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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,North China Electric Power University,School of Electronic and Communicational Engineering,Information Engineering Department,*,*,课程介绍,授课老师：,廖 斌,E-mail:,pliaobin,Mobile:[phone],授课教材：,DSP,技术及应用,陈金鹰主编，机械出版社,参考教材：,1.DSP,原理及应用，李利等编著，中国水利出版社,2.TMS320C5000,系列,DSP,汇编语言程序设计，张勇等编著，西安电子科技大学出版社,3.TMS320C54x DSP,原理及应用，乔瑞萍等编著，西安电子科技大学,4.DSP,技术的发展与应用，彭启琮等编著，高等教育出版社,10/1/2025,1,课程介绍,本课程中所介绍的 DSP，是 数字信号处理（Digital Signal Processor，DSP）器的简称，也叫 DSP 芯片，是一种具有,特殊结构,的微处理器，是 20 世纪科学及工程具体化最有影响力的技术之一。,自 70 年代未 DSP 芯片诞生以来，在短短的二十多年时间是得到了飞速的发展，已广泛应用于,通信、医疗影像、雷达及声纳、高保真音乐重现、石油勘探、工业控制、军事、航空航天,等领域。在这些应用领域都已经发展出很深入的 DSP 技术、特有的算法、数学及特殊的技巧。,一般而言，数字信号处理是把通过时间与数值采样的信号，做各种离散量化的数值处理与计算，因此诸如,快速立叶变换、Z 变换、卷积运算、相关运算、最小平方法、有限脉冲响应,等常用的数理分析方法，都可以利用数字信号处理实现，以提高整体的运算性能。,10/1/2025,2,课程章节,第一章主要介绍,DSP 技术的发展及相关知识,，从一般角度讨论 DSP 芯片技术的产生、应用和开发环境。,第二章主要介绍,DSP 芯片的硬件结构,，包括 CPU 结构、总线结构、存储器分配、在片外围电路、串行口、外部总线和中断、与存储器及外围设备和低速器件的接口、自举加载等相关问题。,第三章主要对,DSP 芯片的汇编语言进行了介绍,，包括指令系统的寻址方式、地址的生成、流水线操作、指令系统的概述。,本课程 通过对,TMS320C54x 系列芯片,的结构和专用汇编语言的介绍，使同学们了解实现通信技术领域相关产品中对数字信号的处理方法。教学内容包括六个部分如下：,10/1/2025,3,序 论,问题：什么是DSP?,DSP通常包括两层概念：,1.数字信号处理（Digital Signal Processing),它所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。（包括,采集，变换，滤波，估值，增强，压缩，识别等处理过程）。,2.数字信号器（Digital Signal Processor),它所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。,10/1/2025,6,序 论,DSP技术及应用课程属于第二层的概念，所涉及内容为如何利用DSP芯片进行数字信号的处理。,重点讨论和研究的是DSP芯片的结构和特点，以及如何通过程序编写，实现对数字信号的处理。,10/1/2025,7,序 论,数字信号处理应用实例,Why Go Digital?,10/1/2025,8,序 论,Step 1.模拟传感器获取模拟信号(如麦克风),Step 2.模拟信号输入到模数转换器A/D,Step 3.数字信号经过DSP芯片进行处理，例如压缩(Compression)和去噪(Noise Depression)。,Step 4.数字信号经过数模转换器D/A还原为模拟信号,10/1/2025,9,序 论,数字信号处理所涉及的相关学科：,数学工具：,微积分、复变函数、概率统计、随机过程、数值分析、高等代数、线性代数、泛函分析等。,专业理论基础：,网络理论、信号与系统、现代控制理论（包括人工智能、模式识别、神经网络、模糊控制）、现代通信理论、故障理论和现代测量等。,10/1/2025,10,序 论,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：速度慢,2.用单片机（如MCS-51、96系列等）实现。,缺点：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。,10/1/2025,11,序 论,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.在通用的计算机系统中加上加速卡实现。,缺点：需核心含DSP的用户加速卡。,6.用FPGA等产品实现数字信号处理算法。,缺点：专用性太强。,10/1/2025,12,第一节 DSP系统概述,1.精度高,1.1DSP系统的特点,模拟网络元件,（,R,、,L,、,C,等）,模拟网络系统,数字系统,DSP、D/A,精度10,-3,精度10,-3,很难,17位字长,10/1/2025,13,第一节 DSP系统概述,2.可靠性强,由于数字系统只有0和1两种电平，因此抗干扰能力强，可靠性高。,3.集成度高,表面贴装,ASIC芯片,DSP系统,DSP,CPLD,FPGA,压缩体积,降低成本,开 发,10/1/2025,14,第一节 DSP系统概述,4.接口方便,以现代数字技术为基础的系统或设备都是兼容的，系统接口方便。,5.灵活性好,DSP系统,DSP,CPLD,FPGA,可编程,可编程,可编程,改变软件,不同的功能,硬件更简单,DSP系统开发周期大大缩短,10/1/2025,15,第一节 DSP系统概述,6.保密性好,DSP系统,DSP,CPLD,FPGA,保密性好,隐蔽内部总线地址变化,做成ASIC,保密性能几乎无懈可击,10/1/2025,16,第一节 DSP系统概述,.时分复用,系统n,信道1,信道2,信道n,信号的采样频率与DSP系统的运算速度相比较低的场合。,实时性要求不高的场合。,应用场合,系统2,系统1,DSP系统,10/1/2025,17,第一节 DSP系统概述,典型DSP系统构成,首先,输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行A/D变换将信号变换成数字比特流。根据奈奎斯特抽样定理，为保证信息不丢失，抽样频率至少必须是输入带限信号最高频率的2倍。,抗混叠滤波器,A/D,D/A,DSP芯片,平滑滤波器,输入,输出,1.2 DSP系统设计思路,10/1/2025,18,第一节 DSP系统概述,然后，DSP芯片对输入的数字信号,进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作（MAC）,。数字处理是DSP的关键，这与其他系统（如电话交换系统）有很大的不同，在交换系统中，处理器的作用仅是进行路由选择，它并不对输入数据进行修改。因此虽然两者都是实时系统，但两者的实时约束条件却有很大的不同。,10/1/2025,19,第一节 DSP系统概述,1.总体方案设计,DSP系统设计之前，首先明确设计任务，制定设计任务书，将系统所要达到的功能描述准确。,描述方式包括三种：,人工语言,流程图,算法描述,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,将设计任务书转换为量化的技术指标,10/1/2025,20,第一节 DSP系统概述,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,技术指标的包含内容,10/1/2025,21,第一节 DSP系统概述,2.软件设计阶段,源程序,汇编器汇编,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,软件仿真,反,复,目标文件,可执行文件,10/1/2025,22,第一节 DSP系统概述,设计硬件实现方案：考虑,性能指标、工期、成本,，确定最优硬件实现方案，画出硬件系统框图。,器件选型：DSP芯片，A/D，D/A，内存，电源，通信，人机接口等等。,3.硬件设计阶段,10/1/2025,23,第一节 DSP系统概述,DSP,芯片,根据计算目的还是控制目的决定,不同厂商？,不同系列？,工作频率？,工作电压？,工作温度？,定点还是浮点？,器件选型的具体原则,10/1/2025,24,第一节 DSP系统概述,2.A/D变换,根据,采样频率和精度,确定A/D型号，是否要求片上自带采样保持器，多路器和基准电源,3.D/A变换,信号频率、精度是否要求基准电源，多路器输出，运放等。,4.内存(Memory),RAM和EPROM,主要考虑工作频率，,内存容量,（8位/16位/32位），接口方式，工作电压,10/1/2025,25,第一节 DSP系统概述,5.逻辑控制,先确定所用器件，如,PLD、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。,6.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,10/1/2025,26,第一节 DSP系统概述,7.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：,PCI，ISA，现场总线,8.人机接口,可以通过与80C196等单片机的通信构成，也可以在DSP基础上直接构成。,10/1/2025,27,第一节 DSP系统概述,原理图设计,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。,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。,10/1/2025,28,第一节 DSP系统概述,4.系统集成,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。,如果系统测试结果符合设计指标，则样机设计完毕。,但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。,10/1/2025,29,第二节 DSP芯片技术的发展,1978年，,美国Intel公司,推出第一个商用可编程芯片2920。,1979年，,AMI公司,推出S2811,它设计作为微处理器外围部分使用，必须由主机来进行初始化。,上述两种芯片都不具备现代DSP芯片所特有的,硬件单周期乘法器MAC,，因此在市场上并未获得成功。,1980年，,日本的NEC公司,推出第一个独立完整的DSP芯片,u,PD7720。,重要意义：它是第一片具有乘法器MAC的商用DSP芯片。,10/1/2025,30,第二节 DSP芯片技术的发展,1982年，,美国,德州仪器公司,（Texas InstrumentsTI）推出第一代DSP TMS320010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,。,10/1/2025,31,第二节 DSP芯片技术的发展,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,成功推出了定点DSP MC56001。但由于其后续系列产品不太理想，因此没有能成为市场的领导者。,美国,模拟器件公司,（Analog DevicesAD）相继推出了定点DSP芯片ADSP21xx系列，浮点DSP芯片ADSP210 xx系列。,10/1/2025,32,第二节 DSP芯片技术的发展,20多年来，DSP芯片得到了迅猛发展，主要体现在如下方面：,1.,生产工艺:,采用1m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:,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。,10/1/2025,33,第二节 DSP芯片技术的发展,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。,10/1/2025,34,第三节 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。,10/1/2025,35,第三节 DSP芯片的选择,3.1 主要芯片种类,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、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。,10/1/2025,36,第三节 DSP芯片的选择,（3）TMS320C6000系列DSP,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、信道和噪声估计、信道纠错、干扰估计和检测等。,2）图像处理,完成图像压缩、图像传输、模式及光学特性识别、加密/解密、图像增强等。,10/1/2025,37,第三节 DSP芯片的选择,TI公司DSP产品分类,10/1/2025,38,第三节 DSP芯片的选择,2AD公司的DSP芯片,特点：系统时钟一般不经分频直接使用。,定点DSP芯片的程序字长为24位，数据字长为16位。,一般具有2个串行口、1个内部定时器和3个以上的外部中断源，此外还提供8位EPROM程序引导方式。,浮点DSP芯片，程序存储器为48位，数据存储器为40位，,支持32位单精度和40位扩展精度的IEEE浮点格式，内部具有3248位的程序Cache，有3至4个外部中断源。,10/1/2025,39,第三节 DSP芯片的选择,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，具有1个深度为15字的指令Cache，片内具有2K字的程序ROM和512字的数据RAM。,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。可以寻址4M字的外部存储器。具有4个40位精度的累加器和22个通用寄存器。,10/1/2025,40,第三节 DSP芯片的选择,4Motorola公司的DSP芯片,定点DSP芯片,程序和数据字长为24位，有2个精度为36位的累加器。,浮点DSP芯片,，累加器精度达96位，可支持双精度浮点数，该芯片的指令周期为50/60/74ns。内部具有10个96位或32位基于寄存器的累加器。,适合于自适应滤波的专用定点DSP芯片，程序字长和数据字长分别为24位和16位，累加器精度为40位。,10/1/2025,41,第三节 DSP芯片的选择,5其他公司,NEC公司的PD77C25、PD77220定点DSP芯片和PD77240浮点DSP芯片等。,LUCENT的DSP1600等，,INTEL也有自己的DSP产品。,10/1/2025,42,第三节 DSP芯片的选择,3.2,选择芯片考虑的因素,1DSP芯片的运算速度,MAC时间：,一次乘法和一次加法的时间。大部分DSP芯片可在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法操作。,FFT执行时间：,运行一个,N,点FFT程序所需时间。由于FFT运算在数字信号处理中很有代表性，因此FFT运算时间常作为衡量DSP芯片运算能力的一个指标。,MIPS：,每秒执行百万条指令。,MOPS：,每秒执行百万次操作。,MFLOPS：,每秒执行百万次浮点操作。,BOPS：,每秒执行十亿次操作。,10/1/2025,43,第三节 DSP芯片的选择,2.DSP芯片的价格,如果采用价格昂贵的DSP芯片，即使性能再好，其应用范围也受到一定限制，尤其是民用产品。,3.DSP芯片的硬件资源,不同DSP芯片所提供的硬件资源不同，如片内RAM、ROM的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口、I/O接口等。,4.DSP芯片的运算精度,一般的定点DSP芯片字长为16位，少数24位。浮点芯片的字长一般为32位，累加器为40位。,10/1/2025,44,第三节 DSP芯片的选择,5DSP芯片的开发工具,在DSP系统的开发过程中，如果没有开发工具的支持，要想开发一个复杂的DSP系统几乎是不可能的。功能强大的开发工具，可使开发时间大大缩短。,6DSP芯片的功耗,便携式的DSP设备、手持设备、野外应用的DSP设备等对功耗有特殊的要求。,7其他因素,除了上述因素外，还要考虑到封装形式、质量标准、供货情况、生命周期等。,10/1/2025,45,第三节 DSP芯片的选择,一般地讲：,定点DSP芯片,的价格较便宜，功耗较低，但运算精度稍低。,浮点DSP芯片,的优点是运算精度高，用C语言编程调试方便，但价格稍高，功耗较大。,DSP应用系统的运算量是确定选用DSP芯片处理能力的基础。运算量小，则可选用处理能力不是很强的DSP芯片，降低系统成本。,如果单片DSP芯片达不到要求，则需选用多个DSP芯片并行处理。,10/1/2025,46,第四节,DSP芯片的主要优点与应用领域,4.1 DSP芯片的优点,1哈佛结构,2多总线结构和多处理单元,3.流水线技术,4特殊的DSP指令,5指令周期短,6.运算精度高,7.硬件配置强,8.耗电省,10/1/2025,47,第四节,DSP芯片的主要优点与应用领域,4.2 DSP芯片的主要应用领域,据预测，到2007年，DSP的市场将达到500亿美元。目前DSP的应用主要包括如下方面：,（1）,信号处理,如数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、希尔伯特变换、小波变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等。,10/1/2025,48,第四节,DSP芯片的主要优点与应用领域,（2）,通信,如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话、个人通信系统、移动通信、个人数字助手（PDA）、X.25分组交换开关等。,（,3,）,语音,如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音存储、扬声器检验、文本转语音等。,10/1/2025,49,第四节,DSP芯片的主要优点与应用领域,（,4,）,军事,如保密通信、雷达处理、声纳处理、图像处理、射频调制解调、导航、导弹制导等。,（,5,）,图形与图像,如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画与数字地图、机器人视觉、模式识别、工作站等。,（,6,）,仪器仪表,如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理、数字滤波、模式匹配、暂态分析等。,10/1/2025,50,第四节,DSP芯片的主要优点与应用领域,（,7,）,自动控制,如引擎控制、声控、机器人控制、磁盘控制器、激光打印机控制、电动机控制等。,（,8,）,医疗,助听器、超声设备、诊断工具、病人监护、胎儿监控、修复手术等。,（,9,）,家用电器,如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话与电视、电动工具、固态应答机等。,（,10,）,汽车,如自适应驾驶控制、防滑制动器、发动机控制、导航及全球定位、振动分析、防撞雷达等。,10/1/2025,51,