DSP结课论文

DSP芯片原理及应用结课论文摘要DSP技术已成为目前电子工业领域发展最迅速的技术，在各行各业的应用越来越广泛，在我国的市场全景也越来越广阔，了解和学习DSP技术知识也越来越重要。本文简要介绍了本学期我们进行学习的DSP芯片原理及应用这门课的教学内容、基于DSP数字广告大屏幕显示系统的具体设计、基于DSP的卷积算法的实现以及DSP的应用等几个方面。对于基于DSP数字广告大屏幕显示系统的具体设计，下文从LED显示屏屏体电路和LED显示屏主控系统两个方面对整个系统的硬件设计作了说明。在屏体电路设计方面，介绍了屏体模块化设计的方法，针对系统具体指标要求，采用了行扫描列控制的动态扫描方案，给出了具体的行列驱动电路设计方法。在主控系统设计方面，对基于TMS320LF2407的主控系统各个模块，包括电源模块、串行通信模块、信息存储模块、汉字库模块、外部存储器模块作了详细的阐述，说明了设计原理、实现方法。对于基于DSP的卷积算法的实现，首先要对数字卷积的基本概念作深入了解，使大家从根本上掌握卷积的实现方法，文中将以模拟信号的卷积和数字信号的卷积为主，以及他们在DSP上的实现方法。关键词：DSP，LED显示屏，窗函数法设计卷积算法，数据调制解调器，图形图象处理磁盘一、课程总结这学期我们开设了DSP芯片原理及应用这门课，主要从以下几个方面了解和掌握了TMS320C55xDSP系统应用设计的主要内容和具体方法：1.DSP芯片的发展历史1.1第一阶段，DSP的雏形阶段（1980年前后）1978年，AMI公司生产出第一片DSP芯片S2811；1979年，美国Intel公司推出商用可编程器件DSP芯片Intel2920；1980年，日本NEC公司推出μPD7720，第一片具有乘法器的商用DSP芯片；1982年，TI公司成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17,日本Hitachi公司第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片；1983年，日本Fujitsu公司推出的MB8764，指令周期为120ns，具有双内部总线，使数据吞吐量发生了一个大的飞跃；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1.2第二阶段，DSP的成熟阶段（1990年前后）硬件结构：更适合数字信号处理的要求，能进行硬件乘法和单指令滤波处理，其单指令周期为ns。如：TI公司的TMS320C20和TMS320C30，CMOS制造工艺，存储容量和运算速度成倍提高，为语音处理、图像处理技术的发展奠定了基础。主要器件有：TI公司的TMS320C20、30、40、50系列，Motorola公司的DSP5600、9600系列，AT&T公司的DSP32等。1.3第三阶段，DSP的完善阶段（2000年以后）信号处理能力更加完善，而且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步降低、成本不断下降；各种通用外设集成到片上，大大地提高了数字信号处理能力；DSP运算速度可达到单指令周期10ns左右，可在Windows下用C语言编程，使用方便灵活；广泛应用：通信、计算机领域，并渗透到日常消费领域。2.主要芯片种类2.1TI公司的DSP芯片TI公司常用的DSP芯片可以归纳为三大系列：（1）TMS320C2000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。（2）TMS320C5000系列，这是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。（3）TMS320C6000系列DSP采用新的超长指令字结构设计芯片。2.2AD公司的DSP芯片特点：系统时钟一般不经分频直接使用。2.3AT&T公司的DSP芯片定点DSP芯片的程序和数据字长均为16位，有2个精度为36位的累加器，浮点DSP芯片，80/100ns的指令周期，片内具有3个512字的RAM块，或2个512字的RAM块加1个4K字的ROM块。3.TMS320C55x的硬件结构3.1TMS320C55xDSP的基本结构TMS320C55x在C54x的基础上发展起来的新一代低功耗、高性能数字信号处理器。(1)软件具有C54兼容模式。(2)工作时钟大大超过了C54x系列处理器，(3)CPU内部通过增加功能单元增强了DSP的运算能力3.2VC5509A的引脚功能3.2.1并行总线引脚并行总线A13～A0直接与外部引脚相连，这14个引脚可以完成以下三个功能：HPI地址总线（HPI.HA[13:0]）、EMIF地址总线（EMIF.A[13:0]）通用输入/输出（GPIO.A[13:0]）。这三个功能可以通过外部总线选择寄存器（EBSR）中的并行端口模式字段来设置，这些引脚的初始状态由GPIO0引脚决定。并行双向数据总线D15～D0完成两个功能：（1）EMIF数据总线（EMIF.D[15:0]）（2）HPI数据总线HPI.HD[15:0]同样，这两个功能可以通过外部总线选择寄存器EBSR中的并行端口模式位域来设置，这些引脚的初始状态由GPIO0引脚决定。4.TMS320C55x的指令系统C55x处理器的指令系统可以分为6大类，包括算术运算指令、位操作指令、扩展辅助寄存器操作指令、逻辑运算指令、移动指令和程序控制指令等。而介绍的内容包括指令格式，执行的操作，是否有并行使能位，长度，周期，在流水线上的执行阶段以及执行的功能单元等。4.1寻址方式寻址方式是指如何指定指令和操作数所在存储空间的地址。C55xDSP支持三种寻址模式，可以高效、灵活地对数据空间、存储映射寄存器、寄存器位和I/O空间进行寻址，它们是：（1）绝对寻址模式；（2）直接寻址模式；（3）间接寻址模式。4.1.1绝对寻址模式绝对寻址模式有三种，它们分别是：k16绝对寻址、k23绝对寻址和I/O绝对寻址。k16绝对寻址：使用该模式寻址的指令其操作数为*abs16(#k16)，其中k16是一个16位的无符号常数。寻址方法是将7位的寄存器DPH（扩展数据页指针XDP的高位部分）和k16级联形成一个23位的地址，用于对数据空间的访问。该模式可以访问一个存储单元和一个存储映射寄存器。k23绝对寻址：使用该模式寻址的指令其操作数为*(#k23)，其中k23是一个23位的无符号常数。使用这种寻址方法的指令将常数编码为3字节（去掉最高位），与k16绝对寻址一样，使用该模式寻址的指令不能与其他指令并行执行。I/O绝对寻址：对于I/O绝对寻址模式，如果使用代数指令，其操作数是*port(#k16)，其中k16是一个16位无符号常数；如果使用助记符指令，其操作数是port(#k16)（操作数前没有*）。使用该模式的指令将常数编码为2字节。同样，该指令不能与其他指令并行执行。4.1.2直接寻址模式直接寻址有以下几种方式：数据页指针（DP）直接寻址、堆栈指针（SP）直接寻址、寄存器位直接寻址和外设数据页指针（PDP）直接寻址。其中，DP直接寻址和SP直接寻址与状态寄存器ST1-55的CPL位有关：当CPL=0，采用DP直接寻址模式当CPL=1，采用SP直接寻址模式而寄存器位寻址和PDP直接寻址与CPL无关。4.1.3间接寻址模式CPU支持的间接寻址模式有AR间接寻址、双AR间接寻址、CDP间接寻址和系数间接寻址。利用这些模式可以进行线性或循环寻址。4.2C55x指令的并行执行4.2.1指令并行的特征C55xDSP的结构特点使其在一个周期内可以并行地执行两条指令。C55x支持三种类型的并行指令。（1）单指令中内置并行方式这类并行指令是由一条指令同时执行两个不同的操作，通常用符号“::”来分隔指令的两个部分，这种并行方式也称为隐含并行方式。例如：MPY*AR0,*CDP,AC0::MPY*AR1,*CDP,AC1这是一条单指令，由AR0引用的数据与由CDP引用的系数相乘，同时，由AR1引用的数据与该系数相乘。（2）用户自定义的两条指令间的并行方式这类并行指令是用户或C语言编译器定义的，是由两条指令同时并行执行两个操作，通常用符号“||”来分隔这两条指令。例如：MPYM*AR1–,*CDP,AC1||XORAR2,T1第一条指令在D单元执行乘法运算，第二条指令在A单元的ALU执行一个逻辑操作。（3）内置与用户自定义混合的并行方式例如：MPYMT3=*AR3+,AC1,AC2||MOV#5,AR1第一条指令隐含了内置并行方式，第二条指令是用户自定义的并行方式。4.3C55x的资源4.3.1运算器可使用的操作器有：D单元的ALU、D单元的移位器、D单元的交换器、A单元的交换器、A单元的ALU和P单元。并行指令执行时一个操作器只能使用一次。4.3.2地址产生单元地址产生单元有：两个数据地址（DA）产生单元、一个系数地址（CA）产生单元和一个堆栈地址（SA）产生单元。指令执行时只能使用给定数量的数据地址产生单元。4.3.3总线可使用的总线有：两个数据读（DR）总线、一个系数读（CA）总线、两个数据写（DW）总线、一个ACB总线（将D单元寄存器的内容传送给A单元和P单元的操作器）、一个KAB总线（立即数总线）和一个KDB总线（立即数总线）。指令执行时只能使用给定数量的总线。4.4TMS320C55xDSP的汇编指令TMS320C55x是TMS320家族中的定点数字信号处理器，可以使用两种指令集：助记符指令集和代数指令集。代数指令集中的指令类似于代数表达式，运算关系比较清楚明了；助记符指令集与计算机汇编语言相似，采用助记符来表示指令。不过，在编程时只能使用一种指令集。助记符指令和代数指令在功能上是一一对应的，只是表示形式不同。本节同时介绍助记符指令和代数指令，并通过实例来讲解C55x的指令系统。TMS320C55x指令集按操作类型可分为以下6种：算术运算指令位操作指令扩展辅助寄存器操作指令逻辑运算指令移动指令程序控制指令一条指令的属性包括：指令，执行的操作，是否有并行使能位，长度，周期，在流水线上的执行阶段以及执行的功能单元等。下面，将按照这些属性分类介绍C55x助记符指令集。指令集。二、基于DSP数字广告大屏幕显示系统设计近年来，户外广告从平面印刷广告变成大屏幕显示广告，而超高亮度LED出现，使得LED显示屏提供图形、文字、数字的单色、双色和全色显示时，可完全满足。LED显示屏不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。下文就此提出了一种不携带计算机的低成本LED文字显示屏的控制系统，并给出完整可行的系统硬件设计方案。图1.LED显示屏系统组成框图1.系统设计目标：系统具有掉电数据不丢失的功能，能存储多屏显示数据；系统具有丰富的字型字体，有丰富的显示效果，能播放一些简单图片；支持RS232异步串口通信模式和GSM短消息无线通信模式；要求系统易实现，成本低，可靠性高。2.LED器件的驱动从LED器件的发光机理可以知道，当向LED器件施加正向电压时，流过器件的正向电流使其发光。因此LED的驱动就是要使它的PN结处于正向偏置，同时为了控制它的发光强度，还要解决正向电流的调节问题。具体的驱动方式有直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动等，本系统中LED器件的驱动为扫描驱动。2.1直流驱动直流驱动是最简单的驱动方法。LED的工作点由电源电压VCC，串联电阻R和LED器件的伏安特性共同决定。这种驱动方式适合于LED器件较少，发光强度恒定的情况。例如公交车用于固定显示“XX路”字样的显示器。2.2恒流驱动由于LED器件的正向特性较陡，加上器件的分散性，使得在同样电源电压和同样限流电阻的情况下，各器件的正向电流并不相同，从而引起发光强度的差异。若对LED器件进行恒流驱动，只要恒流值相同，发光强度就比较接近。晶体管的输出特性具有恒流特性，所以可以用晶体管驱动LED。图2.晶体管恒流驱动LED器