DSP原理及應用

第一章

緒論第一章

緒論

1.1數字信號處理概述1.2DSP芯片1.3DSP系統1.4實驗和程序實例1.1數字信號處理概述1.1DSP（數字信號處理）簡介

算法研究數字信號處理的實現

1、利用X86處理器完成

2、利用通用微處理器3、利用可編程邏輯陣列（FPGA）

4、利用數字信號處理器

數字信號處理器是具有特定處理單元的、專門用于實時實現各種數字信號處理算法的微處理器。

1.2DSP芯片1.2.1.DSP芯片的發展概況1、第一階段：DSP的雛形階段（1980年前后）

20世紀70年代末第一個DSP芯片誕生。

1982年TI公司

第一款商用數字信號處理器。

單指令周期200∽250ns

2、第二階段：DSP的成熟階段（1990年前后）

20世紀80年代中期第二代CMOS工藝的DSP芯片TMS320C2x系列

隨后,第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32，

第四代DSP芯片TMS320C40/C44等

第五代DSP芯片TMS320C5000系列，

單指令周期為80-100ns。

3、第三階段：DSP的完善階段（2000年以后）

第六代DSP芯片TMS320C6000系列。當前運算速度最快

單指令周期可達10ns

左右

1.2DSP芯片1.2.1.DSP芯片的發展概況4、DSP的發展趨勢（1）DSP的內核結構將進步改善

（2）運算速度更快、運算精度更高、動態范圍更大（3）DSP與MPU、CPU的融合（4）DSP和SOC的融合（5）DSP和FPGA的融合（6）實時操作系統RTOS與DSP的結合（7）DSP的并行處理結構（8）功耗越來越低（9）開發工具1.2.2.DSP芯片的特點（1）存儲器采用哈佛結構微處理器的存儲器結構主要有馮·諾依曼（VonNeumann）結構和哈佛（Harvard）結構兩類。

馮·諾依曼（VonNeumann）結構，只有一個存儲器空間、一套地址總線和一套數據總線，程序和數據都存放到這個存儲器空間，且統一分配存儲地址。因此執行運算時，處理器必須分時訪問程序和數據空間。

圖1-1馮·諾依曼1.2DSP芯片

哈佛（Harvard）結構，程序存儲器和數據存儲器分開，每個存儲器都有獨立的地址總線和數據總線，可同時從程序存儲器取指令和從數據存儲器取操作數，從而實現并行工作，提高運算速度。圖1-2哈佛結構1.2DSP芯片（2）多通路、多總線結構

DSP芯片都采用多總線結構，可同時進行取指令和多個數據存取操作，使CPU在一個機器周期內可多次對程序空間和數據空間進行訪問，大大提高了DSP的運行速度1.2DSP芯片（3）流水線操作

流水線（Pipeline）操作是將指令的執行分解為預取指（Prefetch）、取指（Fetch）、譯碼（Decode）、尋址（Access）、取數（Read）、執行（Execute）等幾個階段。如圖所示。在TMS320C64x+DSP中，每個周期內可執行8條指令。圖1-3流水線操作示意圖1.2DSP芯片（4）獨立的硬件乘法累加單元

由于數字信號處理任務中，都包含有大量重復的乘法和累加操作，通用處理器的乘法運算使用軟件進行移位或加法來實現，需要若干個機器周期，而DSP處理器使用專門的硬件乘法器，并使用累加器來處理多個乘積的累加，即通過DSP指令集中的MAC指令實現單周期乘加運算，從而有效提高了數字信號處理的速度。（5）具有特殊的DSP指令1.2DSP芯片（6）獨立的DMA總線和控制器DSP處理器中設置了獨立的DMA總線和控制器，通過與CPU的程序總線和數據總線并行工作，使得在數據傳輸時不影響CPU及其總線的工作，從而提高數據吞吐率，加快信號處理速度，如TMS320C64x中使用了64個獨立通道的增強型DMA（EDMA）總線及控制器。1.2DSP芯片（7）硬件配置強新一代DSP芯片集成了眾多類型的硬件設備，包括定時器、串行口、并行口、主機接口（HPI）、DMA控制器、等待狀態發生器、中斷處理器、PLL時鐘產生器、JTAG標準測試接口、ROM、RAM及FLASH等，從而提高了DSP的處理速度、降低了系統功耗，簡化了接口設計、方便了多處理器擴展，非常適于嵌入式便攜數字設備應用。（8）支持多處理器結構支持多處理器結構，可以實現完成巨大運算量的多處理器系統，即將算法劃分給多個處理器，借助高速通信接口來實現計算任務并行處理的多處理器陣列1.2DSP芯片1.2.3.DSP的分類DSP芯片可以按照基礎特性（工作時鐘或指令類型）、用途、數據格式進行分類。基礎特性（工作時鐘或指令類型）：靜態DSP：在一定時鐘頻率范圍內的任何頻率上都能正常工作。一致性DSP：對于兩種或兩種以上DSP芯片，其指令集和相應機器代碼及管腳結構相互兼容。用途：通用型DSP：可用指令編程的DSP芯片，通過編程可實現復雜的數字信號處理算法，具有較強處理能力。專用型DSP：為特定DSP運算而設計，針對某一應用算法，由內部硬件電路實現，適于數字濾波、FFT、卷積等特殊運算。1.2DSP芯片數據格式：定點DSP：以定點數據格式工作，大多數定點DSP芯片采用16位定點運算。浮點DSP：以浮點數據格式工作，浮點格式包括自定義浮點格式和IEEE標準浮點格式。1.2DSP芯片數據格式：定點DSP：以定點數據格式工作，大多數定點DSP芯片采用16位定點運算。浮點DSP：以浮點數據格式工作，浮點格式包括自定義浮點格式和IEEE標準浮點格式。1.2DSP芯片1.2DSP芯片1.2.4TI公司的DSP芯片

1982年，TI推出TMS32010——第一款商用定點DSP，TMS320系列擁有多款16位和32位定點/浮點DSP，C1x、C2x、C2xx、C5x、C54x、C55x、C6x、C62x、C64x系列為定點DSP，C3x、C4x、C67x系列為浮點DSP，C8x系列為多處理器模式DSP。其每代定點/浮點DSP的源代碼均向上兼容。

TMS320系列DSP主要由三大支撐平臺構成，包括：TMS320C2000（主要用于包括電機控制等的系統控制優化領域）TMS320C5000（主要用于便攜式、低功耗消費電子產品）TMS320C6000（主要用于高速信號處理及高性能圖像、

視頻處理領域）1.2DSP芯片1.3.1DSP系統的構成1.3實時DSP系統設計1.3.2

DSP系統的設計流程1.3實時DSP系統設計1.3.3

算法開發1.3.4

DSP芯片的選擇（1）速度（2）價格（3）硬件資源（4）運算精度（5）芯片的功耗1.3實時DSP系統設計1.3.5DSP技術的應用

（1）信號處理：濾波，FFT,（2）通信:調制解調，自適應濾波（3）語音：語音編碼，語音合成（4）圖形圖像：圖像增強，圖像處理，（5）軍事：雷達，制導（6）儀器儀表：頻譜分析，數據采集（7）自動控制：發動機控制（8）醫療工程：醫療設備（9）家用電器：音響，機頂盒（10）計算機1.3實時DSP系統設計（1）Matlab完成抽樣定理的驗證（2）使用ICETEK-DM6437實驗箱完成抽樣定理的驗證

參照實驗Lab0406-Nyquist指導書相