第1章 数字信号处理和DSP系统.ppt

1、DSP原理及应用,电子信息通信学科 杜忠昀 讲师,第1章 数字信号处理和DSP系统,1.1 实时数字信号处理技术的发展,1.2 数字信号处理器的特点,1.3 德州仪器公司的DSP产品,1.4 DSP芯片的选择,1.5 DSP应用系统设计流程,1.1 实时数字信号处理技术的发展,典型实时数字信号处理系统的基本部件 DAC 数/模转换器（Digital-to-Analog Converter） ADC 模/数转换器（Analog-to-Digital Converter） 抗混叠滤波器（Anti-aliasing filter） 抗镜像滤波器（Anti-image filter）,1.1 实时数字

2、信号处理技术的发展,利用X86处理器实现实时数字信号处理 优点： 选择范围较宽 主板及外设资源丰富 多种操作系统可供选择 开发、调试较为方便 缺点： 数字信号处理能力不强 硬件组成较为复杂 系统体积、重量较大，功耗较高 抗环境影响能力较弱,1.1 实时数字信号处理技术的发展,利用通用微处理器实现实时数字信号处理 优点： 可选范围广 硬件组成简单优点 系统功耗低，适应环境能力强 缺点： 信号处理的效率较低 内部DMA通道较少,1.1 实时数字信号处理技术的发展,利用可编程逻辑阵列（FPGA）实现实时数字信号处理 优点： 适合高速信号处理 具有专用数字信号处理结构缺点 缺点： 开发需要较深的硬件基

3、础 调试难度相对大,1.1 实时数字信号处理技术的发展,利用数字信号处理器实现实时数字信号处理 DSP的两种含义 Digital Signal Processing 数字信号处理技术，强调的是对以数字形式表现的信号进行处理和研究的方法。是一门涉及许多学科且广泛应用于许多领域的新兴学科。 Digital Signal Processor 数字信号处理器，强调的是通过专用集成电路芯片，利用数字信号处理理论，在芯片上运行目标程序，实现对信号的某种处理。数字信号处理器是一种专门为实时快速实现各种数字信号处理算法而设计的具有特殊结构的微处理器,我们所学习与研究的是属于这一层概念，所涉及内容为如何利用 D

4、SP芯片进行数字信号的处理。研究的内容为DSP芯片的结构和 特点，如何通过程序编写，实现对数字信号的处理。,1.2 数字信号处理器的应用,目前DSP系统的主要应用： 基本信号处理滤波器、FFT 、窗函数等 通信调制解调、数据加密、多路复用等 语音语音编码、合成、识别、增强等 图形图像图像压缩、机器人视觉等 军事雷达信号处理、导弹制导等 仪器仪表频谱分析、锁相环等 控制自动驾驶、磁盘控制等 医疗助听、超声设备、患者监护等 家用电器智能玩具、数字电话、数字电视等,1.3 数字信号处理器的特点,存储器结构：分为两大类 冯诺依曼（Von Neumann）结构 哈佛（Harvard）结构 冯诺依曼结构处

5、理器使用同一个存储器，经由同一个总线传输。特点为：必须有一个存储器；必须有一个控制器；必须有一个运算器，用于完成算术运算和逻辑运算；必须有输入和输出设备，用于进行人机通信。 冯诺依曼主要贡献是提出并实现了“存储程序”的概念。由于指令和数据都是二进制码，指令和操作数的地址又密切相关，因此，最初选择这种结构是自然的。但是，这种指令和数据共享同一总线的结构，使得信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈，影响了数据处理速度的提高。,1.3 数字信号处理器的特点,哈佛（Harvard）结构： 与冯诺依曼结构处理器比较，哈佛结构处理器有两个明显的特点 使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块

6、都不允许指令和数据并存。 使用独立的两条并行总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条并行总线之间毫无关联。,1.3 数字信号处理器的特点,实用哈佛（Harvard）结构： 使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模数据总线块都不允许指令和数据并存，以便实现并行处理； 具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用公用地址总线访问两个存储模块（程序存储模块和数据存储模块），公用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输； 两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。,1.3 数字信号处理器的特点,在典型情况下，完成一条指令需要3个步骤，

7、即：取指令、指令译码和执行指令。对冯诺依曼结构处理器，由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取，经由同一总线传输，因而它们无法重叠执行，只有一个完成后再进行下一个。 如果采用哈佛结构处理器处理以上同样的2条指令，由于取指令和存取数据分别经由不同的存储空间和不同的总线，使得各条指令可以重叠执行，这样，也就克服了数据流传输的瓶颈，提高了运算速度。 哈佛结构强调了总的系统速度以及通讯和处理器配置方面的灵活性。数字信号处理一般需要较大的运算量和较高的运算速度，为了提高数据吞吐量，在数字信号处理器中大多采用哈佛结构。,1.3 数字信号处理器的特点,流水线 流水线结构将指令的执行分解为取指令、译码、取操

8、作数和执行等几个阶段。 TMS320C54xx DSP 采用6级流水线。 TMS320C6xxx DSP 采用8级流水线。 TMS320C55xx DSP 的流水线分为：指令流水线。执行流水线。,1.3 数字信号处理器的特点,硬件乘法累加单元 DSP任务包含大量的乘法累加操作，DSP处理器使用专门的硬件来实现单周期乘法，并使用累加器寄存器来处理多个乘积的累加。 零开销循环 DSP算法的特点之一是主要的处理时间用在程序中的循环结构中，因此多数DSP都有专门支持循环结构的硬件。所谓“零开销”（Zero Overhead）是指循环计数、条件转移等循环机制由专门硬件控制，而处理器不用花费任何时间。,1

9、.4 德州仪器公司的DSP产品,按照应用领域，DSP器件可以分为三类 应用于工业控制领域：要求DSP工作稳定、可靠、集成度高。 低成本嵌入式应用系统：如手机、MP3播放器等。 需要用复杂算法对大量数据进行处理的应用：如声呐、地震探测等。 德州仪器公司的主流DSP产品 TMS320C2x主要用于控制电机转速（强电） TMS320C5x主要用于处理声音信息（弱电） TMS320C6x主要用于处理图像信息（弱电）,1.4 德州仪器公司的DSP产品,德州仪器公司主推的三大DSP平台,1.4 德州仪器公司的DSP产品,1.4 德州仪器公司的DSP产品,TMS320C24x系列和C28系列：主要用于电机控

10、制领域 TMS320C62x系列和C64x系列：采用了增强型超长指令字结构，改进了流水线结构，支持32位或64位宽度存储器访问，最高处理能力已经达到9600MIPS TMS320C67x系列和C33系列：浮点数字信号处理器系列 TMS320C54x系列和C55x系列：低功耗16位定点数字信号处理器,1.5 DSP芯片的选择,运算速度（常见运算速度指标）： 指令周期：执行一条指令所需的最短时间，数值等于主频的倒数；指令周期常以纳秒（ns）为单位。 MIPS：每秒百万条指令数。 MOPS：每秒百万次操作数。 MFLOPS：每秒百万次浮点操作数。 BOPS：每秒十亿次操作数。 MAC时间：一次乘法累

11、加操作花费的时间。大部分DSP芯片可在一个指令周期内完成MAC操作。 FFT执行时间：完成N点FFT所需的时间。FFT运算是数字信号处理中的典型算法且应用广泛，因此该指标常用于衡量DSP芯片的运算能力。,1.5 DSP芯片的选择,算法格式和数据宽度： DSP算法格式主要分为定点算法和浮点算法两种。 定点DSP芯片价格较便宜，功耗较低，但运算精度稍低。 定点DSP芯片的数据宽度可以为16位、20位、24位或32位。 浮点DSP芯片的优点是运算精度高，但价格稍贵，功耗较大。 浮点DSP的数据宽度一般为32位。 大多数DSP处理器使用定点算法。 对于相同算法格式的DSP，数据宽度越大，精度越高。但是

12、，数据宽度与DSP尺寸、引脚数及存储器等有直接关系。数据宽度越宽，DSP尺寸越大，引脚越多，存储器要求也越高。,1.5 DSP芯片的选择,存储器 DSP芯片内部都集成一定数量的存储器，并且可以通过外部总线进行存储器扩展。 DSP内部存储器通常包括Flash存储器、RAM存储器等。 Flash存储器通常用来存储程序及重要的数据，Flash存储器是一种非易失存储器，系统掉电后还能保留所存储的信息，Flash存储器的缺点是读写速度较慢。 RAM存储器是DSP中最重要的存储器。,1.5 DSP芯片的选择,功耗 低工作电压目前DSP的工作电压有5V、3.3V、2.5V、1.8V等多种。 “休眠”或“空闲

13、”模式大多数处理器具有关断处理器部分时钟的功能以降低功耗。 可编程时钟分频器有的DSP可以在运行时动态编程改变处理器时钟频率以降低功耗。 外围控制一些DSP器件允许程序中止系统暂时不使用的外围电路功能。,1.6 DSP应用系统设计流程,1.6 DSP应用系统设计流程,确定系统性能指标根据应用目标对系统进行任务划分，进行采样率、信号通道数、程序大小的确定。 核心算法模拟和验证用C语言等高级语言或MATLAB、System View等开发工具模拟待选的或拟定的信号处理核心算法（Algorithm），进行功能验证、性能评价和优化，以确定最佳的信号处理方法。 选择DSP芯片及其系统组件选择一片合适的D

14、SP芯片是至关重要的，因为这不仅关系到系统的性能和成本，而且决定着外部存储器、各种接口、ADC、DAC、电平转换器、电源管理芯片等其它系统组件的选择。,1.6 DSP应用系统设计流程,硬件设计和调试根据选定的主要元器件建立电路原理图、设计制作PCB板图、元器件安装、加电调试。 软件设计和测试用DSP汇编语言或C语言或者两者嵌套方法生成可执行程序。用DSP 软件模拟器（ Simulator ） 、或者用DSP 仿真器（Emulator）进行程序调试。 系统测试、集成、样例生产将软件加载到硬件系统中运行，并通过用DSP仿真器（Emulator）等测试手段检查其运行是否正常、稳定，是否符合实时要求，

15、然后进行样例生产。,1.7 DSP软件开发流程,1.7 DSP软件开发流程,C编译器（C compiler）将C语言源程序自动地编译为C55 的汇编语言源程序。 汇编器（assembler）将汇编语言源文件汇编成机器语言COFF目标文件。源文件中包括汇编语言指令、汇编伪指令以及宏指令。 COFF目标文件，公共目标文件格式（Common Object File Format，COFF）。 连接器（linker）把汇编器生成的，可重新定位的COFF目标模块组合成一个可执行的COFF目标模块。当连接器生成可执行模块时，要调整对符号的引用，并解决外部引用的问题。它也可以接收来自文档管理器中的目标文件，

16、以及连接以前运行时所生成的输出模块。 文档管理器（archiver）将一组文件（源文件或目标文件）集中为一个文档文件库。如把若干个宏文件集中为一个宏文件库。汇编时，可以搜索宏文件库，并通过源文件中的宏指令来调用。也可以利用文档管理器，方便地替换、添加、删除和提取文件库文件。 助记符指令到代数式指令翻译器（mnemonic to algebraic translator utility）将包含助记符的汇编源语言源文件转换成包含代数指令的汇编语言源文件。,1.7 DSP软件开发流程,建库工具（library-build utility）用来建立用户自己用C语言编写的支持 运行库函数。连接时，用rts.src中的源文件代码和rts.lib中的目标代码提供标准的支持运行的库函数。 十六进制转换工具（hex conversion utility）可以很方便地将COFF目标文件转换成TI、Intel、Motorola或Tektronix公司的目标文件格式，转化后生成的文件可以下