北方工业大学《DSP技术及应用》课件

1电子信息工程系DSP技术及其应用教师：叶青2参考书目TMS320C54xDSP应用技术教程叶青黄明宋鹏机械工业出版社DSP应用技术赵红怡电子工业出版社TMS320C54xDSP结构、原理及应用戴明桢北京航天航空大学出版社TMS320C54XDSP应用程序设计与开发刘益成北京航天航空大学出版社CCS集成开发环境CCS开发指南尹勇北京航天航空大学出版社DSP实时多任务操作系统设计与实现邬可军电子工业出版社高性能DSP与高速实时信号处理苏涛西安电子科技出版社数字信号处理器原理吴敏渊电子工业出版社TMS320C54xDSP原理设计与应用孙宗瀛清华大学出版社TMS320C6000系列DSPs原理与应用李方慧电子工业出版社嵌入式实时操作系统uc/os-II第二版邵贝贝北京航天航空大学出版社基于DSP的现代电子系统设计戴逸民电子工业出版社DSP芯片的原理与开发应用张雄伟电子工业出版社DSP控制器原理及应用宁改梯科学出版社……3成绩的考查方法及评定标准1、考试，占总成绩的50%。2、实验报告、大作业，占总成绩的50%。4第1章绪论第2章DSP系统设计概述第3章TMS320C54X的硬件结构第4章TMS320C54X指令系统第5章CCS集成开发环境及其使用第6章TMS320C54X的软件开发与设计教学内容安排5第1章DSP概述1.1数字信号处理概述1.2数字信号处理器第1章DSP概述6第1章DSP概述1.1数字信号处理概述数字信号处理(DigitalSignalProcessing，简称DSP)，也就是对信号的数字处理，它是从20世纪60年代发展起来的一门涉及到许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字的形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以便提取有用的信息并进行有效的传输与应用。数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展；反过来，数字信号处理越来越广泛的应用需求又促进了数字信号处理理论的不断提高。71、信号信号是传输信息的函数，是信息的物理表现形式；而信息是信号的具体内容，通俗地讲，信息就是有用的消息。信息是一个十分抽象而又复杂的概念，它包含在消息之中，是通信系统中传送的对象，是客观世界的第三要素；其特点是无形的，可共享的，无限的，可度量的。消息不等于信息，同一消息可含有不同的信息量。2、信号的分类依载体：电信号、磁信号、声信号、光信号、热信号、机械信号。依变量个数：一维、二维、多维（矢量）信号。1.1数字信号处理概述8依周期性：周期信号x(t)=x(t+kT);非周期信号。依是否为确定函数：确定信号；随机信号。依能量或功率是否有限：能量信号；功率信号。无论是用模拟方法还是用数字方法，都是将所研究的信号先变成电信号，即所谓模拟信号。因此，可把信号分为模拟信号和数字信号两类。3.模拟信号用电压或电流去模拟其他物理量，如声音、温度、压力、图象等所得到的信号。4.数字信号在时间上和幅度上都是离散的信号。它可由模拟信号经离散和量化得到，亦可客观存在。本质上，它只是一系列的“数”。5.两者关系模拟经A/D变换得数字；数字经D/A变换得模拟。6.数字信号处理通俗地讲，处理就是加工，因数字信号常表示成序列，加工实际上就是相加、相乘和位移。9数字信号处理的学科概貌1.信号的采集实现信号的数字化，包括取样、量化。2.信号的分析信号描述与运算，各种变换，时、频域分析。3.系统分析线性系统与非~，时变系统与非~，线性时（移）不变系统，因果系统与非~，线性时（移）不变因果系统。4.快速算法FFT,WFT,快速卷积、相关算法。5.数字滤波技术(1)IIR数字滤波器的分析与设计；(2)FIR数字滤波器的分析与设计。6.信号的频谱分析与估值确定信号：谱分析；随机信号：相关计算、谱估计。7.特殊算法反卷积，信号重构。10第1章DSP概述1.1数字信号处理概述DSP既是DigitalSignalProcessing（数字信号处理）的缩写，也是DigitalSignalProcessor（数字信号处理器）的缩写。前者指数字信号处理的理论和方法，后者则指用于数字信号处理的可编程微处理器，简称数字信号处理器。DSP这一英文缩写主要用来指数字信号处理器。DSP技术，则是指使用通用DSP处理器或基于DSP核的专用器件，来实现数字信号处理的方法和技术，完成有关的任务。1.1.1数字信号处理的概念及其发展11第1章DSP概述1.1数字信号处理概述自从20世纪70年代微处理器诞生以来，一直沿着三个方向发展:通用CPU：微型计算机中央处理器（如使用最多的奔腾等）。微控制器(MCU)：单片微型计算机（如MCS-51、MCS-96、MSP430系列等）。DSP：可编程的数字信号处理器。这三类微处理器虽然在技术上不断地相互借鉴和交融，但它们又有各自的特点和应用领域。1.1.1数字信号处理的概念及其发展12第1章DSP概述1.1数字信号处理概述由于DSP实现技术在数字运算处理速度上，具有不可比拟的优势，因此，即使在整个半导体产品增长趋缓的情况下，DSP处理器还在以较快的速度增长。DSP技术的发展是数字信号处理理论研究与应用需求相互作用的结果。1.1.1数字信号处理的概念及其发展一方面是数字信号处理的理论和方法近年来得到了迅速发展。另一方面是DSP处理器性能的提高。DSP技术的发展在上述两方面是互相促进的，理论和算法的研究推动了应用，而应用的需求又促进了理论的发展。13第1章DSP概述1.1数字信号处理概述与模拟信号处理相比，数字信号处理具有如下一些明显的优点：1.精度高2.可靠性高3.灵活性强4.易于大规模集成5.可获得高性能指标数字信号处理与模拟信号处理相比尽管具有以上诸多优点，但从根本上说，数字信号处理也有其局限性，模拟信号处理仍然不可缺少，不可能被数字信号处理完全代替。1.1.2数字信号处理的特点14信号处理方式的比较比较因素模拟方式数字方式修改设计的灵活性修改硬件设计，或调整硬件参数改变软件设置A/D的位数和计算机字长算法精度元器件精度可靠性和可重复性受环境温度、湿度、噪声、电磁场等的干扰和影响大不受这些因素的影响大规模集成尽管已有一些模拟集成电路，但品种较少、集成度不高、价格较高DSP器件体积小、功能强、功耗小、一致性好、使用方便、性能/价格比高实时性除开电路引入的延时外，处理是实时的由计算机的处理速度决定高频信号的处理可以处理包括微波毫米波乃至光波信号按照奈准则的要求，受S/H、A/D和处理速度的限制15第1章DSP概述1.1数字信号处理概述数字信号处理的实现方法可以分为三类：软件实现法、硬件实现法和软硬件结合实现法。具体实现方式一般有以下几种：1.在通用的计算机上用软件实现。2.在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现。3.用通用的单片机(如MCS-51、MCS-96、MSP430系列等)实现。4.用通用可编程DSP处理器实现。5.用专用DSP处理器实现。6.用FPGA等可编程逻辑阵列器件来实现。7.用专用集成电路ASIC实现。8.片上系统SoC。1.1.3数字信号处理的实现方法16第1章DSP概述1.2数字信号处理器数字信号处理器是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。1.2.1数字信号处理器的定义结构上进行了优化，更适宜完成乘加累积运算主频足够快，能实时完成各种数字信号处理可以毫不夸张地说，DSP处理器自20世纪80年代初诞生以来，在这30年的时间里，对通信、计算机、控制等各个领域的技术发展起到了十分重要的作用。17第1章DSP概述1.2数字信号处理器1．哈佛结构和改进的哈佛结构2．多总线结构3．流水线技术4．多处理单元5．特殊的DSP指令6．指令周期短7．运算精度高8.硬件配置强1.2.2DSP处理器的特点18第1章DSP概述1.2数字信号处理器1．哈佛结构和改进的哈佛结构1.2.2DSP处理器的特点DSP处理器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，比通用微处理器的冯·诺伊曼结构有更快的指令执行速度。(1)冯·诺伊曼结构（VonNeumannArchitecture）以奔腾为代表的通用微处理器，其程序代码和数据共用一个公共的存储空间和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的，这样的结构称为冯·诺伊曼结构，如图1-1(a)所示。当进行高速运算时，取指令和取操作数是分时操作的，这样很容易造成数据传输通道的瓶颈现象，其工作速度较慢。19第1章DSP概述1.2数字信号处理器1．哈佛结构和改进的哈佛结构1.2.2DSP处理器的特点(2)哈佛结构（HarvardArchitecture）和改进的哈佛结构（ModifiedHarvardArchitecture）DSP处理器将程序代码和数据的存储空间分开，各空间有自己独立的地址总线和数据总线，可独立编址和独立访问，可对程序和数据进行独立传输，这就是所谓的哈佛结构，如图1-1(b)所示。采用哈佛结构，可同时取指令和取操作数，并行地进行指令和数据的处理，从而可以大大地提高运算的速度，非常适合于实时的数字信号处理。为了进一步提高信号处理效率，在哈佛结构的基础上，又加以改进，使得程序代码和数据存储空间之间也可以进行数据的传送，称为改进的哈佛结构，如图1-1(c)所示。20第1章DSP概述1.2数字信号处理器1．哈佛结构和改进的哈佛结构1.2.2DSP处理器的特点图1-1微处理器的结构21第1章DSP概述1.2数字信号处理器2．多总线结构1.2.2DSP处理器的特点许多DSP处理器内部都采用多总线结构，这样保证在一个机器周期内可以多次访问程序空间和数据空间，大大提高了DSP的运行速度。例如TMS320C54xDSP系列内部有P、C、D、E等4条总线，每条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。22第1章DSP概述1.2数字信号处理器3．流水线技术1.2.2DSP处理器的特点计算机在执行一条指令时，总要经过取指、译码、取数、执行运算等步骤，需要若干个指令周期才能完成。流水线技术是将各指令的各个步骤重叠起来执行，而不是一条指令执行完成之后，才开始执行下一条指令，即第一条指令取指后，在译码时，第二条指令就取指；第一条指令取数时，第二条指令译码，而第三条指令就开始取指，……，依次类推，如图1-2所示。23第1章DSP概述1.2数字信号处理器3．流水线技术1.2.2DSP处理器的特点利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证数字信号处理中用的最多的乘法累加运算可以在单个指令周期内完成。n1iiixay图1-2流水线技术示意图24第1章DSP概述1.2数字信号处理器4．多处理单元1.2.2DSP处理器的特点DSP处理器内部一般都包括多个处理单元，如算术逻辑运算单元（ALU）、辅助寄存器运算单元（ARAU）、累加器（ACC）及硬件乘法器（MUL）等。它们可以在一个指令周期内同时进行运算。DSP处理器的这种多处理单元结构，特别适用于大量乘加操作的矩阵运算、滤波、FFT、Viterbi译码等。25第1章DSP概述1.2数字信号处理器5．特殊的DSP指令1.2.2DSP处理器的特点在DSP处理器的指令系统中，设计了一些完成特殊功能的指令，以便更好地满足数字信号处理的需要。例如，TMS320C54xDSP系列中的FIRS和LMS指令，专门用于完成系数对称的FIR滤波器和LMS算法。为了实现FFT、卷积等运算，当前的DSP处理器大多在指令系统中设置了“循环寻址”及“位倒序寻址”指令和其他特殊指令，使得在进行这些运算时，其寻址、排序及计算速度大大地提高。26第1