第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

1、教材：教材：TMS320C55x DSPTMS320C55x DSP原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用代少升代少升 等編著等編著 高等教育出版社高等教育出版社 20102010 DSPDSP原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用 參考信息參考信息 參考書參考書 1、李真芳等著，DSP程序開發(fā)：MATLAB調(diào)試 及直接目標代碼生成，西安電子科技大學(xué)出版社， 2003。 參考網(wǎng)站參考網(wǎng)站 1、 2、 課程的主要講述內(nèi)容 本課程的主要內(nèi)容： 1、數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) 2、 DSP芯片結(jié)構(gòu)和CPU外圍電路 3、存儲結(jié)構(gòu)和尋址方式 4、程序流程控制 5、TMS320C55X DSP的匯編指令 6、 DSP集成開發(fā)環(huán)境 7、 T

2、MS320C55X DSP應(yīng)用實例 8、 OMAP5912雙核處理器 2.DSP在圖像處理方面的應(yīng)用在圖像處理方面的應(yīng)用 1.DSP在通信領(lǐng)域的應(yīng)用在通信領(lǐng)域的應(yīng)用 DSP的典型應(yīng)用實例 一個典型移動終端結(jié)構(gòu)框圖 第一章第一章 數(shù)字信號處理和數(shù)字信號處理和DSPDSP系統(tǒng)系統(tǒng) 1、數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP)是 一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域新興學(xué)科。 20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術(shù)的飛 速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運而生并得到迅速的發(fā)展。 2、數(shù)字信號處理是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù) 字形式對信號進行采集、變換、濾波、估

3、計、增強、壓 縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。 一、引言 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) 3、數(shù)字信號處理是圍繞著數(shù)字信號處理的理論、實 現(xiàn)和應(yīng)用等幾個方面發(fā)展起來的。 DSP理論的發(fā)展 DSP應(yīng)用的發(fā)展 DSP的實現(xiàn) 推動 促進 橋梁 DSP是以眾多學(xué)科為理論基礎(chǔ)，如微積分、概率統(tǒng) 計、隨機過程、數(shù)值分析、網(wǎng)絡(luò)理論、信號與系統(tǒng)、人 工智能、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。數(shù)字信號處理是把許 多經(jīng)典的理論體系作為自己的理論基礎(chǔ)，同時又使自己 成為一系列新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) 4、數(shù)字信號處理的實現(xiàn)方法 (1)通用的計算機上用軟件(如 C語言)實現(xiàn)速度較慢。

4、 可用于DSP算法的模擬； (2) 在通用計算機系統(tǒng)中加上專用的加速處理機實現(xiàn)； 專用性強，應(yīng)用受限； (3) 用通用的單片機(如: MCS-51、96系列等)實現(xiàn)。只 適用實現(xiàn)簡單的DSP算法，用于一些不太復(fù)雜的數(shù) 字信號處理，如數(shù)字控制等； 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) (4) 用通用的可編程DSP芯片實現(xiàn)。與單片機相比， DSP芯片具有更加適合于數(shù)字信號處理的軟件和硬件 資源，可用于復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法；為DSP的應(yīng) 用打開了新的局面。 (5) 用專用的DSP芯片實現(xiàn)。特殊的應(yīng)用，要求信號處 理速度極高，用通用DSP芯片很難實現(xiàn)，如FFT、數(shù)字 濾波、卷積、相關(guān)等算法的DSP芯片，

5、這種芯片將相 應(yīng)的信號處理算法在芯片內(nèi)部用硬件實現(xiàn)。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) 5、20世紀70年代末80年代初世界上第一片單片可編 程DSP芯片的誕生，將DSP理論研究結(jié)果廣泛應(yīng)用到低 成本的實際系統(tǒng)中，推動了新的理論和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā) 展。 可以毫不夸張地說，DSP芯片的誕生及發(fā)展對近20年 來通信、計算機、控制等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展起到十分重 要的作用。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) 輸入信號：麥克風(fēng)輸出的語音信號、攝像頭輸出的復(fù) 合視頻信號等。 A/D：奈奎斯特抽樣定理、抽樣頻率。 DSP芯片：對輸入的數(shù)字信號進行某種形式的處理。 D/A：轉(zhuǎn)換為模擬樣值。 二、DSP系統(tǒng)及特點 抗混

6、疊 濾波 A/D 變換 DSP 芯片 D/A 變換 平滑 濾波 輸入輸出 1、DSP系統(tǒng)構(gòu)成(典型的DSP系統(tǒng)) 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) 2、DSP系統(tǒng)的特點 DSP系統(tǒng)以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)，具有數(shù)字處理的全部優(yōu)點： (1)接口簡單、方便：數(shù)字信號的電氣特性簡單，不同DSP系統(tǒng) 互聯(lián)時，在硬件接口上容易實現(xiàn)； (2)編程方便：可編程DSP芯片可使設(shè)計人員在開發(fā)過程中靈活 方便地對軟件進行修改和升級；容易實現(xiàn)復(fù)雜的算法和復(fù)雜的 信號處理功能； (3) 精度高、穩(wěn)定性好：DSP系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫 度以及噪聲的影響較小，可靠性高。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) (4)可重復(fù)

7、性好：模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化比較大， 而數(shù)字系統(tǒng)基本不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試、調(diào)試和大規(guī) 模生產(chǎn)； (5)集成方便：DSP系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī) 模集成。 缺點： (1) 簡單的信號處理任務(wù)，采用DSP使成本增加; (2) DSP系統(tǒng)中的高速時鐘可能帶來高頻干擾和電磁泄漏等問題； (3) DSP系統(tǒng)的功耗較大。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適 合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應(yīng)用 是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字 信號處理的要求，DSP芯片具有如下主要特點： (1) 在一個指令周期內(nèi)可完

8、成一次乘法和一次加法； 3、可編程DSP芯片 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) (2) 程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)； (3) 片內(nèi)具有快速RAM； (4) 具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持； (5) 快速的中斷處理和硬件I/O支持； (6) 具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器； (7) 可以并行執(zhí)行多個操作； (8) 支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重 疊執(zhí)行。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) 4、DSP系統(tǒng)的設(shè)計流程(DSP系統(tǒng)設(shè)計的一般過程) DSP應(yīng)用(確定設(shè)計目標) 定義系統(tǒng)性能指標 選擇DSP芯片 硬件設(shè)計 硬件調(diào)試 軟件編程 軟件調(diào)試 系統(tǒng)集

9、成 系統(tǒng)測試和調(diào)試 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) （1）算法模擬：根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的目標確定系統(tǒng)的性 能指標。根據(jù)系統(tǒng)要求進行算法仿真和高級語言模擬 實現(xiàn)。確定最佳處理方法。如用MATLAB等數(shù)學(xué)開發(fā) 工具對DSP算法進行優(yōu)化設(shè)計和仿真測試， （2）選擇DSP芯片：根據(jù)算法要求，如運算速度、運 算精度、存儲器大小、系統(tǒng)成本、體積、功耗等選擇 合適的DSP芯片。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) 設(shè)計DSP應(yīng)用系統(tǒng)，選擇DSP芯片是非常重要的，只有選定了 DSP芯片，才能進一步設(shè)計其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路。DSP 芯片的選擇應(yīng)根據(jù)實際的應(yīng)用系統(tǒng)需要而確定。不同的DSP應(yīng) 用系統(tǒng)由于應(yīng)用場合、應(yīng)

10、用目的不相同，DSP芯片的選擇也不 同的。一般來說，選擇DSP芯片應(yīng)考慮到如下因素: DSPDSP芯片的運算速度芯片的運算速度 算法確定運算量確定估算DSP運算速度的下限 運算速度是DSP芯片的一個最重要的性能指標，是選擇DSP芯片 需要考慮的主要因素。下面為DSP運算速度的幾種衡量指標： 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) v指令周期：執(zhí)行一條指令所需的時間，常以ns為單位。如 TMS320LC549-80在主頻為80MHz時的指令周期為12.5ns； v MAC(Multiply-Accumulate Unit )時間：一次乘加運算的時間。大 部分DSP芯片可在一個指令周期內(nèi)完成一次乘法和加

11、法操作。 v FFT執(zhí)行時間：運行一個N點FFT程序所需的時間。FFT是典型的 DSP算法運算，因此FFT運算時間常作為衡量 DSP芯片運算能力的 一個指標。 v MIPS/MFLOPS( Million Instructions Per Second/Million Floating-point Operations per Second)：每秒執(zhí)行百萬條指令和每秒百萬條浮點操作。 如 TMS320LC549-80的處理能力為 80MIPS，即每秒可執(zhí)行八千萬 條指令； 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) v MOPS：每秒執(zhí)行百萬次操作。 v BOPS：每秒執(zhí)行十億次操作。 DSPDSP芯片

12、的價格芯片的價格 DSP芯片的價格也是選擇DSP芯片所需考慮的一個重要因素。 采用價格昂貴的DSP芯片，即使性能再高，其應(yīng)用范圍受到限制， 尤其是民用產(chǎn)品。因此根據(jù)實際系統(tǒng)的應(yīng)用情況，需確定一個價 格適中的DSP芯片。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) DSPDSP芯片的硬件資源芯片的硬件資源 不同的DSP芯片提供的硬件資源是不相同的，如片內(nèi)RAM、 ROM的數(shù)量，外部可擴展的程序和數(shù)據(jù)空間，總線接口，I/O 接口等。即使是同一系列的 DSP芯片(如TI的S320C54X系列)系 列中不同 DSP芯片也具有不同的內(nèi)部硬件資源。 DSPDSP芯片的運算精度芯片的運算精度 一般的定點 DSP芯片的

13、字長為16位或24位，浮點芯片的字 長為32位，累加器都為40位。定點DSP芯片的價格較便宜，功 耗較低，但運算精度稍低。而浮點DSP芯片的優(yōu)點是運算精度 高，但價格稍貴，功耗也較大。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) DSP DSP 芯片的開發(fā)工具芯片的開發(fā)工具 快捷、方便的開發(fā)工具和完善的軟件支持是開發(fā)大型、復(fù)雜 DSP系統(tǒng)的必備條件。TI公司的CCS集成開發(fā)環(huán)境、實時軟件技 術(shù)等， C語言支持(開發(fā)的時間大大縮短)。 DSPDSP芯片的功耗芯片的功耗 在某些DSP應(yīng)用場合，功耗也是一個需要特別注意的問題。 如便攜式的DSP設(shè)備、手持設(shè)備、野外應(yīng)用的DSP設(shè)備等都對功 耗有特殊的要求。目前

14、，3.3V供電的低功耗高速DSP芯片已大量 使用。 其他因素其他因素：封裝的形式、質(zhì)量標準、供貨情況、生命周期等。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) (3)(3)設(shè)計實時DSP系統(tǒng)：包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個 方面。 v 硬件設(shè)計：設(shè)計DSP芯片的外圍電路及其他電路，如 轉(zhuǎn)換、控制、存儲、輸出電路等。 v軟件設(shè)計：根據(jù)系統(tǒng)要求和所選的DSP芯片編寫相應(yīng) 的DSP程序。在實際應(yīng)用系統(tǒng)中常常采用高級語言和匯 編語言的混合編程方法。采用這種方法，可縮短軟件開 發(fā)的周期，提高程序的可讀性和可移植性，又能滿足系 統(tǒng)實時運算的要求。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) (4) 硬件和軟件的調(diào)試： v 軟件的

15、調(diào)試：一般借助于DSP開發(fā)工具，如軟件模擬 器、DSP開發(fā)系統(tǒng)或仿真器等。調(diào)試DSP算法時一般采 用實時結(jié)果與模擬結(jié)果相比較的方法，如果實時程序 和模擬程序的輸入相同，則兩者的輸出應(yīng)該一致。 v硬件調(diào)試：一般采用硬件仿真器進行調(diào)試，如果沒 有相應(yīng)的硬件仿真器，且硬件系統(tǒng)不是十分復(fù)雜，也 可以借助于一般的工具進行調(diào)試。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) (5) 系統(tǒng)集成和系統(tǒng)測試階段：調(diào)試完成后，實時系 統(tǒng)固化在DSP系統(tǒng)中，將軟件脫離開發(fā)系統(tǒng)而直接在 應(yīng)用系統(tǒng)上運行。 DSP系統(tǒng)的開發(fā)，特別是軟件開發(fā)是一個需要反 復(fù)進行的過程，雖然通過算法模擬基本上可以知道實 時系統(tǒng)的性能，但實際上模擬環(huán)境不

16、可能做到與實時 系統(tǒng)環(huán)境完全一致，將模擬算法移植到實時系統(tǒng)時必 須考慮算法是否能夠?qū)崟r運行的問題。如果算法運算 量太大不能在硬件上實時運行，則必須重新修改或簡 化算法。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) 三、DSP芯片的發(fā)展及應(yīng)用 (1) 1978年AMI公司發(fā)布了世界上第一個單片DSP芯片 S2811; (2) 1979年美國Intel公司發(fā)布的商用可編程DSP芯片 2920; 這兩種芯片都沒有現(xiàn)代 DSP芯片所必須有的單周期 乘法器。 (3) 1980年，日本NEC公司推出的uPD7720是第一個 具有乘法器的商用DSP芯片。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) (4)美國德州儀器公司(Te

17、xas Instruments 簡稱TI)： v第一代DSP芯片(1982年成功推出)TMS320C10及其系列產(chǎn)品 TMS320C11、TMS320C10/C14/C15/C16/C17 . v 第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28。 v 第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32； v 第四代DSP芯片TMS320C40/C44; v 第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X，第二代DSP芯片的改進 型TMS320C2XX，集多片DSP芯片于一體的高性能DSP芯片 TMS320C8X。 v第六代DSP芯片(目前速度最快)TMS320C62X/C6

18、7X等。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) TI將常用的DSP芯片歸納為三大系列: vTMS320C2000系列:包括TMS320C2X/C2XX; vTMS320C5000系列:包括TMS320C5X/C54X/C55X vTMS320C6000系列:包括TMS320C62X/C67X。 如今，TI公司的一系列DSP產(chǎn)品已經(jīng)成為當今世界上最有 影響的DSP芯片。公司也成為世界上最大的DSP芯片供應(yīng)商， 其DSP市場份額占全世界份額近50。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) (6) Motorola公司在推出DSP芯片方面相對較晚。1986年，該 公司推出了定點處理器MC56001。1990年

19、，推出了與IEEE浮點 格式兼容的浮點DSP芯片MC96002。 (7)美國模擬器件公司(Analog Devices，簡稱 AD)在 DSP芯片市 場上也占有一定的份額，相繼推出了一系列具有自己特點的 DSP 芯片。 定點芯片：ADSP2101/2103/2105 、ASDP2111/2115、 ADSP2161/2162/2164以及 ADSP2171/2181。 浮點芯片: ADSP21000/2102、ADSP21060/21062等。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) DSPDSP芯片的應(yīng)用芯片的應(yīng)用 自從 20世紀 70年代末 80年代初 DSP芯片誕生以 來，DSP芯片得到了飛速

20、的發(fā)展。 DSP芯片的高速發(fā)展，一方面得益于集成電路技 術(shù)的發(fā)展，另一方面也得益于巨大的市場。 在近20年時間里，DSP芯片已經(jīng)在信號處理、通 信、雷達等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。DSP芯片的價格 越來越低，性價比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) DSPDSP芯片的應(yīng)用主要有：芯片的應(yīng)用主要有： (1) 信號處理：數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、快速傅立葉變 換、相關(guān)運算、譜分析、卷積等； (2) 通信：調(diào)制解調(diào)器、自適應(yīng)均衡、數(shù)據(jù)壓縮、程控 交換、數(shù)字基站、可視電話、多路復(fù)用、擴頻通信、 糾錯編碼等； (3) 語音：語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、 說話人辨認、說話人確認、語音郵件、語音存儲等； (4)圖形/圖像：如二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳 輸、圖像增強、動畫、機器人視覺等； 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) (5)軍事：保密通信、雷達處理、聲納處理、導(dǎo)航、導(dǎo) 彈等； (6)儀器儀表：頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、鎖相環(huán)、地震處 理等； (7)自動控制：引擎控制、聲控、自動駕駛、機器人控 制、磁盤控制等； (8)醫(yī)療：助聽、超聲設(shè)備、診斷工具、病人監(jiān)護等； (9)家用電器：高