DSP技术与应用-第一章-绪论.ppt

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,.,*,DSP,原理及应用,Z,.,本课程以,数字信号处理,和,微处理器与微计算机系统,为基础，结合,TMS320C54x,系列数字信号处理器芯片，介绍,DSP,的基本概念、技术原理、实现方法以及应用开发技术，使学生了解,DSP,的发展趋势和广阔的应用领域，为从事数字信号处理技术的开发和应用打下初步基础。,课程主要内容侧重,DSP,硬件原理及应用。教学内容分为三部分，第一部分阐述,DSP,的基础知识；,第二部分主要论述,DSP,的硬件结构、指令系统及软件应用程序开发和仿真过程；,第三部分叙述,DSP,片内外设接口设计方法及,DSP,应用系统开发实例。,课程简介,.,课程目标,了解,DSP,的发展趋势和应用领域,掌握,DSP,技术的基本原理,为从事,DSP,技术的开发和应用打下初步基础,.,课程要求,1.,上课：不能闲聊、不能影响别人；,课上有问题可以随时举手提问。,2.,作业：要求书写工整，过期不收，计入平时成绩（,10%,）。,（以班级分组，每个班级由学习委员负责收作业）,3.,实验：独立思考和完成（,20%,）。,4.,考试：期末考试（,70%,）,5.,成绩：作业成绩,+,实验成绩,+,期末成绩。,.,D S P,原理 及 应 用,前导课程,:,数字信号处理,微机原理与应用,单片机原理与接口技术,理论教学,:,39,学时,实验教学,:,15,学时,.,DSP,、单片机、,ARM,、,FPGA,在应用方面的区别？,单片机（,MCU),侧重于控制方面的应用，计算能力比,DSP,弱。,ARM,也是,MCU,的一种，,ARM,（,Advanced RISC Machines,）是微处理器行业的一家知名企业，,ARM,具有比较强的事务管理功能，可以用来跑界面以及应用程序等，其优势主要体现在控制方面。,.,DSP,、单片机、,ARM,、,FPGA,在应用方面的区别？,FPGA,是英文,Field Programmable Gate Array,（现场可编程门阵列）的缩写，,FPGA,可以用,VHDL,来编程，灵活性强，由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作，因此可以充分地进行设计开发和验证。,DSP,主要是用来计算的，比如进行加密解密、调制解调等，优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度。,.,第一章 绪论,DSP,概述,可编程,DSP,芯片,TMS320,系列,DSP,芯片概述,DSP,系统设计过程,.,1.1 DSP,概述,DSP,与,DSP,技术,DSP,技术发展的两个领域,数字信号处理的实现方法,DSP,系统的特点,.,1.DSP,与,DSP,技术,DSP,(Digital Signal Processing),-,数字信号处理的理论和方法。,DSP,(Digital Signal Processor),-,用于数字信号处理的可编程微处理器。,DSP,技术,(Digital Signal Process)-,是利用专门或通用数字信号处理芯片，通过数字计算的方法对信号进处理的方法与技术。,.,CPU,、,MCU,、,DSP,区别与联系,20,世纪,70,年代微处理器问世以来，一直沿着,3,个方向发展。这三类微处理器各有其特点。虽然在技术上不断借鉴和交融，但又有各自不同的应用领域。,CPU,：微型计算机中央处理器。,MCU,：单片微型计算机,DSP,：可编程的数字信号处理器。,.,2.DSP,技术发展的两个领域,理论,：数字信号处理的,理论和方法,近二十年来得到迅速的发展，为各种实时处理的应用提供了方法基础。如：声音图像压缩编码，加密解密，调制解调，智能天线。,应用,：为了满足市场需求，随着微电子科学与技术的进步，,DSP,的性能,在迅速提高。如：时钟频率达到,1.1GHZ,；处理速度每秒,90,亿次，,32,位浮点运算，吞吐率达到,2Gbit/s,两者关系,：理论推动了应用，应用促进理论的发展。,.,3.,数字信号处理的实现方法,PC,机软件实现。（,C,语言、,MATLAB,语言等,）,主要用于,DSP,算法的模拟与仿真，验证算法的正确性和性能。优点是灵活方便，缺点是速度较慢。,PC,机,+,专用处理机。,专用性强，应用受到很大的限制，不便于系统的独立运行。,通用单片机（,51,、,96,系列等）,适用于简单的,DSP,算法，完成一些不太复杂的数字信号处理任务，如数字控制等。,.,3.DSP,的实现方法（续一）,专用,DSP,芯片。（特殊功能：如：,FFT,、数字滤波、卷积、相关等算法）,这种芯片将相应的,信号处理算法在芯片内部用硬件实现,，,无须进行编程。处理速度极高，但专用性强，应用受到限制。,通用可编程,DSP,芯片。,具有更加适合于数字信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法，特点是,灵活、速度快，可实时处理,。,.,4.DSP,系统的特点（与模拟信号处理系统相比）,接口简单、方便,。电气特性简单，数据流采用标准协议。,精度高、抗干扰能力强，稳定性好,。仅受量化误差，有限字长影响，信噪比高，器件性能影响小。,编程方便、易于实现复杂算法,（含自适应算法）。,DSP,芯片提供高速计算平台，可实现复杂的信号处理。,.,4.DSP,系统的特点（续）,可程控。,当系统的功能和性能发生改变时，不需要重新设计、装配、调试。如：数字滤波：低通、高通、带通,；软件无线电中不同工作模式电台通信；虚拟仪器中的滤波器、频谱仪等。,集成方便,。因为,DSP,芯片内除,DSP,芯片还有一定的外围电路。,.,1.2,可编程,DSP,芯片,DSP,芯片的结构特点,DSP,芯片的分类,DSP,芯片的发展及趋势,DSP,芯片的应用,.,1.DSP,芯片的结构特点,（,1,）,改进的哈佛结构,.,（,2,）多总线结构,多总线结构可以保证在一个机器周期内多次访问程序空间和数据空间。,如：,TMS320C54x,内部有,P,、,C,、,D,、,E,4,条总线,(,每条总线又包括地址总线和数据总线,),，可以在一个机器周期内从程序存储器取,1,条指令、从数据存储器读,2,个操作数和向数据存储器写,1,个操作数，大大提高了,DSP,的运行速度。,.,（,3,）,流水线技术,DSP,处理器流水线技术是将各指令的,各个步骤重叠,起来执行，而不是一条指令执行完成之后，才开始执行下一条指令。,.,（,4,）多处理单元,DSP,内部一般包括多个处理单元，如算术逻辑运算单元,(ALU),、辅助寄存器运算单元,(ARAU),、累加器,(ACC),及硬件乘法器,(MUL),等。它们可以在一个指令周期内同时进行运算。,例如：在执行一次乘法和累加运算时，辅助寄存器单元已经完成了下一个地址的寻址工作，为下一次乘法和累加运算做准备。,多处理单元结构，特别适用于大量乘加操作的矩阵运算、滤波、,FFT,、,Viterbi,译码等。,.,（,5,）指令周期短、功能强,采用亚微米,CMOS,制造工艺，运行速度快。,TMS320C54x,：运行速度可达,100MIPS,。,TMS320C6203,的时钟为,300MHz,，运行速度达到,2400MIPS,。,DSP,指令功能强大，一条特殊指令可完成十分复杂的功能。如：,TMS320C54x,中的,FIRS,和,LMS,指令，分别用于系数对称的,FIR,滤波器和,LMS,算法。,.,（,6,）运算精度高,早期,DSP,的字长为,8,位，后来逐步提高到,16,位、,24,位、,32,位。,为防止运算过程中溢出，有的累加器达到,40,位。,浮点,DSP,提供了更大的动态范围，如,TMS320C3x,、,TMS320C4x,、,ADSP21020,等。,.,（,7,）丰富的外设,片内主机接口,(HPI),，,直接存储器访问控制器,(DMAC),，,外部存储器扩展口，,串行通信口，,中断处理器，,锁相环时钟产生器，,测绘访问口（实现符合,IEEE 1149.1,标准在片仿真）,.,（,8,）功耗低,一般,DSP,芯片功耗为,0.5,4W,。,采用低功耗技术的,DSP,芯片只有,0.1W,，（可用电池供电）,如：,TMS3205510,仅,0.25mW,，特别适用于便携式数字终端。,.,DSP,最重要的特点：,特殊的,内部结构,、强大的,信息处理能力,及较高的,运行速度,。,DSP,能实时处理大量数据，在,声音、图像,实时处理领域的应用十分理想。,如：,DSP,已成了全球,70%,数字电话的“心脏”，同时,DSP,在网络领域也有广泛的应用。,.,2.DSP,芯片的分类,（,1,）按用途分类,通用型,DSP,芯片,（,本课程主要讨论的芯片）,一般指可以用指令编程的,DSP,芯片，适合普通的,DSP,应用，如,TI,公司的一系列,DSP,芯片属于通用型,DSP,芯片。,专用型,DSP,芯片,为特定的,DSP,运算而设计，如数字滤波、卷积和,FFT,等，通过加载数据、控制参数或在管脚上加控制信号的方法使其具有有限的可编程能力。如,Motorola,公司的,DSP56200,。,.,（,2,）按数据格式分类,定点,DSP,数据以定点格式工作的,DSP,芯片称为定点,DSP,芯片，该芯片简单、成本较低。两种基本表示方法：,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：,主要用于数字和各种信号处理算法的计算中。,定点表示并不意味着一定是整数表示。,.,浮点,DSP,数据以浮点格式工作的,DSP,芯片称为浮点,DSP,芯片，该芯片运算精度高、运行速度快。,浮点数在运算中，表示数的范围由于其指数可自动调节，因此可避免数的规格化和溢出等问题。但浮点,DSP,一般比定点,DSP,复杂，成本较高。,.,3.DSP,芯片,的发展及趋势,（,1,）,DSP,芯片的发展历程,1978,年 第一片,DSP,诞生,S2811(Microsystems,公司,AMI,子公司,),1986,年以来得到突飞猛进的发展。,现今：生产,DSP,厂家,80,多个，品种,300,多种。,TI,公司市场份额：,60%,；,AD,公司市场份额：,15%,；,Motorola,市场份额：,10%,；,Lucent,市场份额：,5%,；,.,（,2,）,国内,DSP,的发展,概况,1983,年引进（,TMS32010,）,我国,DSP,产品主要来自海外。,TI,公司的产品约占国内,DSP,市场的,90%,，其余为,Lucent,、,AD,、,Motorola,、,ZSP,和,NEC,等公司。,现状：,DSP,开发工具,/DSP,硬件平台开发,/DSP,应用软件开发,国内引入的主流产品：,TMS320F2407(,电机控制,),TMS320C5409(,信息处理,),TMS320C6201(,图像处理,),.,4.DSP,芯片的应用,通用数字信号处理,：,滤波、自适应、卷积、,FFT,、希伯特变换、频谱分析等；,语音识别与处理,：,语音编码,/,会议,/,识别,/,语音信箱等；,图形,/,图像处理,：,二维,/,三维图形变换、模式识别、图像识别、电子地图、机器人视觉等；,仪器仪表,：,函数发生器、数据采集等；,自动控制,：,机器人控制、发动机控制等；,医学工程,：,心,/,脑电图、监护、超声、,X,射线扫描等；,.,4.DSP,芯片的应用,(,续,),家用电器,：,HDTV(,高清度电视,),、高保真音响、数字电话、电子玩具等；,通信,：,纠错编,/,译码、自适应均衡、回波抵消、同步、分集接收、数字调制,/,解调、扩频通信、软件无线电等；,计算机,：,阵列处理器、图形加速器、工作站和多媒体计算机等。,国防军事,：,雷达与声呐信号处理、导航、导弹制导、保密通信、全球定位、电子对抗、情报收集与处理等。,.,1.3 TMS320,系列,DSP,概述,TI,公司,DSP,芯片简介,TMS320C5000,系列,.,1.,TI,公司,DSP,芯片简介,TI,公司常用的,DSP,芯片可以归纳为,三大系列,：,TMS320C2000,系列,：,TMS320C24x/C28x,等；,TMS320C5000,系列,：,TMS320C54x/C55x,等,；,TMS320C6000,系列,：,TMS320C62x/C67x/C64x,。,说明：,同一代,TMS320,系列,DSP,产品的,CPU,结构是相同的，但其片内存储器及外设电路的配置不一定相同。,.,C2000,系列,TMS320C2000,系列,DSP,控制器，具有很好的性能，集成了,Flash,存储器、高速,A/D,、,CAN,模块等。,C2000,系列,DSP,芯片价格低，具有较高的性能和适用于数字化控制领域的功能。因此在,工业自动化,、,电动机控制,、,家用电器,和,消费电子,等领域得到广泛应用。,C6000,系列,TMS320C6000,系列采用,TI,的专利技术,VeloiTI,和新的超长指令字结构，性能达到很高的水平。,C6000,系列,DSP,芯片主要应用领域包括,数字通信,和,图象处理,。,.,2.TMS320C5000,系列,C5000,系列,DSP,芯片包括,C54x,和,C55x,两大类,C54x,：,具有高度的操作灵活性和运行速度。其结构采用改进的哈佛结构，具有专用硬件逻辑的,CPU,、片内存储器、片内外设，以及一个效率很高的指令集。,C54x,是,16,位定点,DSP,，适应,远程通信,等实时嵌入式应用的需要。,本课程将以,C54x,为主介绍,DSP,技术,.,C55x,：,是,C5000,系列,DSP,中的子系列，是从,C54x,发展起来的，并与之原代码兼容。,C55x,工作在,0.9V,时，功耗低至,0.005mW/MIPS,。工作在,400MHz,钟频时，可达,800MIPS,。,和,120MHz,的,C54,相比，,300MHz,的,C55x,性能提高,5,倍，功耗为,C54,系列的,1/6,。,因此，,C55x,非常适合个人的和便携式的应用,，以及,数字通信设施,的应用。,.,举例：,DSP,在手机中的应用：,(1)2G,手机：,由,DSP,和,MCU,组成,DSP,：,负责信号处理,MCU,：,负责支持手机的用户界面，并处理通信协议栈中的上层协议。,.,(2)3G,手机：,将实时通信功能与用户交互式应用分开，,实现多媒体通信。,含多个,DSP,、,MCU,，以提供更好的信号处理及应用软件服务。,.,1.4 DSP,系统设计概要,DSP,系统设计过程,DSP,芯片的选择,DSP,应用系统的开发工具,.,1.DSP,系统设计过程,.,（,1,）算法研究与优化,根据系统需求进行算法仿真和高级语言,(,如,MATLAB),模拟实现，通过仿真,验证算法的正确性、精度和效率,，以确定最佳算法，并初步确定相应的参数。,核算算法需要的,DSP,处理能力,。一方面这是选择,DSP,的重要因素，另一方面也影响目标板的,DSP,结构（如采用单,DSP,还是多,DSP,，并行结构还是串行结构等）。,优化算法。一方面,提高算法的效率,，另一方面,使算法更加适合,DSP,的体系结构,（如对算法进行并行处理的分解或流水处理的分解等），以便获得运算量最小和使用资源最少的算法。,.,（,2,）,DSP,芯片及外围芯片的确定,根据算法的运算速度、精度和存储要求等参数选择,DSP,芯片及外围芯片。每种,DSP,芯片都有它特别适合处理的领域。,如：,TMS320C54x,系列适合通信领域的应用（对,Vertbi,译码、,FFT,等算法的支持，保证了通信信号处理算法的实现效率）。,TMS320C24xx,系列适合家电产品领域，不论是对算法的支持、存储器配置，还是外设支持，都能充分保证应用的效率。,.,（,3,）软硬件设计阶段（三步）,按选定的算法和,DSP,芯片对系统的各项功能进行,软硬件分工,。,根据系统技术指标进行,硬件设计,，完成,DSP,芯片外围电路和其他电路,(,如转换、控制、存储、输出输入等电路,),的设计。,根据系统技术指标要求和所确定的硬件编写相应的,DSP,汇编程序，完成,软件设计,。,.,（,4,）硬件和软件调试阶段,硬件调试：一般采用硬件仿真器进行；,软件调试：一般借助,DSP,开发工具进行。通过比较在,DSP,上执行的实时程序和模拟程序执行情况来判断软件设计是否正确。,.,（,5,）系统集成与测试阶段,系统软硬件分别调试完成后，可以将软件脱离开发系统而直接在应用系统上运行，评估是否完成设计目标。,将模拟算法移植到实时系统后，算法是否能够实时运行要进行测试，如果算法运算量太大而不能在硬件上实时运行，则必须重新修改或简化算法。,.,2.DSP,芯片的选择,（,1,）,DSP,芯片的运算速度和精度,（,2,）片内硬件资源,（,3,）,DSP,芯片的功耗及价格,（,4,）,DSP,芯片的开发工具,（,5,）其他因素,.,DSP,应用系统的运算量确定：,1),按样点处理,所谓按样点处理，就是,DSP,算法对每一个输入样点循环一次。数字滤波就是这种情况，在数字滤波器中，通常需要对每一个输入样点计算一次。,2),按帧处理,有些数字信号处理算法不是每个输入样点循环一次，而是每隔一定的时间间隔,(,通常称为帧,),循环一次。,如中低速,语音编码,算法通常以,10ms,或,20ms,为一帧，每隔,10ms,或,20ms,语音编码算法循环一次。所以，选择,DSP,芯片时应该比较一帧内,DSP,芯片的处理能力和,DSP,算法的运算量。,.,3.DSP,应用系统的开发工具,DSP,软件可以用汇编语言或,C,语言编写的源程序，通过编译、连接工具产生,DSP,的执行代码。,在调试阶段，利用软仿真,(simulator),在计算机上仿真运行；或利用硬件调试工具,(,如,XDS510),将代码下载到,DSP,中，并通过计算机监控、调试运行该程序。调试完成后，将该程序代码固化到,EPROM,中，以便,DSP,目标系统脱离计算机单独运行。,.,几种常用的开发工具：,（,1,）代码生成工具,代码生成工具包括编译器、连接器、优化,C,编译器、转换工具等。,使用汇编语言或,C,语言编写源程序代码。使用代码生成工具进行编译、连接，最终形成机器代码,。,.,（,2,）软仿真器,(simulator),软仿真器是一个使用主机的处理器和存储器来仿真,TMS320 DSP,的微处理器的,软件程序,，用来进行软件开发和非实时的程序验证。,软仿真器,可以在没有目标硬件的情况下作,DSP,软件的开发和调试。,新型软仿真器作为,CCS,的一个标准插件已经被广泛应用于,DSP,的开发中。,.,（,3,）硬仿真器,(emulator),硬仿真器,由插在,PC,内,PCI,卡或接在,USB,口上的仿真器和目标板组成。,C54x,硬件扫描仿真口通过仿真头,(JTAG),将,PC,中的用户程序代码下载到目标板的存储器中，并在目标板内实时运行。,TMS320,扩展开发系统,XDS,(eXtended Development System),是功能强大的全速仿真器，用于系统级的集成与调试。,XDS510/,XDS510WS,仿真器,是以,PC,或,SUN,工作站为基础的开发系统，可对,C2000,、,C5000,、,C6000,等实施全速扫描式仿真。,.,（,4,）集成开发环境,CCS(Code Composer Studio),CCS,是一个,完整的,DSP,集成开发环境,，包括编辑、编译、汇编、链接、软件模拟、调试等软件，是目前使用最为广泛的,DSP,开发软件之一。,两种工作模式,：,软件仿真器,，即脱离,DSP,芯片，在,PC,上模拟,DSP,指令集与工作机制，主要用于前期算法和调试；,硬件开发板相结合在线编程,，即实时运行在,DSP,芯片上，可以在线编制和调试应用程序。,.,（,5,）,DSK,套件及,EVM,评估板,DSP,入门套件,DSK,、评估板,EVM,是,TI,或第三方为,TMS320 DSP,的使用者设计和生产的一种,评估平台,。,DSK,或,EVM,除了提供一个完整的,DSP,硬件系统,外,(A/D,、,D/A,、外部程序,/,数据存储器、外部接口等,),，还提供有完整的,代码生成工具及调试工具,。,DSK,或,EVM,不仅可用作,DSP,实验,（如控制系统、语音处理等），而且可用来,编写和运行实时源代码,，并对其进行评估，还可以用来调试用户自己的系统。,.,本章学习要点回顾：,DSP,的含义,DSP,处理器的结构特点,DSP,芯片的分类,DSP,应用系统开发工具,.,讨论与思考,1,、,DSP,芯片的结构特点有哪些？,2,、,DSP,系统设计的一般步骤？,.,作业：,P18,：,2,3,简述,DSP,的,3,层含义,.,