DSP原理与应用课件

DSP原理与应用第1章概述第2章TMS320LF240x系列DSP内部资源介绍第3章DSP寻址方式及指令系统第4、5、6、7章（DSP设计开发平台）第8章数字量I/O模块第9章事件管理器模块第10章A/D转换模块第11章串行外设接口模块第12章串行通信接口模块第13章CAN控制器模块第一章TMS320LF240xDSP概述一、DSP的发展及特点1.数字信号处理系统结构低通滤波：将连续信号x（t）中的一些次要成分滤出。平滑滤波：滤出多余的高频分量，对时间域模拟信号起平滑作用。低通滤波ADCDSP平滑滤波DACx(t）y（t）2、DSP的发展和分类1）发展：1978年，AMI第一片DSP器件1979年，Intel的Intel2920是第一块脱离了通用型微处理器结构的DSP芯片。1980年，NEC的μPD7720是第一个具有硬件乘法器的商用DSP芯片。1982年，Hitachi推出浮点DSP。1982年，TI推出第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品。1986年，Motorola推出MC56001定点DSP芯片；1990年推出与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片。2）分类按DSP芯片处理的数据格式：定点DSP、浮点DSP按DSP芯片的用途：通用型：TI公司的系列DSP专用型：数字滤波、FFT等2002年全球DSP厂商排名及市场份额统计(ForwardConcepts公司)TI：43.2%(2007:50%)Agere(Lucent)：13.9%Motorola：14.1%ADI：8.9%其它:19.9%总计:48.55亿美元(销售额增长率14.1%)•DSP芯片已经在广泛的领域包括通信、计算机、电子数据处理、交通、消费等领域获得应用。2004年中国DSP市场规模为157.3亿元，无线通信仍是DSP应用的第一大领域，占60.2%。2006年全球数字信号处理DSP销售达90亿美元，2009年达到141亿美元。3、DSP的性能及特点1）哈佛总线结构（1）普通微处理器的冯·诺伊曼结构：内部地址总线内部数据总线共享的程序和数据存储器CPU控制器ALU（2）DSP的哈佛总线结构：地址发生单元数据地址总线程序地址总线程序存储器数据存储器DSP控制ALU数据总线程序总线2)、指令流水线技术（1）非流水线操作时钟周期123456789取指令NN+1N+2译码NN+1N+2执行NN+1N+2指令周期1指令周期2指令周期3（2）流水线操作(三级流水线)（四级流水线作业P56）时钟周期123456789取指令NN+1N+2N+3N+4N+5…译码N-1NN+1N+2N+3N+4N+5…执行N-2N-1NN+1N+2N+3N+4N+5…指令周期1指令周期4开始…指令周期2开始指令周期5开始…指令周期3开始指令周期6开始…3）硬件乘法器在数字信号处理的算法中（如FFT），需要做大量的乘法和加法。显然，乘法速度越快，数据处理能力就越强。而在一般的微处理器中，根本就没有乘法指令，即使有乘法指令的处理器，其乘法指令的执行时间也较长。DSP器件一般都有一个硬件乘法器，而且一次乘累加操作最少可在一个时钟周期内完成。4）特殊DSP指令DSP芯片采用了特殊的寻址方式和指令。例如TMS320系列的位反转寻址方式及其他一些特殊的指令。采用这些适合于数字信号处理的寻址方式和指令，能进一步减小数字信号处理的时间。4、DSP的应用●数字信号处理，如滤波、FFT、卷积等；●通信，如调制解调、纠错编码、传真、可视电话等；●语音处理，如语音编码、语音合成、识别、语音存储等；●图形/图像处理，如模式识别、图像压缩与传输、动画、机器人视觉等；●仪器仪表，如数据采集、函数/波形产生等；●军事，如保密通信、全球定位、雷达与声纳信号处理、导航与制导等；●医疗，如核磁共振、自动治疗仪等。●自动控制，如运动控制等。二、TMS320LF240x概述TMS320系列DSP：定点TMS320C2000、TMS320C5000系列，部分TMS320C6000，浮点TMS320C6000TMS320同一系列产品具有相同的CPU结构，区别是片内的存储器和片上外设的配置不同，以满足不同领域的需要。1、定点数和浮点数介绍1）定点数及其定标TMS320LF240x的字长为16。（1）何谓数的定标？设定小数点在不同位置，来表示不同大小和不同精度的小数。（2）定点数的Qi表示法：将16位二进制数由最低有效位（LSB）到最高有效位（MSB）的位置依次排列为0~15，则Qi表示小数点在数据第i位之后。例如：Q0：表示小数点在数据第0位之后，即为一个整数。Q15：表示小数点在数据第15位之后。（最高位为符号位，即为纯小数。）（3）Q表示法的16位二进制数的范围：补码表示Q表示法十进制数值范围Q15-1≤x≤0.9999695(1-2-15(0.000030517578125))Q14-2≤x≤1.9999390(2-2-14(0.00006103515625))Q13-4≤x≤3.9998779(4-2-13(0.0001220703125))Q12-8≤x≤7.9997559(8-2-12(0.000244140625))Q7-256≤x≤255.9921875(256-2-7(0.0078125))Q3-4096≤x≤4095.875(4096-0.125)Q2-8192≤x≤8191.75(8192-0.25)Q1-16384≤x≤16383.5(16384-0.5)Q0-32768≤x≤32767例如:对Q15而言,其能表示的最小负值为:1.000000000000000(补)=-1其能表示的最大正值为:0.111111111111111=2-1+2-2+2-3+2-4+2-5+2-6+2-7+2-8+2-9+2-10+2-11+2-12+2-13+2-14+2-15=1-2-15=0.999969482421875=0.9999695(8位有效数据)2）浮点数采用多个字节表示，提高精度。浮点数的表示方法很多。这里介绍标准IEEE754浮点数表示法.IEEE(美国电子电气工程师协会)在1985年提出的浮点数存放格式标准．IEEE754浮点数格式标准有两种，即单精度格式和双精度格式，此外还支持两种浮点数的扩展格式。单精度格式采用32位二进制表示，双精度格式采用64位二进制表示．（采用科学计数法）浮点数是将特定长度的连续字节的所有二进制位分割为特定宽度的符号域、指数域和尾数域三个域，其中保存的值分别用于表示给定二进制浮点数中的符号，指数和尾数。下面是IEEE754定义的单精度浮点数格式．其中，S为符号位（最高位）占用１位（０---正数，１---负数），指数位为经过偏置后的７位二进制数（偏置值１２７），小数为规格化后的小数，且小数点前面的１隐含（故小数实际位数为２４位）2-16小数2-232-8小数2-15指数202-1小数2-7S27指数21例如：将20.625转换位IEEE754浮点数格式．20.625=10100.101B＝1.0100101×24B其指数=4+127=131＝10000011B小数＝0100101（后面补０），符号＝０，故20.625在内存中存放的格式为00Ｈ00ＨA5Ｈ41Ｈ(高位在后）其它浮点数格式IEEE754在标识符点数时，指数部分E和尾数部分M浮点数可采用以下四种基本格式：(1)单精度格式(32位)：E=8位，M=23位，指数偏移值127。(2)扩展单精度格式：E≥11位，M≥23位。(3)双精度格式(64)位：E=10位，M=53位。指数偏移值1023(4)扩展双精度格式E≥15位，M≥63位。3）定点数与浮点数的转换关系（1）转换公式:浮点数（x）转换为定点数（xd）：xd=int[x×2Q]定点数（xd）转换为浮点数（x）：x=float[xd×2-Q]举例：浮点数x=0.4，定标Q=15，则对应的定点数为:xd=int[x×2Q]=int[0.4×215]=13107反之,一个Q15表示的定点数13107对应的浮点数为:x=float[xd×2-Q]=float[13107×2-15]=0.3999939（2）Q数值的确定:设系统中变量表示的数据最大绝对值为|max|，而且|max|小于或等于32767，由下式:2n-1≤|max|≤2n可得：Q=15-n举例：某变量取值范围为-7到15，则变量的|max|=15，n=4，则Q=15-4=11。2、TMS320LF240x系列芯片概述CMOS技术（3.3伏电压供电，降低了功耗）指令执行速度达到30MIPS(30MHZ),实时性提高片内有32K字的FLASH程序存储器，1.5K字的数据/程序RAM，544字的双口RAM(DARAM)和2K字的单口RAM(SARAM)两个事件管理器模块（EVA和EVB）每个EV模块包含2个16位通用定时器，3个比较单元，3个捕获单元（其中2个具有正交编码输入电路）。可扩展总共192K字的程序存储器、数据存储器和I/O空间。看门狗定时器模块串行通信接口模块SCI串行外设接口模块SPI（16位）控制器局域网模块（CAN2.0B）基于锁相环（PLL）的时钟发生器模块40个可单独编程或复用的通用I/O引脚16通道的10位A/D转换器5个外部中断引脚（复位、两个电机保护、两个外中断）3种低功耗工作模式第1次完第二章：TMS320LF240x资源介绍TMS320LF240x系统结构图图1.4一、LF240x系列DSP的功能框图（参见图1.4）DARAM(B1)（256字）DARAM(B0)(256字）CPU内核基于PLL的时钟模块（锁相环）10位ADC串行通信接口（SCI）串行外设接口（SPI）事件管理器（EVA、EVB）FLASH(4K+12K+12K+4K)数字I/O（与其它引脚共享）标准测试接口（JTAG）DARAM(B2)（32字）看门狗定时器外部存储器接口（EMI)CAN总线接口SARAM（2K字）TMS320LF2407引脚功能1）引脚介绍地址线:A15~A0,数据线:D15~D0/DS(P87):数据存储器选通信号/PS(P84):程序存储器选通信号/IS(P82):I/O端口选通信号/READY(P120):数据准备好信号R//W（P92):读/写信号W//R/IOPC0(P19):R//W的反逻辑信号，可作为通用I/O使用/RD:读使能信号/WE:写使能信号/STRB(P96):外部存储器选通信号A/D转换器信号：ADCIN00~ADCIN15:16路模拟量输入通道VREFHI(P115):ADC参考电压高端输入VREFLO（P114）：ADC参考电压低端输入XINT2/ADCSOC/IOPD0(P21):ADC启动信号/输入输出端口D0定时器输出：T1PWM/T1CMP/IOPB4(P16):EVA通用定时器1比较输出或通用I/OT2PWM/T2CMP/IOPB5(P18):EVA通用定时器2比较输出或通用I/OT3PWM/T3CMP/IOPF2(P8):EVB通用定时器3比较输出或通用I/OT4PWM/T4CMP/IOPF3(P6):EVB通用定时器4比较输出或通用I/O比较器输出信号:PWM1/IOPA6(P56):EVA的比较/PWM输出引脚#1或通用I/OPWM2/IOPA7(P54):EVA的比较/PWM输出引脚#2或通用I/OPWM3/IOPB0(P52):EVA的比较/PWM输出引脚#3或通用I/OPWM4/IOPB1(P47):EVA的比较/PWM输出引脚#4或通用I/OPWM5/IOPB2(P44):EVA的比较/PWM输出引脚#5或通用I/OPWM6/IOPB3(P40):EVA的比较/PWM输出引脚#6或通用I/OPWM7/IOPE1(P65):EVB的比较/PWM输出引脚#1或通用I/OPWM8/IOPE2(P62):EVB的比较/PWM输出引脚#2或通用I/OPWM9/I