第一章-DSP实验课程简介及要求

DSP技术及应用实验32位浮点DSP理论课程内容及规划第一讲DSP硬件原理（以TS20X为例）DSP处理器结构的组成及原理DSP最小系统的组成以及原理第二讲DSP软件开发以及实验系统的组成DSP的开发方法及开发工具实验系统组成及实验原理DSP实验内容：32bit浮点DSP实验，分两部分进行成绩考核。第一部分：4个实验专题，为引导性实验，讲义中包括实验内容及参考程序。专题1VisualDSP++的使用（熟练掌握编程软件）（实验一）专题2在simulator中完成常见信号处理算法以及利用软环境完成基本DMA传输（实验二）专题3利用实验板EZKIT实现定时中断、外部中断等操作，可以控制实验板上的LED和DMA传输。（实验三）专题4数据采集与滤波处理（FIR滤波器设计，FIR滤波器设计,以及自适应滤波算法的实现）（实验四）考核方式：上实验课时点到登记以及检查实验结果和数据。实验内容及考核要求（1/2）第二部分：自选课题，为开放性实验，题目自立，如：数控滤波器、声音实时压缩、mp3播放器、自适应滤波、自适应对消、功率谱估计、数字下变频、脉冲压缩……开放时间：11月25日后，实验室周一~周四下午晚上开放考核方式：演示设计实验，并提交设计报告和相关源程序。提交时间：2006年1月15日前实验内容及考核要求（2/2）说明：申请免试的同学事先要向郭万有老师说明理由，经老师同意后，方可获取免试资格，否则按旷课处理。常用处理器性能的比较GPPVS.DSPSVS.ASICGPP通用处理器，PC中的CPU就是常见的一种，其主频比较高，但是不是针对DSO算法设计的；功耗大，不适合于嵌入式系统以及消费类电子设计;其带有操作系统，进行软件开发简单方便。DSP性能比较高，功耗低；内部结构针对数字信号处理进行了优化，如带有内部乘法器、各个功能模块以及能够并行运算；算法都是由软件实现的，可用C、ASM语言编程算法，使用比较灵活，适合于嵌入式应用。ASIC专用集成芯片处理器，FPGA属于其中一种。其硬件结构是为完成一种算法而设计的，内部结构最优，主频可以达到很高。但是其开发周期长，成本比较高。对于小型系统的开发，其资源浪费比较严重。数字信号处理器分类数字信号处理器（DigitalSignalProcessor,简称DSP）是一种专门用来实现各种数字信号处理算法的微处理器。DSP可以分成专用的DSP和通用的DSP。专用的DSP用来实现某些特定的数字信号处理功能，如数字滤波、FFT等，不需要编程，处理速度快；通用DSP则有完整的指令系统，通过编程来实现各种数字信号处理功能，相对灵活。数字信号处理器的特点DSP除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外，针对实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统、指令流程上具有许多新的特征，其特点如下：(1)算术单元具有硬件乘法器和多功能运算单元，硬件乘法器可以在单个指令周期内完成乘法操作，这是DSP区别于通用的微处理器的一个重要标志。多功能运算单元可以完成加减、逻辑、移位、数据传送等操作。新一代的DSP内部还包含多个并行的运算单元,以提高其处理能力。针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘和累加运算的特点，DSP的算术单元的乘法器和加法器，可以在一个时钟周期内完成相乘、累加两个运算。DSP可以同时进行乘、加、减运算，大大加快了FFT的蝶形运算速度。(2)总线结构传统的通用处理器采用统一的程序和数据空间、共享的程序和数据总线结构，即所谓的冯·诺依曼结构。DSP普遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构或者改进的哈佛结构，极大的提高了指令执行速度。片内的多套总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，许多DSP片内嵌有DMA控制器，配合片内多总线结构，使数据块传送速度大大提高。（3）专用寻址单元DSP面向数据密集型应用，伴随着频繁的数据访问，数据地址的计算也需要大量时间。DSP内部配置了专用的寻址单元，用于地址的修改和更新，它们可以在寻址访问前或访问后自动修改内容，以指向下一个要访问的地址。地址的修改和更新与算术单元并行工作，不需要额外的时间。DSP的地址产生器支持直接寻址、间接寻址操作，大部分DSP还支持位反转寻址（用于FFT算法）和循环寻址（用于数字滤波算法）。（4）片内存储器针对数字信号处理的数据密集运算的需要，DSP对程序和数据访问的时间要求很高，为了减小指令和数据的传送时间，许多DSP内部集成了高速程序存储器和数据存储器，以提高程序和数据的访问存储器的速度。（5）流水处理技术DSP大多采用流水技术，即将一条指令的执行过程分解成取指、译码、取数、执行等若干个阶段，每个阶段称为一级流水。每条指令都由片内多个功能单元分别完成取指、译码、取数、执行等操作，从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令的执行时间。（6）DSP与其它处理器的差别数字信号处理器（DSP）、通用微处理器（MPU）、微控制器（MCU）三者的区别在于：DSP面向高性能、重复性、数值运算密集型的实时处理；MPU大量应用于计算机；MCU则适用于以控制为主的处理过程。DSP的运算速度比其它处理器要高得多，以FFT、自相关为例，高性能DSP不仅处理速度是MPU的4～10倍，而且可以连续不断地完成数据的实时输入／输出。DSP结构相对单一，普遍采用汇编语言编程，其任务完成时间的可预测性相对于结构和指令复杂、严重依赖于编译系统的MPU强得多。DSP系统的典型构成（1）DSP芯片系统的主要任务是将前端输入的信号按照一定算法进行处理，然后将输出的结果一数据流的形式输出给后端控制部分。基本算法滤波：低通、高通、带通谱分析：DFT、FFT、卷积、相关DSP强大的DMA机制提升了系统带宽。麦克风输入整流放大抗混叠滤波模数转换数字信号处理算法数模转换抗镜频滤波扬声器功率放大ADCDAC键盘摄像头DSPEPROM图1.1实验中常见DSP系统的典型组成示意图系统从外界获得弱小不稳定的音频信号，通过整流和放大器的放大处理。放大后的信号由于含杂乱频率成份，不能够直接进行A/D转换，要进行抗混频滤波处理。A/D转换面临的关键问题是信号频率混叠现象，会影响A/D转换精度和指标。需要根据系统的性能指标选择合理的滤波器，如：巴特沃什滤波器通频带性能比较好，但相对于贝塞尔滤波器建立时间比较长。滤波后的信号进行A/D转换，需注意的是A/D芯片的选择。一般来说A/D位数越高，精度就相对高，但是位数高相应的DSP处理数据量就很大，对系统的存储器以及其他的硬件要求等提高，相应的成本较高。同时还要考虑系统噪声的的影响，当系统噪声大于A/D的量化噪声，单纯提高A/D的转换位数就失去了意义。如：A/D的量化误差，即分辨率为1mV，而系统的噪声为10mV，则A/D数据线的低几位精度失去意义。A/D转换后的信号输入DSP进行相关的信号处理，处理过程中可能数据量比较大；DSP本身的存储空间不能完全容纳这些数据，为避免处理过程中数据的丢失和覆盖，通常在DSP处理器外部扩展一片或多片EPROM来存储程序和数据。EPROM容量的扩展根据情况而定，当然有时也不需要外部存储器。处理后的信号经过模数转换再进行滤波处理和功率放大就可以输出到外部模拟器件了。DSP应用系统的典型构成（2）图1.2DSP典型系统示意图输入信号前向通道输出信号反向通道DSP芯片存储器通信及人机接口数字I/ODSP系统编码与时序控制总线前端处理部分物理信号传感器幅值变化及抗混叠滤波抽样A/D或V/fDSP图1-1前端处理部分示意图前端通过传感器将各种物理信号转化为一定幅值的电信号，将弱小信号通过放大器适度放大，再将这些信号进行带限滤波和抽样。然后通过A/D或者V/f变换为数字比特流。根据香农抽样定理。为保持信息不丢失，抽样频率至少必须是输入带限信号最小频率的2倍。后端处理部分经过DSP处理过的信号数字样值再经过数/模变换把数字信号转换成模拟信号，对其进行内插和平滑滤波就可以得到连续的模拟波形，经过功率放大后输出。DSP信号转换平滑滤波器信号放大与变换输出A/D或V/f图1-2后端处理部分示意图DSP芯片部分主要包括了DSP的最小系统的电路设计，一般主要包括供电电路，时钟电路，复位电路，SRAM，FLASH/EPROM和JATG接口电路。DSP处理器电源电路复位电路JTAG接口时钟电路FLASH/EPROMSDRAMDSP芯片最小系统电路框图示意图DSP芯片系统可能由一个DSP及外围组成，也可能有多个DSP组成，这完全取决于DSP信号处理的要求。大多数系统还有通信（串行通信、并行通信）、人机接口等部分，系统还可以通过COMPACTPCI,PCI,ISA.VXI等总线插在计算机上工作，或通过3xbus总线等组成紧凑型的控制系统，甚至还可以通过现场总线将整个系统作为整个现场系统中的一个节点。整个系统的协调运行主要依靠正确的逻辑控制电路设计。前面给出的DSP系统是一个相对完备的DSP系统，但是并不是所有的DSP系统都必须具有上述系统中的所有部件。例如：谱分析中输出的不是连续的波形而是离散的频谱等。而在很多场合输入信号本身可能已经是数字信号，因此根本就不需要前端的环节。DSP处理器的开发流程数字信号处理器（DSP）的开发与调试DSP系统的设计分为硬件/软件两个部分，两者可以在各自的开发平台上分别进行前期设计与调试，然后进行系统的联调。硬件设计—DSP选型/系统结构确立—性能/功耗分析—开发周期/成本分析—电路设计/调试调试工具：DSP在线硬件仿真器（Emulator)、DSP开发/评估板（EvaluationBoard)、示波器、逻辑分析仪。DSP硬件设计流程概念方案论证原理图设计前仿真PCB图绘制后仿真制板原型调试测试软件设计—算法确定/程序流程图—软件编制（汇编/C语言）—汇编/编译/链接—软件模拟调试工具：汇编/编译/链接程序，软件模拟/调试器（Simulator/Debugger)系统联调—对整个系统的软/硬件进行的综合调试。调试工具：硬件仿真器、DSP开发/调试集成环境（IDE/IDDE）、DSPOS，etc.DSP系统的开发流程图——系统级设计系统功能要求系统性能及算法模拟处理速度、开发周期、体积、成本，功耗、供货、升级器件选型：DSP型号、存储器、I/O、FPGA、A/D、D/A系统设计框图硬件设计软件设计DSP系统的开发流程图——电路/软件设计电路原理图设计生成电路网表设计印制电路板印制板制造器件安装软件流程图绘制高级语言程序设计汇编语言程序设计汇编算法库实时运行库编译汇编链接软件模拟硬件调试软/硬件系统联调示波器逻辑分析仪修正DSP系统的开发流程图—系统联调系统在线仿真硬件电路软件程序PC机仿真仿真结果?有错误修正固化程序嵌入系统设备进行联调连接外部设备综合测试满足系统要求?否修正否修正成品制造示波器逻辑分析仪是