DSP原理及應(yīng)用-(喬瑞萍)(TMS320C54X)

第1章緒論(xùlùn)

1.1引言1.2DSP芯片概述1.3運算(yùnsuàn)基礎(chǔ)共四十二頁1.1引言1．?dāng)?shù)字信號處理概述數(shù)字信號處理，或者說對信號的數(shù)字處理，是利用計算機(jī)或?qū)Ｓ玫臄?shù)字設(shè)備對數(shù)字信號進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮(yāsuō)和識別等加工處理，以得到符合人們需要的信號形式并進(jìn)行有效的傳輸與應(yīng)用，它是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的并廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。數(shù)字信號處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)的。圖1-1所示為一個典型的DSP系統(tǒng)。共四十二頁圖1-1數(shù)字信號處理系統(tǒng)簡化(jiǎnhuà)框圖共四十二頁DSP系統(tǒng)的輸入信號可以有各種各樣的形式，例如：聲音、圖像、溫度、壓力等。假設(shè)我們輸入的是語音信號，DSP系統(tǒng)首先對語音信號進(jìn)行帶限濾波和抽樣(chōuyànɡ)，根據(jù)奈奎斯特定理，抽樣(chōuyànɡ)頻率至少必須是輸入帶限信號最高頻率的2倍，以防止信號頻譜混疊，保證語音信息不丟失。共四十二頁2．單片機(jī)與數(shù)字信號處理器單片機(jī)是從Z80發(fā)展而來的，它將微處理器和部分外圍功能(如ROM、RAM及外部串口等)集成在一個芯片上，組成微型計算機(jī)。數(shù)字信號處理器(DigitalSignalProcessor，DSP)是功能更強(qiáng)大的單片機(jī)，是現(xiàn)代電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路、計算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，特別適合于數(shù)字信號處理運算，主要應(yīng)用(yìngyòng)于實時快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法(如卷積運算、FFT、DFT、矩陣乘法等)。共四十二頁DSP芯片與單片機(jī)的主要區(qū)別在于數(shù)值處理和高速控制。DSP有硬件乘法器，存儲容量大得多。DSP采用的是改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)并廣泛采用流水線技術(shù)，多個控制和運算部件并行工作，從而大大提高了運算速度。DSP芯片內(nèi)有多條數(shù)據(jù)、地址和控制總線，另外，它還有特殊指令(zhǐlìng)：MAC(連乘加指令(zhǐlìng)，單周期同時完成乘法和加法運算)、RPTS和RPTB(硬件判斷循環(huán)邊界條件，避免破壞流水線)；特殊尋址方式：位倒序?qū)ぶ?實現(xiàn)FFT快速倒序)和循環(huán)尋址。共四十二頁1.2DSP芯片(xīnpiàn)概述1．DSP芯片的發(fā)展美國(měiɡuó)德州儀器公司(TI，TexasInstruments)成功地推出了DSP芯片的一系列產(chǎn)品。TMS320是包括定點、浮點和多處理器在內(nèi)的數(shù)字信號處理器(DSP)系列，其結(jié)構(gòu)非常適合于做實時信號處理。共四十二頁圖1-2TMS320系列(xìliè)DSP發(fā)展示意圖共四十二頁2．TMS320系列的典型(diǎnxíng)應(yīng)用自從20世紀(jì)70年代末第一個DSP芯片誕生以來，DSP芯片取得了飛速的發(fā)展。在20年里，DSP芯片已經(jīng)在信號處理、音/視頻、通信、消費、軍事等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著DSP芯片性價比的不斷提高，單位運算量功耗的顯著降低，DSP芯片的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)粩鄶U(kuò)大。表1-1列出了TMS320系列DSP的典型應(yīng)用。共四十二頁表1-1TMS320系列DSP的典型(diǎnxíng)應(yīng)用共四十二頁TI作為(zuòwéi)全球DSP的領(lǐng)導(dǎo)者，目前主推三個DSP平臺：TMS320C2000、TMS320C5000和TMS320C6000。其中包括多個子系列，數(shù)十種DSP器件，為用戶提供廣泛的選擇，以滿足各種不同應(yīng)用的需求。共四十二頁TMS320C2000系列DSP主要用于代替MCU，應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域，尤其是電機(jī)控制領(lǐng)域。TMS320C5000系列DSP是為實現(xiàn)低功耗、高性能而專門設(shè)計的16位定點DSP芯片，它主要應(yīng)用于通信和消費類電子產(chǎn)品，如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、無線通信基礎(chǔ)(jīchǔ)設(shè)備、VoIP網(wǎng)關(guān)、IP電話、MP3等。

TMS320C6000系列的DSP主要應(yīng)用于高速寬帶和圖像處理等高端應(yīng)用，如寬帶通信、3G基站和醫(yī)療圖像處理等。共四十二頁1.3運算基礎(chǔ)1.3.1數(shù)據(jù)格式DSP有定點DSP和浮點DSP兩種。本書介紹的TMS320C54x是16位定點DSP。在定點DSP中，數(shù)據(jù)有兩種基本的表示(biǎoshì)方法：整數(shù)表示(biǎoshì)方法和小數(shù)表示(biǎoshì)方法。共四十二頁1．整數(shù)DSP芯片和所有微處理器一樣，以2的補(bǔ)碼形式表示有符號數(shù)。16位定點DSP整型數(shù)格式為：Sxxxxxxxxxxxxxxx，其中最高位S為符號位，0代表正數(shù)，l代表負(fù)數(shù)，其余(qíyú)位為數(shù)據(jù)位。數(shù)的范圍為-32768～32767。整數(shù)的最大取值范圍取決于DSP的字長，字長越長，所能表示的數(shù)據(jù)范圍越大，精度越高。假定一個整數(shù)字長為n，則其取值范圍為-2n～2n-1。整數(shù)的最小分辨率為1。共四十二頁【例1】若字長n=8，求以下帶符號整數(shù)的二進(jìn)制、十六進(jìn)制和十進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換。正整數(shù) 01001011B=4BH=26+23+21+20=64+8+2+1=75負(fù)整數(shù) 11111101B=FDH=-3在本書介紹的TMS320C54xDSP中，整數(shù)一般用于控制(kòngzhì)操作、地址計算和其他非信號處理的應(yīng)用。

共四十二頁2．小數(shù)在16位定點DSP中，小數(shù)表示為：S.xxxxxxxxxxxxxxx，最高位S為符號位，其他(qítā)的各位采用2的補(bǔ)碼表示，小數(shù)點緊接著符號位，無整數(shù)位，數(shù)的范圍為(-1，1)。小數(shù)的最小分辨率為2-15。共四十二頁【例2】正小數(shù)01010000B=2-1+2-3=0.5+0.125=0.625負(fù)小數(shù)11010000B=-1+2-1+2-3=-1+0.5+0.125=-0.375對于求負(fù)小數(shù)的十進(jìn)制真值，也可先求數(shù)值位的原碼，即對11010000B求補(bǔ)，然后再求真值，即[11010000B]補(bǔ)=10110000B=-(2-2+2-3)=-(0.25+0.125)=-0.375小數(shù)主要用于數(shù)字和各種(ɡèzhǒnɡ)信號處理算法的計算。共四十二頁3．?dāng)?shù)的定標(biāo)顯然，定點表示并不意味著就一定是整數(shù)表示。在許多情況下，需要(xūyào)由編程來確定一個數(shù)的小數(shù)點的位置，即數(shù)的定標(biāo)。定點數(shù)最常用的是Q表示法或Qm.n表示法。它可將整數(shù)和小數(shù)表示方法統(tǒng)一起來。其中，m表示數(shù)的2補(bǔ)碼的整數(shù)部分，n表示數(shù)的2補(bǔ)碼的小數(shù)部分，1位符號位，數(shù)的總字長為m+n+l位。表示數(shù)的整數(shù)范圍為-2m～2m-1，小數(shù)的最小分辨率為2-n。表1-2給出了16種Q表示法及其所表示的十進(jìn)制數(shù)范圍。共四十二頁表1-2Q表示(biǎoshì)法及其表示(biǎoshì)的十進(jìn)制數(shù)范圍共四十二頁1)Q15.0格式(géshi)Q15.0格式的字長為16位，其每位的具體表示為：Sxxxxxxxxxxxxxxx。2)Q3.12格式Q3.12格式的字長為16位，其每位的具體表示為：Sxxxyyyyyyyyyyyy。3)Q0.15(或Q.15)格式Q.15格式的字長為16位，其每位的具體表示為：S.xxxxxxxxxxxxxxx。共四十二頁4)Q0.31(或Q.31)格式Q.31格式的字長(zìchánɡ)為32位，需要2個16位的存儲器字來表示。它實際上是Q.15格式的擴(kuò)展表示。其每位的具體表示為：Sxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx。共四十二頁4．定點數(shù)格式的選擇在具體應(yīng)用中，為保證在整個運算過程中數(shù)據(jù)不會溢出，應(yīng)選擇合適的數(shù)據(jù)格式。例如，對于Q.15格式，其數(shù)據(jù)范圍(-1，1)，這樣(zhèyàng)就必須保證在所有運算中，其結(jié)果都不能超過這個范圍，否則，芯片將結(jié)果取其極大值-1或l，而不管其真實結(jié)果為多少。共四十二頁5．定點格式數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換同一個用二進(jìn)制表示的定點數(shù)，當(dāng)采用不同的Qm.n表示方法時，其代表(dàibiǎo)的十進(jìn)制數(shù)是不同的。例如：用Q15.0表示方法，十六進(jìn)制數(shù)3000H=12288；用Q0.15表示方法，十六進(jìn)制數(shù)3000H=0.375；用Q3.12表示方法，十六進(jìn)制數(shù)3000H=3。共四十二頁(1)將十進(jìn)制數(shù)表示成Qm.n格式。首先將數(shù)乘以2n，變成整數(shù)(zhěngshù)，然后再將整數(shù)(zhěngshù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的Qm.n格式。(2)將某種動態(tài)范圍較小的Qm.n格式轉(zhuǎn)換為動態(tài)范圍較大的Qm.n格式。共四十二頁1.3.2定點算術(shù)運算1．兩個定點數(shù)的加/減法定點數(shù)的加/減法必須保證兩個操作數(shù)的格式(géshi)一致。如果兩個數(shù)的Q值不同，可將Q值小的數(shù)調(diào)整為與另一個數(shù)的Q值一樣大，但必須在保證數(shù)據(jù)精度不變的前提下。另外，注意有符號和無符號數(shù)加/減運算的溢出問題。共四十二頁【例3】若x、y為正數(shù)，x=4.125，y=0.125，求x+y。解x=4.125，采用Q3.12格式(géshi)表示的十六進(jìn)制碼為x×212=4.125×212=4200H；y=0.125，采用Q.15格式表示的十六進(jìn)制碼為x×215=0.125×215=1000H。由于Q3.12格式與Q.15格式的整數(shù)位相差3位，因此將y的Q.15格式表示的十六進(jìn)制碼1000H右移3位；由于1000H為正數(shù)，因此將整數(shù)部分補(bǔ)零，得到用Q3.12格式表示的0.125為0200H。將4200H加上0200H得到4400H，該數(shù)的格式為Q3.12，x+y=4.25。共四十二頁【例4】若x為正數(shù)，y為負(fù)數(shù)，x=5.625，y=-0.625，求x+y。解x=5.625，采用Q3.12格式表示的十六進(jìn)制碼為5A00H；y=-0.625，采用Q.15格式表示的十六進(jìn)制碼為B000H。將y表示為Q3.12格式時，將它右移3位，因為是負(fù)數(shù)，所以整數(shù)部分(bùfen)符號位擴(kuò)展后結(jié)果為F600H。將F600H加到5A00H上，結(jié)果為5000H，x+y的Q3.12格式的值等于5。

共四十二頁【例5】若x、y為負(fù)數(shù)，x=-1.625，y=-0.125，求x+y。解x=-1.625，采用Q3.12格式表示的十六進(jìn)制碼為E600H；y=-0.125，采用Q.15格式表示的十六進(jìn)制碼為F000H。將y表示為Q3.12格式后，其十六進(jìn)制碼為FE00H。將FE00H加到E600H上，結(jié)果(jiēguǒ)為E40OH，x+y的Q3.12格式的值等于-1.75。

共四十二頁【例6】若x為負(fù)數(shù)，y為正數(shù)，x=-4.025，y=0.425，求x+y。解x=-4.025，采用Q3.12格式表示(biǎoshì)的十六進(jìn)制碼為BF9AH；y=0.425，采用Q.15格式表示的十六進(jìn)制碼為3666H。將y表示為Q3.12格式后，其十六進(jìn)制碼為06CCH。將06CCH加到BF9AH上，結(jié)果為C666H，x+y的Q3.12格式的值等于-3.6，結(jié)果正確。共四十二頁2．兩個定點數(shù)的乘法(chéngfǎ)兩個16位定點數(shù)的乘法分以下幾種情況。1)純小數(shù)乘以純小數(shù)(數(shù)據(jù)用Q.15表示)Q.15×Q.15＝Q.30 Sxxxxxxxxxxxxxxx ；Q.15× Syyyyyyyyyyyyyyy ；Q.15SSzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz ；Q.30共四十二頁【例7】0.5×0.5=0.25。0.100000000000000 ；Q.15×0.100000000000000 ；Q.15 00.010000000000000000000000000000=0.25 ；Q.30共四十二頁2)整數(shù)(zhěngshù)乘整數(shù)(zhěngshù)(數(shù)據(jù)用Q15.0表示)Q15.0×Q15.0=Q30.0【例8】12×(-5)=-60。0000000000001100 (12)；Q15.0×1111111111111011 (-5)；Q15.011111111111111111111111111000100 (-60) ；Q30.0共四十二頁3)混合表示法兩個16位整數(shù)相乘，乘積總是(zǒnɡshì)“向左增長”，積為32位，難于進(jìn)行后續(xù)的遞推運算；兩個小數(shù)相乘，乘積總是(zǒnɡshì)“向右增長”，且存儲高16位乘積，用較少資源來保存結(jié)果(這是DSP芯片采用小數(shù)乘法的原因)用于遞推運算。許多情況下，運算過程中為了既滿足數(shù)值的動態(tài)范圍，又保證一定的精度，就必須采用Q15.0與Q.15之間的Q表示法，即混合表示。例如，數(shù)值1.0125顯然用Q.15格式無法表示，而若用Q15.0格式表示，則最接近的數(shù)是1，精度無法保證。因此，數(shù)1.0125最佳的表示法是Q1.14格式。共四十二頁【例9】1.5×0.75=1.125。01.10000000000000 (1.5) ；Q1.14× 00.11000000000000 (0.75)；Q1.140001.0010000000000000000000000000=1.125 ；Q2.13由于Q1.14的最大值不大于2，因此，2個Q1.14數(shù)相乘得到(dédào)的乘積不大于4。共四十二頁3．兩個定點數(shù)的除法在通用DSP芯片中，一般不提供單周期的除法指令，為此必須采用除法子程序(chéngxù)來實現(xiàn)。二進(jìn)制除法是乘法的逆運算。乘法包括一系列的移位和加法，而除法可分解為一系列的減法和移位。下面說明除法的實現(xiàn)過程。設(shè)累加器為8位，且除法運算為91除以4。除的過程就是除數(shù)逐步移位并與被除數(shù)比較的過程。在這過程中，每一步都進(jìn)行減法運算，如果夠減，則將1插入商中，否則補(bǔ)0。

共四十二頁除法一般(yībān)用有規(guī)律的減法去做，如：10110??商220100?01011011被除數(shù)910100?除數(shù)(chúshù)4右移3位11010010110011余3被除數(shù)位置(wèizhi)不動商位置不動除數(shù)右移共四十二頁TMS320C54x利用帶條件減法SUBC來實現(xiàn)除法運算，除數(shù)不動，被除數(shù)、商左移。TMS320沒有專門的除法指令，但使用條件減法指令SUBC加上重復(fù)指令RPT就可以完成有效靈活的除法功能。使用SUBC的惟一限制是兩個操作數(shù)必須為正。程序員必須事先了解其可能的運算數(shù)的特性，如其商是否可以用小數(shù)表示及商的精度(jīnɡdù)是否可被計算出來。這里每一種考慮都會影響到如何使用SUBC指令的問題。共四十二頁如上(rúsháng)例中：(1)被除數(shù)減除數(shù)：01011011