第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

1、教材：教材：TMS320C55X DSPTMS320C55X DSP原理及原理及應應用用，代少升等著，代少升等著，高等教育出版社，高等教育出版社，20102010 教師：教師： 代 少 升 Tel ： 62461308 E_mail: DSPDSP原理及應用原理及應用參考信息參考信息參考書參考書 1、申敏等著DSPDSP原理及其在移動通信中的應用原理及其在移動通信中的應用人民郵電出版社,2001。 2、李真芳等著DSPDSP程序開發(fā)：程序開發(fā)：MATLABMATLAB調(diào)試及直接目標代調(diào)試及直接目標代碼生成碼生成，西安電子科技大學出版社，2003。參考網(wǎng)站參考網(wǎng)站 1、 2、課程的主要講述內(nèi)容

2、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、 TMS320C55X DSP應用實例 8、 OMAP5912雙核處理器2.DSP在圖像處理方面的應用在圖像處理方面的應用1.DSP在通信領域的應用在通信領域的應用DSP的典型應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)是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域新興

3、學科。 20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術應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備，以數(shù)字形式對信號進行采集、變換、濾波、估計、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)和應用等幾個方面發(fā)展起來的。DSP理論的發(fā)展DSP應用的發(fā)展DSP的實現(xiàn)推動促進橋梁 DSP是以眾多學科為理論基礎，如微積分、概率統(tǒng)計、隨機過程、數(shù)值分析、網(wǎng)絡理論、信號與系統(tǒng)、人工智能、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡等。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，同

4、時又使自己成為一系列新興學科的理論基礎。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?？捎糜贒SP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，可用于復雜的數(shù)字信號處理算法；為DSP的應用打開了新的局面。(5) 用專用的D

5、SP芯片實現(xiàn)。特殊的應用，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、相關等算法的DSP芯片，這種芯片將相應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)果廣泛應用到低成本的實際系統(tǒng)中，推動了新的理論和應用領域的發(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、控制等領域的技術發(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：麥克風輸出的語音信號、攝像頭輸出的復合視頻信號等。 A/D：奈奎斯特抽樣定理、抽樣頻率。

6、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，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)復雜的算法和復雜的信號處理功能；(3) 精度高、穩(wěn)定性好：DSP系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較

7、小，可靠性高。第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)(4)可重復性好：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，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

8、點：(1) 在一個指令周期內(nèi)可完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)的設計流程(DSP系統(tǒng)設計的一般過程)DSP應用(確定設計目標)定義系統(tǒng)性能指標選擇DSP芯片硬件設計硬件調(diào)試軟件編程軟件調(diào)試系統(tǒng)集成系統(tǒng)測

9、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)學開發(fā)工具對DSP算法進行優(yōu)化設計和仿真測試，（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)設計DSP應用系統(tǒng)，選擇DSP芯片是非常重要的，只有選定了DSP芯片，才能進一步設計其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路。DSP芯片的選擇應根據(jù)實際的應用系統(tǒng)需要而確定。不同的DSP應用系統(tǒng)由于應用場合、應用目的不相同，DSP芯片的選擇也不同

10、的。一般來說，選擇DSP芯片應考慮到如下因素: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)完成一次乘法和加法操作。v FFT執(zhí)行時間：運行一個N點FFT程序所需的

11、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

12、。采用價格昂貴的DSP芯片，即使性能再高，其應用范圍受到限制，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，

13、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設備、手持設備、野外應用的DSP設備等都對功耗有特殊的要求。目前，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。

14、第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)(3)(3)設計實時DSP系統(tǒng)：包括硬件設計和軟件設計兩個方面。v 硬件設計：設計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軟件設計：根據(jù)系統(tǒng)要求和所選的DSP芯片編寫相應的DSP程序。在實際應用系統(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

15、序和模擬程序的輸入相同，則兩者的輸出應該一致。v硬件調(diào)試：一般采用硬件仿真器進行調(diào)試，如果沒有相應的硬件仿真器，且硬件系統(tǒng)不是十分復雜，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

16、一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)三、DSP芯片的發(fā)展及應用(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(Texas 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

17、 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/C67X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/C

18、55XvTMS320C6000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，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：ADSP

19、2101/2103/2105 、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芯片的應用芯片的應用 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、雷達等許多領域得到廣泛的應用。DSP芯片的價格越來越低，性價比日益提高，具有巨大的應用潛力。第一章 數(shù)字

20、信號處理和DSP系統(tǒng)DSPDSP芯片的應用主要有：芯片的應用主要有： (1) 信號處理：數(shù)字濾波、自適應濾波、快速傅立葉變換、相關運算、譜分析、卷積等；(2) 通信：調(diào)制解調(diào)器、自適應均衡、數(shù)據(jù)壓縮、程控交換、數(shù)字基站、可視電話、多路復用、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、導航、導彈等；(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、超聲設備、診斷工具、病人監(jiān)護