法，C24x与早先的C2x系列原代码兼容，向上与C5x的原代码兼容。2/24/2025192、TMS320C28x系列DSPTMS320C28x是高性能32bit定点DSP。它和C27x原代码和目标代码兼容。但凡使用C2xLPCPU编写的代码，都可以重新编译后在C28x上运行。2/24/2025207.3.2TMS320C5000系列DSPC5000是16bit定点DSP系列，当前广泛使用的主流为TMS320C54X系列芯片，以及TI较晚推出的TMS320C55X系列芯片。其主要应用目标是手持通信系统，例如，、PDA和GPSSOHO(小型办公室和家庭办公室)的语音和数据系统等。1、TMS320C54x系列DSPTMS320C54x系列DSP适应远程通信等实时嵌入式应用的需要，具有很好的操作灵活性和很高的运行速度。2/24/2025212、TMS320C55x系列DSPC55x是从C54x开展起来的，并与之原代码兼容，以便保护用户在C54x上的投资。C55x工作在0.9V时，功耗低至0.005mW/MIPS。工作在400MHz钟频时，可达800MIPS。与120MHz的C54x相比，300MHs的C55x性能提高5倍，功耗降为1/6。因此，C55x非常适合个人的和便携式的应用，以及数字通信设施的应用。2/24/2025227.3.3TMS320C6000系列DSP该系列是TI公司从1997年开始推出的新型DSP系列。采用TI的专利技术VeloiTI、VeloiTI2和新的超长指令字(VLIW)结构，使该系列DSP的性能到达很高的水平。该系列的第一款芯片C6201，在200MHz钟频时，到达1600MIPS。而2000年以后推出的C64x，在钟频1.1GHz时，可以到达8800MIPS以上，即每秒执行近90亿个指令。在钟频提高的同时，VeloiTI和VeloiTI2充分利用结构上的并行性，可以在每个周期内完成更多的工作。2/24/2025231、应用领域〔1〕通信信号处理；〔2〕图像视频多媒体2、硬件结构3、TMS320C62x和TMS320C64x4．TMS320C67x5、DM64x数字媒体处理器2/24/2025247.4DSP的开发环境

对于DSP工程师来说，除了需要熟悉和掌握DSP本身的结构和技术指标，而且还需要学习使用其开发工具和环境。以下图给出了一个DSP的软件开发流程图。本章将以TI公司的TMS320系列DSP芯片为例，简要介绍目前使用得比较广泛的开发环境和工具。2/24/2025252/24/2025267.4.1C编译器TI公司为TMS320系列DSP芯片提供了系列的C编译器。这些标准C编译器，可以将标准C语言源文件编译成为相应芯片种类的汇编语言源代码文件，进而汇编和连接，产生可执行的目标文件。

1、C编译器的主要特点(1)完全符合ANSIC标准。(2)编译器软件包内带有一个完整的运行支持库。(3)该编译器能够作高水平的优化，使用多种先进技术实现从C源代码到高效汇编代码的转换。

2/24/202527(4)归档器公用程序(ArchiverUtility)，将文件归入单一的文档或库中，可以对库作文件的添加、删除、替换，也可以将目标文件库作为连接器的输入。(5)公用目标文件格式(COFF：CommonObjectFileFormat)使用户能够在连接时定义自己系统的存储器映射，将C源代码和数据连接到特定的存储区域，从而最大限度地改善其性能。(6)该编译器包内有一个外壳程序只用一个命令，就可以编译、汇编和连接，直接从C源文件产生可执行的COFF文件。

2/24/202528(7)可以生成多种列表文件；(8)用户可以使用C编译器软件包所提供的建库公用程序(Library-BuildUtility)，通过不同的选择来建立自己运行支持库；(9)编译器具有灵活的汇编语言接口，使用直接调用协议，易于编写可以相互调用的汇编和C函数。(10)对于独立的嵌入式应用，允许复位时运行C代码。

2/24/202529综上所述，C编译器在作编译时，分为两步实现：第一步分析源代码，第二步产生汇编语言源程序，需要作进一步的汇编和连接，才能生成可执行代码。2、TMS320标准C编译器的优化TMS320的C编译器能作多种优化处理，从而极大地改善了其汇编所得代码的效率。这些处理包括：(1)代数式改变，字符简化，常数合并(2)别名澄清，它确定什么时候两个指针表达式不能指向同一单元，从而使得编译器能自由地优化这些表达式。

2/24/202530(3)数据流优化目的就是优化表达式的描述，检测出并去除不必要的赋值操作，防止重复计算已经算过的值。(4)优化转移，简化控制流程(5)循环相关变量的优化(6)循环流程当中的其它优化(7)函数调用的内联扩展(8)存放器变量(9)以省时为根底的存放器配置2/24/202531(10)循环处理的优化利用自动增量寻址模式和块循环可以实现循环处理的优化。(11)并行指令有一些浮点指令可以成对地并行执行。7.4.2汇编语言工具TMS320的汇编语言工具是一个软件包，其中包括：汇编器，连接器，归档器，交叉引用列表器和十六进制转换公用程序。2/24/2025321、汇编器(Assembler)TMS320的汇编器将汇编语言的源程序文件汇编成为机器语言的目标程序文件，其格式为COFF，即通常指的“.obj〞文件。汇编器的输入文件为汇编语言源文件，其缺省的文件扩展名是“.asm〞。由汇编器所建立的目标文件，其缺省的文件扩展名是“.obj〞。用汇编器可以建立列表文件，其缺省的文件扩展名是“.lst〞。

2/24/2025332、连接器(Linker)连接器的根本任务是将目标文件连接在一起，产生可执行模块。连接器可以接受的输入文件包括汇编器产生的COFF目标文件、命令文件、库文件以及已局部连接好了的文件。它所产生的可执行COFF目标模块可以装入各种开发工具或由TMS320器件来执行。根据用户的要求，连接器还可以建立一个连接映射列表，用来描述存储器的分配、输入和输出程序段的位置，以及外部符号重新定位后的地址。2/24/2025343、归档器(Archiver)归档器允许用户将一组文件归入档案文件中。

4、交叉引用列表器(Cross—ReferenceLister)交叉引用列表器是一个查错的工具，它接受已经连接好的目标文件作为输入，产生一个交叉引用列表作为输出。

5、十六进制转换公用程序(HexConversionUtility)这个十六进制转换公用程序就是用来将COFF目标文件转换成标准的十六进制格式。

2/24/2025357.4.3系统集成与调试工具TI公司为TMS320系统的集成与调试所提供的工具主要包括：C/汇编源码调试器(C/AssemblySourceDebugger)；软仿真器(Simulation)；入门套件(DSK，DSPStarterKit)；标准评估模块(EVM)；仿真器XDS(ExlendedDevelopmentSystem)。2/24/2025361、C/汇编源码调试器C/汇编源码调试器是一种工作在PC机上的先进的软件接口，它与调试工具(如软仿真器、标准评估模块和仿真器)配合使用。

(1)调试器的主要特征

提供完善的控制程序运行的特征，如：条件执行，单步执行，断点设置和消除，批文件执行命令。

多操作支持；多级调试；可灵活配置的界面；2/24/202537全屏幕编辑；连续更新；综合数据显示；功能强大的命令集；(2)调试器的调试模式

自动模式：在自动模式中，调试器自动显示当前正在运行的代码，或者是汇编语言，或者是C语言。这也是缺省的调试模式。汇编模式；混合模式；

2/24/202538(3)调试器窗口

命令显示窗：命令窗口提供一个可以键入各种命令的区域，并显示各种信息，如进程信息、错误信息或命令输出。代码显示窗：显示汇编语言代码或C语言代码。数据显示窗：观察和修改各种类型的数据。

(4)调试器使用方法简介

调试器配置：包括内存配置和显示配置，其中内存配置尤为重要。装入程序：装入的是编译汇编链接后生成文件。

2/24/202539运行程序：方法主要有：RUN、RUNB、GO、单步运行等。

观察运行结果；编辑和更改数据。2、软仿真器(Simulation)软仿真器是一种模拟DSP芯片各种功能并在非实时条件下进行软件调试的调试工具，它不需要目标硬件支持，只需在计算机(如PC)上运行，是一种廉价方便的调试工具。

2/24/2025403、入门套件(DSK，DSPStarterKit)入门套件是TI公司提供给初学者进行DSP编程练习的一套根本的实时软件调试工具。DSK板上除了有一片DSP芯片之外，还提供了可用于声音输入和输出接口的模数模接口芯片，即A/D和D/A转换芯片；DSK可以与PC机进行通信，在PC上汇编后的程序可以通过串行或并行接口下载到DSP芯片的内部RAM执行。4、评价模块(EVM)2/24/2025415、仿真器(XDS)仿真器，即扩展开发系统，可用来进行系统级的集成调试，是进行DSP芯片软硬件开发的最正确工具。目前采用边界扫描仿真接口(JTAG)进行仿真。扫描仿真器不采用插入仿真的方法，而是利用DSP芯片上提供的几个仿真引脚，通过串口访问的移位存放器，依次构成扫描通道。该扫描通道提供对内部的器件存放器和状态机的访问，允许完全的可观察和控制。2/24/202542XDS510/XDS510WS就属于扫描仿真器，可以对TMS320C2XX、TMS320C3X、TMS320C4X、TMS320C5X、TMS320C54X、TMS320C8X和TMS320C6X等片种实施全速扫描式仿真。

2/24/202543TI提供的一套XDS510仿真器包括：

XDS510仿真器的PC板(占用PC一个插槽)；IEEE1149.1(JTAG)或