第1章_如何开始DSP的学习与开发

DSP原理及应用参考书1顾卫钢，手把手教你学DSP—基于TMS320X281X，北京航空航天大学出版社2三恒星科技，TMS320F2812DSP原理与应用实例，电子工业出版社3李刚，数字信号微处理器的原理与开发，天津大学出版社，20044张雄伟，曹铁勇编著，DSP芯片的原理与开发应用（第2版），电子工业出版社，20005王念旭编著，DSP基础与应用系统设计，北京航空航天大学出版社，2001主讲内容1如何开始DSP的学习和开发2TMS320X2812的结构资源及性能3TMS320X281x的硬件设计4如何构建一个完整的工程5CCS3.3的常用操作6使用C语言操作DSP的寄存器7存储器的结构/映像及CMD文件的编写8X281x的时钟和系统控制9通用输入/输出多路复用器GPIO10CPU定时器11X2812的中断系统第1章如何开始DSP的学习和开发1.1DSP基础知识1.2DSP芯片1.3DSP系统1.4DSP产品简介1.5DSP开发平台1.6如何学好DSP？1.1DSP基础知识DSP的前身是TI公司设计的用于玩具上的一款芯片，经过二三十年的发展，在许多科学家和工程师的努力之下，如今DSP已经成为数字化信息时代的核心引擎，被广泛应用于通信、家电、航空航天、工业测量、控制、生物医学工程以及军事等许许多多需要实时实现的领域。1.1.1什么是DSP？DSP=DigitalSignalProcessingDSP=DigitalSignalProcessor1.1.3DSP与MCU/ARM/FPGA的区别DSP数字信号处理MCU单片机，价格便宜ARM擅长跑系统、界面。手持设备市场占有份额高。FPGA现场可编程逻辑阵列，开发数字电路，提高系统可靠性。价格昂贵复杂应用场合，采用多个处理器同时运行，取长补短。1.2DSP芯片1.2.1DSP芯片的发展概况DSP芯片诞生于20世纪70年代末，至今已经得到了突飞猛进的发展，并经历了以下三个阶段。第一阶段，DSP的雏形阶段（1980年前后）。1978年AMI公司生产出第一片DSP芯片S2811。1979年美国Intel公司发布了商用可编程DSP器件Intel2920,由于内部没有单周期的硬件乘法器，使芯片的运算速度、数据处理能力和运算精度受到了很大的限制。运算速度大约为单指令周期200~250ns，应用领域仅局限于军事或航空航天部门。这个时期的代表性器件主要有：Intel2920（Intel）、PD7720（NEC）、TMS32010（TI）、DSP16（AT&T）、S2811（AMI）、ADSp—21（AD）等。1.2DSP芯片1.2.1DSP芯片的发展概况第二阶段，DSP的成熟阶段（1990年前后）。这个时期的DSP器件在硬件结构上更适合数字信号处理的要求，能进行硬件乘法、硬件FFT变换和单指令滤波处理，其单指令周期为80~100ns。如TI公司的TMS320C20，它是该公司的第二代DSP器件,采用了CMOS制造工艺，其存储容量和运算速度成倍提高，为语音处理、图像硬件处理技术的发展奠定了基础。20世纪80年代后期，以TI公司的TMS320C30为代表的第三代DSP芯片问世，伴随着运算速度的进一步提高，其应用范围逐步扩大到通信、计算机领域。这个时期的器件主要有:TI公司的TMS320C20、30、40、50系列，Motorola公司的DSP5600、9600系列，AT&T公司的DSP32等。1.2.1DSP芯片的发展概况第三阶段，DSP的完善阶段（2000年以后）。这一时期各DSP制造商不仅使信号处理能力更加完善,而且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步降低、成本不断下降。尤其是各种通用外设集成到片上,大大地提高了数字信号处理能力。这一时期的DSP运算速度可达到单指令周期10ns左右，可在Windows环境下直接用C语言编程,使用方便灵活，使DSP芯片不仅在通信、计算机领域得到了广泛的应用，而且逐渐渗透到人们日常消费领域。目前,DSP芯片的发展非常迅速。硬件方面主要是向多处理器的并行处理结构、便于外部数据交换的串行总线传输、大容量片上RAM和ROM、程序加密、增加I/O驱动能力、外围电路内装化、低功耗等方面发展。软件方面主要是综合开发平台的完善，使DSP的应用开发更加灵活方便。1.2DSP芯片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年年份芯片发展简表1.2.2DSP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,其主要特点如下：1．采用哈佛结构DSP芯片普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构或改进的哈佛结构,比传统处理器的冯·诺伊曼结构有更快的指令执行速度。1.2DSP芯片1．采用哈佛结构(1)冯·诺伊曼（VonNeuman）结构该结构采用单存储空间，即程序指令和数据共用一个存储空间，使用单一的地址和数据总线，取指令和取操作数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。1.2DSP芯片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1．采用哈佛结构(1)冯·诺伊曼（VonNeuman）结构图1.2.1冯·诺伊曼结构CPUI/O口ROM串行接口RAM并行接口外部存储器接口地址总线AB数据总线DB1.2DSP芯片1．采用哈佛结构（2）哈佛（Harvard）结构该结构采用双存储空间，程序存储器和数据存储器分开，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理。微处理器的哈佛结构如图1.2.2所示。1.2DSP芯片1．采用哈佛结构（2）哈佛（Harvard）结构外部管理数据总线外部管理地址总线数据总线数据地址总线程序数据总线程序地址总线CPUI/O口ROM串行接口RAM并行接口外部存储器接口图1.2.2哈佛结构外部管理数据总线外部管理地址总线数据总线数据地址总线程序数据总线程序地址总线1.2DSP芯片1．采用哈佛结构（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,增强芯片的灵活性；②提供了存储指令的高速缓冲器（cache）和相应的指令,当重复执行这些指令时,只需读入一次就可连续使用，不需要再次从程序存储器中读出,从而减少了指令执行作需要的时间。如：TMS320C6200系列的DSP,整个片内程序存储器都可以配制成高速缓冲结构。1.2DSP芯片1.2.2DSP芯片的特点2．采用多总线结构DSP芯片都采用多总线结构，可同时进行取指令和多个数据存取操作，并由辅助寄存器自动增减地址进行寻址，使CPU在一个机器周期内可多次对程序空间和数据空间进行访问，大大地提高了DSP的运行速度。如：TMS320C54x系列内部有P、C、D、E等4组总线，每组总线中都有地址总线和数据总线，这样在一个机器周期内可以完成如下操作：①从程序存储器中取一条指令；②从数据存储器中读两个操作数；③向数据存储器写一个操作数。1.2DSP芯片1.2.2DSP芯片的特点3．采用流水线技术每条指令可通过片内多功能单元完成取指、译码、取操作数和执行等多个步骤，实现多条指令的并行执行，从而在不提高系统时钟频率的条件下减少每条指令的执行时间。其过程如图1.2.3所示。时钟取指令指令译码取操作数执行指令T1T2T3T4NN-1N-2N-3N+1NN-1N-2N+2N+1NN-1N+3N+2N+1N图1.2.3四级流水线操作利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证在单指令周期内完成数字信号处理中用得最多的乘法-累加运算。如：niiixay11.2DSP芯片1.2.2DSP芯片的特点4.配有专用的硬件乘法-累加器为了适应数字信号处理的需要，当前的DSP芯片都配有专用的硬件乘法-累加器，可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作，从而可实现数据的乘法-累加操作。如矩阵运算、FIR和IIR滤波、FFT变换等专用信号的处理。5.具有特殊的DSP指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，专门用于完成系数对称的FIR滤波器和LMS算法。1.2DSP芯片1.2.2DSP芯片的特点6．快速的指令周期由于采用哈佛结构、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以下。如：TMS320C54x的运算速度为100MIPS，即100百万条/秒,TMS320F2812的运算速度为150MIPS。7．硬件配置强新一代的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（HPI）、DMA控制器、软件可编程等待状态发生器等片内外设外，还配有中断处理器、PLL、片内存储器、测试接口等单元电路，可以方便地构成一个嵌入式自封闭控制的处理系统。1.2DSP芯片1.2.2DSP芯片的特点8．支持多处理器结构为了满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；9．省电管理和低功耗DSP功耗一般为0.5~4W，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。1.2DSP芯片1.2.3DSP芯片的分类为了适应数字信号处理各种各样的实际应用，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.按基础特性分类2.按用途分类3.按数据格式分类1.2DSP芯片1.2.3DSP芯片的分类1．按基础特性分类这种分类是依据DSP芯片的工作时钟和指令类型进行的。可分为静态DSP芯片和一致性DSP芯片。如果DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率上都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称之为静态DSP芯片。例如，TI公司的TMS320系列芯片、日本OKI电气公司的DSP芯片都属于这一类芯片。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DSP芯片。例如，TI公司的TMS320C54x。1.2DSP芯片1.2.3DSP芯片的分类2.按用途分类按照用途，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编程的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芯片：是为特定的DSP运算而设计，通常只针对某一种应用，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。1.2DSP芯片1.2.3DSP芯片的分类3．按数据格式分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DSP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——浮点DSP芯片。不同的浮点DSP芯片所采用的浮点格式有所不同，有的DSP