DSP-TMS320F2812原理与应用

DSP教程选用教材:《TMS320x28xxx原理与开发》作者苏奎峰等电子工业出版社书号ISBN978-7-121-08403-4参考书与相关网址•TMS320F2812原理与开发,苏奎峰,电子工业出版社•TMS320C28x系列DSP的CPU与外设(上/下),张卫宁,清华大学出版社,2005•TMS320F2812DSP原理与应用实例,三恒星科技编著,电子工业出版社,2009.2•TMS320LF/LC24系列DSP的CPU与外设,徐科军,清华大学出版社,2004•••DSP实验课(16学时)预约时间：电工电子实验中心什么是数字信号处理器?•数字信号处理(DigitalSignalProcessing)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•数字信号处理器(DigitalSignalProcessor)是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器芯片，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法1.1计算机芯片的简单分类•微处理器(µP)例如：DSPs•微控制器(µC)例如：单片机µP/µC--总线结构一个由多IC构成的处理系统的核心器件(芯片)2种基本的总线结构:•VonNeumann-冯.诺依曼•Harvard–哈弗VonNeumann:•数据、代码共享内存空间•数据、代码共享内存总线•Example:Intel‘sx86PentiumProcessorfamilyHarvard:•数据、代码独立存储空间•数据、代码独立存储总线1.2DSPs-数字信号处理器改进的哈佛总线结构：多总线访问机制流水线操作专用的硬件乘法器(MPY)特殊的DSP指令快速的指令周期结论：DSPs追求快速、实时的数据处理能力和数据传输能力。典型的DSP算法AlgorithmEquationFiniteImpulseResponseFilterMkkknxany0)()(InfiniteImpulseResponseFilterNkkMkkknybknxany10)()()(ConvolutionNkknhkxny0)()()(DiscreteFourierTransform10])/2(exp[)()(NnnkNjnxkXDiscreteCosineTransform10122cos).().(NxxuNxfucuF1.3微控制器(µC)用来实现实时控制的计算机芯片集成CPU以及输入、输出接口在嵌入式应用中具有较高的性价比传统意义上的µC片内没有硬件乘法器2种总线结构(VonNeumann和Harvard)广泛应用于Microcontrollers相对而言，运算能力较弱，接口能力较强2数字信号控制器(DSC)•DSC：以数字信号处理器(DSPs)为内核，片内集成多种外设的单芯片微型计算机•DSPs的高速运算处理能力、微控制器的丰富外设接口、增强的中断管理相结合，获得了高效的嵌入式实时处理和实时控制解决方案•DSC–Example:TiC2000系列DSPs3数字信号处理的实现方法•在通用的计算机(如PC机)上用软件(如Fortran、C语言)实现：速度中等•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•用通用的单片机(如MCS-51、96系列等)实现：仅限于简单算法•用通用的可编程DSP芯片实现：广泛应用•用专用的DSP芯片实现：应用受限制•现场可编程门阵列(FPGA)：高速、广泛应用•专用集成电路(ASIC)：高速、专用、高价格数字信号处理的实现方法实现方法速度应用场合适应性性价比PC机高级语言编程中等非嵌入式复杂算法较好PC机＋高速处理硬件＋专用指令较快非嵌入式复杂算法中等单片机汇编语言编程慢嵌入式简单算法较好通用DSP专用指令较快嵌入式复杂算法好专用DSP硬件＋专用指令较快嵌入式复杂算法中等FPGA高级语言编程快嵌入式复杂算法中等ASIC专业制造快嵌入式复杂算法较低DSP芯片的主要应用领域•（1）信号处理•（2）图像处理•（3）仪器•（4）声音/语言•（5）控制•（6）军事应用•（7）电信•（8）无线电数字滤波卷积相关希尔伯特变换FFT自适应滤波加窗波形产生DSP芯片的主要应用领域•（1）信号处理•（2）图像处理•（3）仪器•（4）声音/语言•（5）控制•（6）军事应用•（7）电信•（8）无线电三维旋转机器人视觉图像传输/压缩同态处理模式识别工作站动画/数字地图DSP芯片的主要应用领域•（1）信号处理•（2）图像处理•（3）仪器•（4）声音/语言•（5）控制•（6）军事应用•（7）电信•（8）无线电频谱分析函数发生器模式匹配地震信号处理数字滤波锁相环DSP芯片的主要应用领域•（1）信号处理•（2）图像处理•（3）仪器•（4）声音/语言•（5）控制•（6）军事应用•（7）电信•（8）无线电声码器语音识别语音增强语音合成DSP芯片的主要应用领域•（1）信号处理•（2）图像处理•（3）仪器•（4）声音/语言•（5）控制•（6）军事应用•（7）电信•（8）无线电数值控制声控伺服控制机器人控制激光打印机控制发动机控制DSP芯片的主要应用领域•（1）信号处理•（2）图像处理•（3）仪器•（4）声音/语言•（5）控制•（6）军事应用•（7）电信•（8）无线电雷达处理声纳处理图像处理导航导弹制导高频调制解调器保密通讯DSP芯片的主要应用领域•（1）信号处理•（2）图像处理•（3）仪器•（4）声音/语言•（5）控制•（6）军事应用•（7）电信•（8）无线电数字交换机线路转发器解调器通道多路复用1200至19200bps调制自适应均衡传真扩频通讯DSP芯片的主要应用领域•（1）信号处理•（2）图像处理•（3）仪器•（4）声音/语言•（5）控制•（6）军事应用•（7）电信•（8）无线电全球定位导航数字无线电/TVDSP系统基本构成输入抗混叠滤波A/DDSP存储器D/A平滑滤波输出DSP系统构成及设计方法输入信号处理A/DD/ADSP输出信号处理输入输出存储器通讯及人机接口功能及指标软件结构用户接口硬件结构外输入接口自下而上从设计者看DSP系统设计方法功能及指标软件结构用户接口硬件结构外输入接口软硬件交界面从设计者看DSP系统设计方法DSP总体设计框图系统需求说明书定义技术指标选择DSP芯片及外围芯片软件设计说明书硬件设计说明书软件编程与测试硬件电路与调试系统集成系统测试，样机、中试与产品硬件系统设计框图确定硬件方案器件选型原理图设计PCB板设计硬件调试A/D，D/A内存，逻辑控制通信，总线人机接口系统设计实例医学图像监视系统存储器主CPU视频存储数据转换信号调理专用电路从CPU从CPU显示驱动显示器从CPU控制通讯接口专用电路图像处理输入输出C28x系列需求分析系统结构选择系统总体构成软硬件设计系统调试试运行交付使用系统设计的一般方法DSP芯片主要特点•在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法•程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据•片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问•具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持•快速的中断处理和硬件I/O支持•具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器•可以并行执行多个操作•支持流水线操作，使取指、译码和执行操作可以重叠执行DSP的优缺点•优点：大规模集成性、稳定性好精度高可编程性高速性能可嵌入性接口和集成方便•缺点：成本较高高频时钟的高频干扰功率消耗较大等软件代价较大DSP芯片的发展历史•世界上第一个单片DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的S2811•1980年，日本NEC公司推出的μPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片•美国德州仪器（TexasInstruments）公司为世界上最大的DSP芯片供应商，其DSP市场份额占全世界份额近50％，•AD公司的ADSP2101，ADSP2111,ADSP2171,ADSP21000等系列；Motolora公司的MC56001，MC96002等DSP芯片的发展•完成乘加操作的时间下降到10ns以下•乘法部件占模片区从40％下降到5％•引脚数从64增加到200以上•重量和体积大大下降•采用低电压，功耗大大下降500K50K集成晶体管数0.45mW/MIPS12.5mW/MIPS250mW/MIPS功耗$5.00~$25.00$15.00$150.00价格16K字4K字1.5K字内部ROM32K字1K字144字内部RAM100MHz80MHz20MHzMHz100MIPS40MIPS5MIPSMIPS0.3μmCMOS0.8μmCMOS4μmNMOS制造工艺1999年1992年1982年年份TIDSP芯片发展比较表TMS320系列主要芯片发展DSP分类通用专用定点（Fixed）浮点（Floating）按基础特性：按数据格式：按用途：一致性（兼容性）静态DSP的性能指标•运算速度•DSP芯片的价格•DSP芯片的硬件资源•DSP芯片的运算精度•DSP芯片的开发工具•DSP芯片的功耗•其它：DSP的性能指标•DSP芯片的运算速度–指令周期：即执行一条指令所需的时间–MAC时间：即一次乘法加上一次加法的时间–FFT执行时间：即运行一个N点FFT程序所需的时间–MIPS：即每秒执行百万条指令–MOPS：即每秒执行百万次操作–MFLOPS：即每秒执行百万次浮点操作–BOPS：即每秒执行十亿次操作DSP的性能指标•价格–商业级：一般应用；适用于实验室等环境较好场合；–工业级：可靠性好；适用于工业现场等环境恶劣场合；–军品：可靠性高；适用于各种恶劣场合；–宇航级：可靠性很高；适用于特殊场合；DSP的性能指标•硬件资源–内存：RAM、ROM、Flash等–寄存器：通用、特殊功能–I/O数量：单向、双向–寻址能力：直接、间接–定时器、计数器：–通讯接口：–内置功能单元：A/D、D/A等DSP的性能指标•运算精度–CALU：–寄存器：–硬件乘法器：–片内RAM：•开发工具•功耗DSP的性能指标•其它–封装的形式：–质量标准：–供货情况：–生命周期：DSP的运算量•运算量是DSP芯片处理能力的标志•一个采用LMS（LeastMeanSquare）最小均方算法的256抽头的自适应FIR（FiniteImpulseResponse）滤波器DSP的运算量•假定：3个MAC/抽头•则：256×3＝768个MAC周期•设：采样频率为8kHz，即样点之间的间隔为125μs；采样频率为44.1kHz，即样点之间的间隔为22.7μs用DSP芯片实现数字滤波应用领域采样率(kHz)采样周期(μs)运算量(MAC)MAC周期＝200ns指令数MAC周期＝50ns指令数MAC周期＝25ns指令数语音812576862525005000声频44.122.7768113453907编写C语言源程序优化ANSIC编译器汇编语言汇编器生成目标文件链接器生成TMS320汇编文件编写TMS320汇编源程序宏汇编源文件文档管理器宏汇编库输出执行文件调试器TMS320目标系统写EEPROM软件仿真软件开发系统评测模块EVM系统仿真XDS软件系统设计框图DSP芯片的基本结构和特征•DSP芯片的基本结构–哈佛结构–流水线操作–专用的硬件乘法器–特殊的DSP指令–快速的指令周期冯·诺曼（VanNeuman）结构CPU程序存储器数据存储器控制命令地址线数据线哈佛结构CPU程序存储器控制命令地址线程序总线数据存储器控制命令地址线数据总线流水线•流水线深度从2~6级不等•多个指令重叠进行，理想情况下，K段流水能在K+N-1个周期内，处理N条指令流水线专用的硬件乘法器•在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周期来完成•DSP具有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成特殊的DSP指令•DMOV——延迟操作•L