TMS320C54X DSP应用技术教程 教学课件 ppt 作者 宋鹏 教程课件 第1章DSP概述

机械工业出版社 作者：叶青黄明宋鹏TMS320C54xDSP应用技术教程第1章DSP概述 1.1数字信号处理概述 1.2数字信号处理器 1.3本章小结第1章DSP概述第1章DSP概述内容简介 数字信号处理（DigitalSignalProcessing，简称DSP）是20世纪60年代发展起来的一门新兴学科。在20世纪80年代以前，由于受硬件技术发展水平的限制，数字信号处理的理论还不能得到广泛的应用。直到20世纪80年代初，世界上第一片数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，也简称DSP）的诞生，才使数字信号处理理论研究成果广泛应用到了实际的系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。 在21世纪的今天，数字信号处理技术得到了广泛的应用。事实上，它已经来到了我们每一个人的身边。 本章主要介绍数字信号处理的基本概念、特点和实现方法以及数字信号处理器的定义、特点、分类、应用领域、国内外发展现状及发展趋势。第1章DSP概述1.1数字信号处理概述 数字信号处理(DigitalSignalProcessing，简称DSP)，也就是对信号的数字处理，它是从20世纪60年代发展起来的一门涉及到许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字的形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以便提取有用的信息并进行有效的传输与应用。 数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展；反过来，数字信号处理越来越广泛的应用需求又促进了数字信号处理理论的不断提高。第1章DSP概述1.1数字信号处理概述 DSP既是DigitalSignalProcessing（数字信号处理）的缩写，也是DigitalSignalProcessor（数字信号处理器）的缩写。前者指数字信号处理的理论和方法，后者则指用于数字信号处理的可编程微处理器，简称数字信号处理器。 本书中DSP这一英文缩写主要用来指数字信号处理器。本书所说的DSP技术，则是指使用通用DSP处理器或基于DSP核的专用器件，来实现数字信号处理的方法和技术，完成有关的任务。1.1.1数字信号处理的概念及其发展第1章DSP概述1.1数字信号处理概述 自从20世纪70年代微处理器诞生以来，一直沿着三个方向发展:通用CPU：微型计算机中央处理器（如使用最多的奔腾等）。微控制器(MCU)：单片微型计算机（如MCS-51、MCS-96、MSP430系列等）。DSP：可编程的数字信号处理器。 这三类微处理器虽然在技术上不断地相互借鉴和交融，但它们又有各自的特点和应用领域。1.1.1数字信号处理的概念及其发展第1章DSP概述1.1数字信号处理概述 由于DSP实现技术在数字运算处理速度上，具有不可比拟的优势，因此，即使在整个半导体产品增长趋缓的情况下，DSP处理器还在以较快的速度增长。 DSP技术的发展是数字信号处理理论研究与应用需求相互作用的结果。1.1.1数字信号处理的概念及其发展 一方面是数字信号处理的理论和方法近年来得到了迅速发展。 另一方面是DSP处理器性能的提高。 DSP技术的发展在上述两方面是互相促进的，理论和算法的研究推动了应用，而应用的需求又促进了理论的发展。第1章DSP概述1.1数字信号处理概述 与模拟信号处理相比，数字信号处理具有如下一些明显的优点：1.精度高2.可靠性高3.灵活性强4.易于大规模集成5.可获得高性能指标 数字信号处理与模拟信号处理相比尽管具有以上诸多优点，但从根本上说，数字信号处理也有其局限性，模拟信号处理仍然不可缺少，不可能被数字信号处理完全代替。1.1.2数字信号处理的特点信号处理方式的比较第1章DSP概述1.1数字信号处理概述 数字信号处理的实现方法可以分为三类：软件实现法、硬件实现法和软硬件结合实现法。具体实现方式一般有以下几种：1.在通用的计算机上用软件实现。2.在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现。3.用通用的单片机(如MCS-51、MCS-96、MSP430系列等)实现。4.用通用可编程DSP处理器实现。5.用专用DSP处理器实现。6.用FPGA等可编程逻辑阵列器件来实现。7.用专用集成电路ASIC实现。8.片上系统SoC。1.1.3数字信号处理的实现方法第1章DSP概述1.2数字信号处理器数字信号处理器是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。1.2.1数字信号处理器的定义 结构上进行了优化，更适宜完成乘加累积运算 主频足够快，能实时完成各种数字信号处理 可以毫不夸张地说，DSP处理器自20世纪80年代初诞生以来，在这30年的时间里，对通信、计算机、控制等各个领域的技术发展起到了十分重要的作用。第1章DSP概述1.2数字信号处理器1．哈佛结构和改进的哈佛结构2．多总线结构3．流水线技术4．多处理单元5．特殊的DSP指令6．指令周期短7．运算精度高8.硬件配置强1.2.2DSP处理器的特点第1章DSP概述1.2数字信号处理器1．哈佛结构和改进的哈佛结构1.2.2DSP处理器的特点 DSP处理器普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构或改进的哈佛结构，比通用微处理器的冯·诺伊曼结构有更快的指令执行速度。(1)冯·诺伊曼结构（VonNeumannArchitecture） 以奔腾为代表的通用微处理器，其程序代码和数据共用一个公共的存储空间和单一的地址和数据总线，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行的，这样的结构称为冯·诺伊曼结构，如图1-1(a)所示。当进行高速运算时，取指令和取操作数是分时操作的，这样很容易造成数据传输通道的瓶颈现象，其工作速度较慢。第1章DSP概述1.2数字信号处理器1．哈佛结构和改进的哈佛结构1.2.2DSP处理器的特点(2)哈佛结构（HarvardArchitecture）和改进的哈佛结构（ModifiedHarvardArchitecture） DSP处理器将程序代码和数据的存储空间分开，各空间有自己独立的地址总线和数据总线，可独立编址和独立访问，可对程序和数据进行独立传输，这就是所谓的哈佛结构，如图1-1(b)所示。采用哈佛结构，可同时取指令和取操作数，并行地进行指令和数据的处理，从而可以大大地提高运算的速度，非常适合于实时的数字信号处理。为了进一步提高信号处理效率，在哈佛结构的基础上，又加以改进，使得程序代码和数据存储空间之间也可以进行数据的传送，称为改进的哈佛结构，如图1-1(c)所示。第1章DSP概述1.2数字信号处理器1．哈佛结构和改进的哈佛结构1.2.2DSP处理器的特点图1-1微处理器的结构第1章DSP概述1.2数字信号处理器2．多总线结构1.2.2DSP处理器的特点 许多DSP处理器内部都采用多总线结构，这样保证在一个机器周期内可以多次访问程序空间和数据空间，大大提高了DSP的运行速度。 例如TMS320C54xDSP系列内部有P、C、D、E等4条总线，每条总线中都有地址总线和数据总线，这样在一个机器周期内可以完成如下操作：(1)从程序存储器中取一条指令。(2)从数据存储器中读两个操作数。(3)向数据存储器写一个操作数。第1章DSP概述1.2数字信号处理器3．流水线技术1.2.2DSP处理器的特点 计算机在执行一条指令时，总要经过取指、译码、取数、执行运算等步骤，需要若干个指令周期才能完成。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，即第一条指令取指后，在译码时，第二条指令就取指；第一条指令取数时，第二条指令译码，而第三条指令就开始取指，……，依次类推，如图1-2所示。第1章DSP概述1.2数字信号处理器3．流水线技术1.2.2DSP处理器的特点图1-2流水线技术示意图第1章DSP概述1.2数字信号处理器4．多处理单元1.2.2DSP处理器的特点 DSP处理器内部一般都包括多个处理单元，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。 DSP处理器的这种多处理单元结构，特别适用于大量乘加操作的矩阵运算、滤波、FFT、Viterbi译码等。第1章DSP概述1.2数字信号处理器5．特殊的DSP指令1.2.2DSP处理器的特点 在DSP处理器的指令系统中，了一些完成特殊功能的指令，以便更好地满足数字信号处理的需要。 例如，TMS320C54xDSP系列中的FIRS和LMS指令，专门用于完成系数对称的FIR滤波器和LMS算法。 为了实现FFT、卷积等运算，当前的DSP处理器大多在指令系统中设置了“循环寻址”及“位倒序寻址”指令和其他特殊指令，使得在进行这些运算时，其寻址、排序及计算速度大大地提高。第1章DSP概述1.2数字信号处理器6．指令周期短1.2.2DSP处理器的特点 早期的DSP处理器指令周期约400ns，采用4mNMOS制造工艺，其运算速度为5MIPS。随着集成电路工艺的发展，DSP广泛地采用亚微米CMOS制造工艺，其运算速度越来越快。 例如：TMS320C54x运算速度可达100MIPS，即100百万条/秒；TMS320C6416时钟频率超过1GHz，运行速度可达8000MIPS；DaVinci系列中的TMS320DM6446达到了接近5000MMACS。第1章DSP概述1.2数字信号处理器7．运算精度高1.2.2DSP处理器的特点 早期的DSP处理器字长为8位，后来逐步提高到16位、24位、32位。为了防止溢出，累加器长达40位。此外，浮点DSP处理器则提供了更大的数据表达的动态范围，提高了运算精度。8．硬件配置强 新一代DSP处理器的接口功能越来越强，片上外设丰富，如串行口、主机接口（HPI）、DMA控制器、软件可编程等待状态发生产生器、锁相环时钟产生器以及实现片内仿真的符合IEEE1149.1标准的测试访问口，更易于完成系统设计。许多DSP处理器都可以工作在省电模式，使得系统功耗降低。第1章DSP概述1.2数字信号处理器为了适应数字信号处理各种各样的实际应用，DSP厂商生产出多种类型和档次的DSP处理器。在众多的DSP处理器中，可以按照下列几种方式进行分类。1.2.3DSP处理器的分类1.按数据格式分类 根据DSP处理器工作时的数据格式划分，可以将DSP处理器分为定点DSP和浮点DSP。定点DSP以定点数据格式工作，即数据格式用整数和小数来表示。浮点DSP以浮点数据格式工作，即数据格式用指数和尾数的形式表示，其动态范围比用小数形式表示的定点格式要大得多。第1章DSP概述1.2数字信号处理器1.2.3DSP处理器的分类2.按用途分类 按照DSP处理器的用途划分，可以将DSP处理器分为通用型DSP和专用型DSP。 通用型DSP处理器一般指可以用指令编程的DSP处理器，适合于普通的DSP应用，具有可编程性和强大的处理能力，可完成复杂的数字信号处理算法。 专用型DSP处理器是为特定的DSP运算而设计的，通常只针对某一种应用，相应的算法由内部硬件电路实现，适合于数字滤波、FFT、卷积和相关算法等特殊的运算，使用灵活性差。主要用于要求信号处理速度极快的特殊场合。第1章DSP概述1.2数字信号处理器1.2.3DSP处理器的分类3.按基础特性分类 根据DSP处理器的工作时钟和指令类型划分，可以将DSP处理器分为静态DSP处理器和一致性DSP处理器。 如果在某时钟频率范围内的任何时钟频率上，DSP处理器都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP处理器一般称为静态DSP处理器。例如TI公司的TMS320系列DSP都属于静态DSP处理器。 如果有两种或两种以上的DSP处理器，它们的指令集和相应的机器代码及管脚结构相互兼容，则这类DSP处理器被称为一致性的DSP处理器。例如，TI公司的TMS320C54x系列就属于一致性DSP处理器。第1章DSP概述1.2数字信号处理器1.2.3DSP处理器的分类4.按生产厂家的产品系列分类 按照不同生产厂家的产品系列划分，可以将DSP处理器分为TI公司的TMS320系列、AD公司的ADSP21系列、AT&T公司的DSP16/32系列，Motolora公司的MC5600/MC9600系列、NEC公司的PD77系列等。各个产品系列下又分为多个子系列。 TI公司的TMS320系列DSP产品已经成为当今世界上最有影响力的DSP处理器。TI公司TMS320系列常用的DSP处理器，可以归纳为三大系列，即：TMS320C2000系列：主要用于数字控制系统。TMS320C5000（TMS320C54x、TMS320C55x）系列：主要用于低功耗、便携的无线通信终端产品。TMS320C6000系列：主要用于高性能复杂的通信系统。第1章DSP概述1.2数字信号处理器1.2.4DSP处理器的应用 应用领域 用途 信号处理 数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、希尔伯特变化、频谱分析、模式匹配、波形产生、加窗等 通信 调制解调器、自适应均衡器、代码转换器、蜂窝电话、数字用户交换机、基站、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、个人通信系统、个人数字助手、扬声器电话、电视会议、分组交换开关、移动通信、扩频通信、纠错编码、可视电话等 自动控制 引擎控制、发动机控制、声音控制、自动驾驶、机器人控制、磁盘/光盘伺服控制、神经网络控制等 语音 扬声器检验、语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、文本转语音、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音存储等 图形/图像处理 二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、三维旋转、动画/数字地图、同态处理、模式识别、机器人视觉、工作站等 军事 保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导、射频调制解调、全球定位等 仪器仪表 频谱分析、函数发生、数据采集、锁相环、暂态分析、石油/地质勘探、地震信号处理等 医疗 医疗诊断设备、助听器、超声设备、胎儿监护、病人监护、康复应用、心电图、脑电图、核磁共振等 消费电子 数字收音机、数字电视、家庭影院、DVD、玩具与游戏、电动工具、雷达检测器、固态应答机、数字电话/电视、数码相机/摄像机、网络相机、数字助听器、机顶盒等 汽车电子 自适应驾驶控制、防滑自动器、蜂窝电话、数字收音机、发动机控制、导航及全球定位、振动分析、声控、防撞雷达、语音命令等 工业生产 数字化控制、在线监控、机器人技术、安全通道、自动检测、电梯控制、智能传感控制、磁悬浮控制器第1章DSP概述1.2数字信号处理器1.2.5DSP处理器的发展现状和趋势1.DSP处理器的发展现状 自1980年以来，DSP处理器得到了突飞猛进的发展，主要表现在以下几个方面：(1)制造工艺(2)存储器容量(3)内部结构(4)运算速度(5)运算精度和动态范围(6)功耗(7)高度集成化(8)开发工具第1章DSP概述1.2数字信号处理器1.2.5DSP处理器的发展现状和趋势2.国内DSP的发展现状 相对国外DSP应用开发的情况，我国还存在着相对大的差距。近年来，在国内一些专业DSP用户的推动下，DSP的应用在我国日渐普及。 国内主要经销与开发商：闻亭公司、合众达、瑞泰科技等。 进入21世纪以后，中国新兴的数字消费类电子产品进入增长期，市场呈现高增长态势，普及率大幅度提高，从而带动了DSP市场的高速发展。此外，计算机、通信和消费类电子产品的数字化融合也为DSP提供了进一步的发展机会。第1章DSP概述1.2数字信号处理器1.2.5DSP处理器的发展现状和趋势3.DSP的发展趋势(1)“多”。从广度上来讲是指DSP处理器的型号将越来越多。从深度上来讲是多CPU的融合，一种是多DSP的融合，另一种是DSP的核和其他事务型处理的核的融合，如DSP和ARM核的融合。(2)“快”。指处理器运算的速度越来越快，指令速度越来越快，频率越来越高，功能越来越强。(3)“好”。主要是指性能价格比的提高及开发工具的完善。(4)“省”。主要是指DSP处理器向着低功耗低电压的方向发展。第1章DSP概述1.3本章小结(1)DSP的定义：DigitalSignalProcessing（数字信号处理）指数字信号处理的理论和方法，DigitalSignalProcessor（数字信号处理器）指用于数字信号处理的可编程微处理器DSP技术则是指使用通用DSP处理器或基于DSP核的专用器件，来实现数字信号处理的方法和技术，完成有关的任务。(2)数字信号处理器是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。DSP处理器的特点：哈佛结构和改进的哈佛结构、多总线结构、流水线技术、多处理单元、具有特殊的DSP指令、指令周期短、运算精度高、硬件配置强。第1章DSP概述1.3本章小结(3)数字信号处理器的分类:按数据格式，DSP处理器分为定点DSP和浮点DSP。按DSP的用途，分为通用型DSP和专用型DSP。按基础特性，分为静态DSP和一致性DSP。也可按生产厂家的产品系列分类。(4)DSP的应用已经深入到社会各个领域。DSP在信号处理、通信、自动控制、语音、图形/图像处理、军事、仪器仪表、医疗、消费电子、汽车电子、工业生产等各个领域得到了广泛的应用。(5)DSP处理器得到了突飞猛进的发展，主要表现在以下几方面：制造工艺、存储器容量、内部结构、运算速度、运算精度和动态范围、功耗、高度集成化、开发工具。DSP处理器今后必将会有更进一步的发展，其发展趋势可用“多快好省”四个字来概括。