第1章 DSP处理器原理应用

主要内容第一章绪论第二章DSP芯片的结构原理第三章TMS320C54x指令系统第四章TMS320C54x的软件开发与设计第五章DSP硬件系统设计第六章DSP集成开发环境CCS的使用实验环节：三次第一章绪论什么是DSP？数字信号处理的实现方法数字信号处理系统的特点DSP的硬件结构与软件特点DSP系统的设计思路DSP芯片技术的发展DSP芯片的选择DSP芯片的主要优点与应用领域主要内容：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。一、什么是DSP？1、数字信号处理（DigitalSignalProcessing—DSP）DSP包括两层概念本课程属于这一层概念，所涉及内容为如何利用DSP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。2、数字信号处理器（DigitalSignalProcessor——DSP）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。二、数字信号处理的实现方法1、在通用的微型计算机（PC机）上用软件（如C、Fortran语言）实现。缺点：使用场合受限。2、用单片机（如MCS-51、96系列等）实现。缺点是：只用于简单数字信号处理。3、用通用的可编程DSP芯片实现。DSP芯片有更适合于数字信号处理的软件和硬件资源，非常适合于通用数字信号处理的开发，为数字信号处理的应用打开了新局面。4、用于极高速信号处理的专用DSP芯片。缺点：灵活性差，开发工具不完善。5、用FPGA等产品实现数字信号处理算法。缺点：专用性太强，而且这种方法的研发工作也主要不是由一般的用户来完成的。三、数字信号处理系统的特点精度高可靠性强集成度高接口方便灵活性好保密性好时分复用DSP芯片发展状况1）DSP雏形（1980前后）FFT理论的发展和MPU的运用2）DSP成熟（1990前后）各个厂家推出自己的DSP产品：TI的TMS320C20、30、40、50系列；MOTO的DSP56003）DSP完善（2000后），速度提高到10nS，可用C编程等。四、DSP的硬件结构与软件特点1、DSP硬件结构总线结构存储器配置CPU结构片上外设DSP总线结构CPU存储器和外设ABDB冯诺依曼结构目的：iiixay哈佛结构程序存储器CPU数据存储器PABDABPBDB改进的哈佛结构CPU程序存储器数据存储器DBPBPABDAB一条程序总线多条数据总线TMS320系列的哈佛结构DSP片上内存按使用功能程序空间数据空间存储器分类按访问形式ROMRAMSARAMDARAMRAM工作方式用作高速缓存针对程序或数据量大的应用用作固定地址映射的存储器针对消耗存储资源相对小的应用外部扩展存储器解决片内存储器资源不足明显影响DSP的性能•外部存储器的速度相对较慢一般需要插入额外的等待时钟•外部总线一般只有一套程序取指和数据读写只能分时进行CPU结构算术逻辑单元(ALU)实现二进制补码运算和布尔(Boolean)运算累加器存储ALU和乘加模块的输出ALU的输入乘加模块的输入桶形移位器实现输入数据的移位乘法器比较选择存储单元（CSSU）完成数据的比较及测试功能程序地址产生单元加法器数据地址产生单元特殊硬件模块指令流水线（4级）指令周期第1条指令1第2条指令第3条指令第4条指令取指译码取数执行取指译码取数执行取指译码取数执行取指译码取数执行234567DSP片上外设主机接口串行口DMA中断逻辑定时器，时钟逻辑……2、DSP软件特征处理器指令分类复杂指令集（CISC）精简指令集（RISC）复杂指令集特点（CISC）简化编程一条指令可以在处理器内部执行一系列操作有效利用存储空间复杂指令集优点比硬件实现控制单元经济程序编写易于实现易于向下兼容简化任务程序简化编译器复杂指令集缺点不同指令需要不同的执行时间，有可能会降低系统的整体性能为保证指令向下兼容，指令集和芯片硬件复杂部分指令利用率低条件码作为指令的副产物，耗费时间精简指令集特点（RISC）指令长度相同，取指可以一次操作完成指令集简单单周期指令，便于流水操作大量使用寄存器精简指令集优点硬件更简单，从而可增加芯片的集成度速度更快。在相同的半导体技术和时钟速率下，采用简化指令集可使流水工作的、超标量体系结构设计的RISC性能达到CISC的2-4倍。指令周期更短DSP指令：综合了CISC和RISC的优点大多数DSP指令是复合指令一般具有多种灵活的寻址方式指令长度和指令执行时间可以不一样采用流水操作，指令多为单周期指令片内存储器一般为固定地址映射的存储器，指令的操作时间可以严格预测复合指令形式便于编制出高效率的汇编程序程序的可读性差指令依赖硬件结构，可移植性较差DSP软件设计一般采用任务驱动的思路逐渐引入高级语言编程规范和软件工程概念•指令集多采用助记符指令形式或算术指令形式•为防止和减少流水线冲突，需对指令进行重排五、DSP系统的设计思路抗混叠滤波器A/D转换器DSPD/A转换器重建滤波器模拟输入模拟输出基本数字信号处理系统抗混叠滤波器DSPD/A转换器重建滤波器A/D转换器数字I/O存储器通信、人机接口DSP系统译码与时序、逻辑控制总线模拟输入模拟输出典型数字信号处理系统1、总体方案设计DSP应用定义系统性能指标选择DSP芯片软件编程硬件设计软件调试硬件调试系统集成系统调试技术指标的确定系统采样频率信号频率最复杂的算法所需最大时间对实时程度的要求片内、外RAM的容量数据量及程序的长短16、32位定点、浮点运算系统所要求的精度输入输出端口要求计算、控制选定DSP芯片型号成本供货能力技术支持开发系统体积功耗工作环境温度DSPA/DD/ARAM性能指标其它因素的考虑总体设计算法仿真高级语言Matlab最佳算法初步参数系统初步分工软件硬件2、软件设计阶段源程序汇编器汇编目标文件链接器连接调试器调试代码转换C语言汇编语言混合语言代码写入EEPROM可执行文件软件仿真反复3、硬件设计阶段确定最优硬件实现方案画出硬件系统框图性能指标工期成本等硬件实现方案器件的选型DSP芯片、A/DD/A、内存、电源、逻辑控制、通信、人机接口、总线等DSP芯片根据是用于控制还是计算目的，选择：不同的厂商不同系列不同工作频率不同工作电压不同工作温度采用定点或浮点型芯片器件的选型原则(1)A/D变换根据采样频率、精度：确定A/D型号是否要求片上自带采样保持器多路器基准电源等。D/A变换根据信号频率、精度：是否要求基准电源多路器输出运放等。器件的选型原则(2)存储器RAM、EPROM、EEPROM、FlashMemory，主要考虑：工作频率内存容量位长（8位/16位/32位）接口方式（串行/并行）、工作电压（5V/3.3V或其他）。器件的选型原则(3)逻辑控制先确定所用器件:如CPLD、EPLD或FPGA；再根据自己的特长和公司芯片的特点决定采用哪家公司的哪一系列产品；最后根据DSP芯片的频率决定芯片的工作频率，并以此来确定使用的芯片。器件的选型原则(4)通信接口根据与其他系统通信的速率决定采用的通信方式：串口、并口、总线器件的选型原则(5)总线选择根据使用场合、数据传输速率的高低（总线宽度、频率高低、同步方式等）选择：PCIISA其他人机接口可以通过单片机构成通信，也可在DSP的基础上直接构成。键盘显示器等电源选取主要考虑电压的高低和电压的大小。电压高低要匹配电流容量要足够器件的选型原则(6)必须清楚了解器件的使用和系统的开发，对于关键环节要做仿真。原理图设计PCB板设计要求DSP系统设计人员既要熟悉系统工作原理，又要清楚布线工艺和系统结构设计。软、硬件调试借助仿真工具或开发工具进行软、硬件仿真调试时，往往要反复多次调试。4、系统集成（1）系统集成是将软硬件结合起来，并组合成样机，在实际系统中运行，进行系统测试。（2）如果系统测试结果符合设计指标，则样机设计完毕。（3）由于在软硬件调试阶段调试的环境是模拟的，因此在系统测试时往往会出现一些问题，应找出原因，不断改进。六、DSP芯片技术的发展1978年，AMI公司生产的S2811；1979年美国Intel公司的商用可编程器件2920；这两种是DSP芯片的一个主要里程碑。特点：没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出μPD7720。特点：是第一片具有乘法器的商用DSP芯片。1982年，美国德州仪器公司（TexasInstruments—TI）推出第一代DSPTMS320010及其系列产品，目前已发展到第六代。TI公司的系列DSP产品已经成为了当今世界最有影响的DSP芯片，其DSP市场占有量占全世界份额的近50%，成为世界上最大的DSP芯片供应商。1982年，日本东芝公司推出浮点DSP芯片。1984年，AT&T公司推出DSP32，是较早的具备较高性能的浮点DSP芯片。1986年，Motorola公司推出了定点DSPMC56001。1990年，推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC96002。美国模拟器件公司（AnalogDevices—AD）相继推出了定点DSP芯片ADSP21xx系列，浮点DSP芯片ADSP210xx系列。20多年来，DSP芯片得到了迅猛发展，主要体现在以下方面：1、生产工艺上采用1µm以下的CMOS制造工艺技术和砷化镓集成电路制造技术，使集成度更高，功耗更低，从而使高频、高速的DSP处理器得到更大的发展。2、基本结构上以RISC结构、单片并行计算机结构为主导，脉冲阵列和数据流阵列也将成为并行处理器的主要体系结构。设计、测试简单，易模块化，易于实现流水线操作和多处理器结构。RISC：ReducedInstructionSetComputer精简指令集计算机CISC：ComplexInstructionSetComputer复杂指令系统计算机3、模拟/数字混合集滤波、A/D、D/A及DSP处理于一体，将成为DSP发展的主要方向，是DSP厂商的主要增长点。4、DSP技术与ASIC技术融合在DSP芯片中嵌入ASIC模块，进一步扩大DSP逻辑控制功能。5、代码兼容性将推出更新的、更强大的优化C编译器来适应不同型号的DSP代码生成，各种DSP的开发、加速、并行处理插件板也将大量涌现。ASIC:Application-SpecificIntegratedCircuit专用集成电路七、DSP芯片的选择设计DSP应用系统，选择DSP芯片是非常重要的一个环节。只有选定了DSP芯片才能进一步设计其外围电路及系统的其它电路。选择原则：根据实际应用系统需要、应用场合、目的，选择满足所需功能、成本低、耗电小、使用方便、有技术支持、升级方便的芯片。CAN:ControllerAreaNetwork即控制器局域网，是应用最广泛的现场总线之一。TI公司的DSP芯片1、主要的DSP芯片种类TI公司常用的DSP芯片可以归纳为三大系列：称为DSP控制器，集成了flash存储器、高速A/D转换器以及可靠的CAN模块及数字马达控制的外围模块，适用于三相电动机、变频器等高速实时工控产品等需要数字化的控制领域。（1）TMS320C2000系列（2）TMS320C5000系列是16位定点DSP。主要用于通信领域，如IP电话机和IP电话网关、数字式助听器、便携式声音/数据/视频产品、调制解调器、手机和移动电话基站、语音服务器、数字无线电、小型办公室和家庭办公室的语音和数据系统。（3）TMS320C6000系列采用新的超长指令字结构设计芯片。其中2000年以后推出的C64x，在时钟频率为1.1GHz时，可达到8800MIPS以上，即每秒执行90亿条指令。其主要应用领域为：1）数字通信完成FFT、