DSP技术原理及应用

DSP技术原理及应用河北工业大学信息工程学院目录•第1章绪论•第2章TMS320C54x的结构原理•第3章TMS320C54x硬件系统设计•第4章TMS320C54x指令系统•第5章DSP软件开发与设计第一章绪论•要求：•掌握：数字信号处理及数字信号处理器的基本概念和特点。选择dsp芯片的要素。•熟悉：定点DSP的数据格式•了解：现有各种型号DSP芯片的特征及其用途，尤其是TI公司的DSP芯片。数字信号处理器的发展及应用。第一章绪论DSP有两种理解：一、广义的理解：digitalsignalprocessing—数字信号处理二、狭义的理解：digitalsignalprocessor—数字信号处理器1.1数字信号处理：他是利用计算机或专用处理设备，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，得到符合需要的信号形式。①在通用的计算机上用软件实现。②在通用计算机系统上加上专用的加速处理机实现。③用通用的单片机实现。④用通用的可编程DSP芯片实现。⑤用专用的DSP芯片实现。⑥用/CPLD/FPGA实现。1、数字信号处理的实现方法：2、数字信号处理系统的一般组成X(t)抗混叠滤波A/D转换DSP芯片D/A转换平滑滤波X(n)Y(n)Y(t)抗混叠滤波器将输入信号X(t)中比主要频率高的信号分量滤除，避免产生信号频谱的混叠现象。A/D——将输入的模拟信号转换为DSP芯片可接收的数字信号。DSP芯片——对A/D输出的信号进行某种形式的数字处理。D/A——经过DSP芯片处理的数字样值经D/A转换为模拟量，然后进行平滑滤波得到连续的模拟信号。3、数字信号处理系统的一般设计过程DSP应用要求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测试和调试1.2数字信号处理器—DSPDSP: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.DSP的主要特点：⑴哈佛结构：CPU存储器指令和数据共用控制总线CPU程序存储器数据存储器数据地址总线控制总线程序数据总线数据数据总线数据总线地址总线程序地址总线程序/数据数据程序/数据数据高速缓存冯．诺曼结构：将指令、数据存储在同一个存储器中，统一编址，译码指令计数器提供的地址来区分是指令还是数据。取指令和取数据都访问统一存储器，数据吞吐率低。基本哈佛结构：程序和数据存储在不同的存储空间，程序存储空间和数据存储空间是两个相互独立的存储空间，每个存储空间独立编址，独立访问。冯诺曼结构基本哈佛结构改进哈佛结构⑵多总线结构对DSP来说，总线越多，可以完成的功能就越复杂。⑶流水线结构如四级流水线的操作图：DSP主要特点续时钟取指译码取操作数执行NN+1N+2N+3NNNN+1N+1N+2N-1N-1N-1N-2N-2N-3⑷多处理单元DSP内部一般都包括有多个处理单元，如算术逻辑运算单元(ALU)、辅助寄存器运算单元(ARAU)、累加器(ACC)以及硬件乘法器(MULT)单元等。它们可以在一个指令周期内同时进行运算。利用这种流水线结构，加上执行重复操作，保证了数字信号处理中用得最多的乘法累加运算可以在单个指令周期内完成。DSP主要特点续⑸特殊的DSP指令在DSP的指令系统中，设计了一些特殊的DSP指令。例如TMS320C54x中的FIRS和LMS指令，则专门用于系数对称的FIR滤波器和LMS算法。⑹指令周期短DSP广泛采用亚微米CMOS制造工艺，如TMS320C54x，其运行速度可达200MIPS。TMS320C55x，其运行速度可达400MIPS。TMS320C6414T的时钟为1GHz，运行速度达到8000MIPS。⑺运算精度高DSP的字长有16位、24位、32位。为防止运算过程中溢出，累加器达到40位。此外，一批浮点DSP，例如TMS320C3x、TMS320C4x、TMS320C67x、TMS320F283x、ADSP21020等，则提供了更大的动态范围。DSP主要特点续⑻硬件配置强新一代DSP的接口功能愈来愈强，片内具有定时器、串行口、主机接口(HPI)、DMA控制器、软件控制的等待状态产生器、锁相环时钟产生器、A/D转换以及实现在片仿真符合IEEE1149.1标准的测试仿真接口，使系统设计更易于完成。(9)低功耗许多DSP芯片都可以工作在省电方式，大大降低了系统功耗。2、DSP的分类⑴按基础特性分：DSP芯片的工作时钟（主频）和指令类型DSP的分类有三种方式：按基础特性分、按数据格式分、按用途分①静态DSP芯片：该类型在某时钟频率范围内都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能上的下降。如日本OKI电器公司的DSP和TI公司的TMS320C2XX系列；②一致性DSP：两种或更多的DSP芯片，其指令集、机器代码及管脚结构相互兼容。如美国TI公司的TMS320C54X。2、DSP的分类（续）⑵按数据格式分：DSP对数据的处理有两种格式：定点数据格式和浮点数据格式。①定点DSP芯片：数据以定点格式参加运算。②浮点DSP芯片：数据以浮点格式参加运算。不同浮点DSP所采用的浮点格式可能不同。⑶按用途分：①通用型：适合普通的DSP应用。②专用型：为特定的功能、运算而设计的。如数字滤波、卷积、FFT等。如TMS320C24x适合自动控制；MOTOLORA公司的DSP56200专用于数字滤波。3、DSP的选择选择DSP芯片时应考虑如下几个因素：⑴DSP芯片的运算速度：运算速度可以用以下几种性能指标来衡量；①指令周期：即执行一条指令所需要的时间，通常以ns为单位。②MAC时间：即完成一次乘法和一次加法时间。③FFT执行时间：即运行一个N点FFT程序所需时间。④MIPS：每秒执行百万条指令。⑤MOPS：每秒执行百万次操作。⑥MFLOPS：每秒执行百万次浮点操作。⑦BOPS：每秒执行十亿次操作。⑵DSP芯片的硬件资源；⑶DSP芯片的运算精度：参加运算的数据字长越长精度越高。⑷DSP芯片的功耗；⑸DSP芯片的开发工具；⑹DSP芯片的价格；DSP芯片发展迅速，价格下降也很快。⑺其它。封装形式、质量标准、供货情况、生命周期等。1.3定点DSP的数据格式在定点处理器中，数据采用定点表示方法，定点表示并不意味着就一定是整数表示。它有两种基本表示方法：整数表示方法和小数表示方法。整数表示方法主要用于控制操作、地址计算和其他非信号处理的应用。小数表示方法则主要用于数字和各种信号处理算法的计算中。01010111S262524232221208位定点整数表示方法：01110000S2-12-22-32-42-52-62-78位定点小数表示方法：结果=2-1+2-2+2-3=0.875结果=26+24+22+21+20=87⒈定点数的表示法定点数最常用的是Q表示法，或Qm.n表示法。n表示数的2补码的整数部分；m表示数的2补码的小数部分；1位符号位；数的总字长为m+n+1位。表示数的整数范围为（-2n~2n-1)，小数的最小分辨率为2-m。几种常用的Q表示法的格式：•0.15格式：Q0.15格式的字长为16位。位数1514131211109…….0值SI14I13I12I11I10I9….I0定点数的整数形式。最高位为符号S，接下来的Ix为15位2补码的整数，表示数的范围为（-215~215-1），最小的分辨率为1。12.3格式：Q12.3格式的字长为16位。最高位为符号S，接下来的3位为2补码的整数位，高位在前，后面的12位为2补码小数位。Q12.3格式表示数的大致范围为（-8，7），小数的最小分辨率为2-12。位数1514131211109…….0值SI3I2I1Q11Q10Q9….Q0Q15格式Q15格式的字长为16位，其每位的具体表示如下：位数1514131211109…….0值SQ14Q13Q12Q11Q10Q9….Q0最高位为符号S，接下来的为2补码的15位小数位，小数点紧接着符号位，无整数位。Q15格式表示数的范围为（-1，1），小数的最小分辨率为2-15。对于16位的定点处理器TMS320C54x来说，Q15是在程序设计中最常用的格式。TI公司提供的数字信号处理应用程序库DSPLIB就主要采用这种数据格式。⒉定点数格式的选择定点格式表示数的范围和数据的精度是确定的。表示数的范围越大，数据的精度越低，也就是说，数的范围与精度是一对矛盾。对16位的数据来说，动态范围最大的格式为整数Q.15，精度（或分辨率）最高的格式为Q15。定点格式的选择实际上就是根据Qm.n表示方法确定数据的小数点位置。⒊定点格式数据的转换有2种转换的方法：⑵若数已经是某种动态范围较小的Qm.n格式，为了与动态范围较大的Qm.n格式数进行运算，则可根据运算结果的动态范围，直接将数据右移，将数据转换成结果所需的Qm.n格式，这时原来格式的最低位将被移出，高位则进行符号位扩展。这在某些情况下会损失动态范围较小的格式的数据的精度。⑴若十进制数没有表示成任何形式的二进制数，则要表示成Qm.n格式。先将数乘以2n变成整数，然后再将整数转换成相应的Qm.n格式。例如设y=-0.625，若要表示成Q.15格式，先将-0.625乘以215得到-20480，再将-20480表示成2的补码数B000H，这也就是-0.625的Q.15格式表示；若要将-0.625表示成Q12.3格式，则将-0.625乘以212得到-2560，表示成2的补码数为F600H，这也就是-0.625的Q12.3格式表示。例如，若5.625+0.625=6.25，5和结果6.25需要采用Q12.3格式才能保证其动态范围，若0.625原来用Q15格式表示，则需要先将他表示成Q12.3后，再进行计算，自然，最后的结果也为Q12.3。1.4DSP芯片的发展及应用1、DSP的发展史20世纪60年代以前，数字信号处理技术是一门应用十分狭窄的技术，只能应用在导弹和语音识别等有限的几种系统中。60年代中期快速傅立叶算法的出现和大规模集成电路的发展，奠定了硬件完成数字信号处理算法和数字信号处理理论实用化的重要技术基础。DSP的发展分三个阶段第一阶段（1980年前后）：DSP雏形阶段第二阶段（1990年前后）：DSP成熟阶段第三阶段（2000年至今）：DSP完善阶段2、DSP的技术展望1）系统级集成DSP是潮流2）可编程DSP是主导产品3）追求更高的运算速度4）定点是主流3、DSP的应用⑴信号处理系统：数字滤波（FIR\IIR）、自适应滤波器、快速付立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、加窗、波形产生等。⑵通信：调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、波形产生等。⑶语音：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音存储等。⑷图形/图像：二维/三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等。⑸军事：保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等。⑹仪器仪表：频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等。⑺自动控制：引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。⑻医疗：助听、超声设备、诊断工具、病人监护等。⑼家用电器：高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话/电视等。DSP/多核处理器主要的生产厂家•TI(德仪)：•Zilog:•ADI:•Agere:•Freescale:•LSILogic:•ST(意法半导体):•Lucent(朗讯)：•AnalogDevice(模拟器件)：•Motorola:•Samsung：•Mi