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1、会计学1应用技术之一应用技术之一2DSP芯片技术原理与应用芯片技术原理与应用n n数字信号处理芯片技术综述数字信号处理芯片技术综述 DSPsDSPs发展、分类、结构功能特点、性能指标、选型原则、应用发展、分类、结构功能特点、性能指标、选型原则、应用n nTMS320C2000TMS320C2000系列系列DSPsDSPs芯片结构芯片结构 结构框图、片内外设、存储器与结构框图、片内外设、存储器与I/OI/O空间、程序控制与中断管理空间、程序控制与中断管理n nTMS320C2000TMS320C2000软件设计软件设计 寻址方式与汇编指令、汇编语言详解、寻址方式与汇编指令、汇编语言详解、CCSC
2、CS开发环境开发环境第1页/共79页3实时数字信号处理系统设计实时数字信号处理系统设计n n实时数字信号处理概述实时数字信号处理概述 实时概念、数字信号处理概念、量化与舍入、定点实时概念、数字信号处理概念、量化与舍入、定点与浮点与浮点n n实时处理系统构成实时处理系统构成 通用计算机、单片机、可编程通用计算机、单片机、可编程DSPDSP芯片、专用芯片、专用DSPDSP芯片、可编程逻辑器件芯片、可编程逻辑器件FPGAFPGAn n实时信号处理的主要技术实时信号处理的主要技术 数据采集技术、数据存储技术、电路集成技术、信数据采集技术、数据存储技术、电路集成技术、信号产生技术、总线接口技术、并行算法
3、体系结构号产生技术、总线接口技术、并行算法体系结构n n系统设计方法系统设计方法 系统需求、总体设计、硬件设计、软件设计、系统系统需求、总体设计、硬件设计、软件设计、系统集成集成第2页/共79页4参考教材参考教材n nTMS320C2000TMS320C2000系列系列DSPDSP原理及应用技术原理及应用技术 何苏勤何苏勤 王忠勇王忠勇 电子工业出版社电子工业出版社n nDSPDSP基础与应用系统设计基础与应用系统设计 王念旭王念旭 北京航天航空大学出版社北京航天航空大学出版社n nDSPDSP技术的发展与应用技术的发展与应用 彭启琮彭启琮 李玉柏李玉柏 管庆管庆 高等教育出版社高等教育出版社
4、n nDSPDSP芯片的原理与开发应用芯片的原理与开发应用 张雄伟张雄伟 曹铁勇曹铁勇 电子工业出版社电子工业出版社n nDSPDSP集成开发环境集成开发环境CCSCCS开发指南开发指南 尹勇尹勇 欧光军欧光军 关荣锋关荣锋 北京航天航空大学出版社北京航天航空大学出版社第3页/共79页5参考教材参考教材n n实时信号处理信号处理系统设计与实现实时信号处理信号处理系统设计与实现 李玉柏李玉柏 杨乐杨乐 李征李征 译译 电子工业出版社电子工业出版社n nDSPDSP应用系统设计应用系统设计 朱铭锆朱铭锆 赵勇赵勇 甘泉甘泉 电子工业出版社电子工业出版社n nCadence PCBCadence P
5、CB设计与制板设计与制板 周润景周润景 袁伟亭袁伟亭 刘晓滨刘晓滨 电子工业出版社电子工业出版社n n TMS320C20 x Users GuideTMS320C20 x Users Guide Texas Instruments Texas Instruments IncorporatedIncorporatedn n TMS320F/C24x DSP Controllers Reference Guide TMS320F/C24x DSP Controllers Reference Guide Texas Instruments Texas Instruments Incorporate
6、dIncorporated第4页/共79页6一一 数字信号处理概述数字信号处理概述n n1.1 DSP1.1 DSP技术概念技术概念n n1.2 1.2 数字信号处理优势数字信号处理优势n n1.3 DSP1.3 DSP实际应用实际应用n n1.4 1.4 实时数字信号处理概念实时数字信号处理概念n n1.5 1.5 实时处理系统组成实时处理系统组成n n1.6 1.6 通用通用DSPsDSPs芯片介绍芯片介绍n n1.7 DSPs1.7 DSPs芯片特点芯片特点n n1.8 DSPs1.8 DSPs实现高速运算的途径实现高速运算的途径n n1.9 DSP1.9 DSP芯片性能指标以及选型依据
7、芯片性能指标以及选型依据第5页/共79页71.1 DSP技术概念技术概念DSPDSP与与与与DSPDSP技术技术技术技术DDigital igital S Signal ignal P Processingrocessing：数字信号处理理论和方法数字信号处理理论和方法DDigital igital S Signal ignal P Processorrocessor：可编程的用于数字信号处理的微处理器可编程的用于数字信号处理的微处理器DSPDSP技术：技术：将通用的或专用的将通用的或专用的DSPDSP处理器用于完成数字信号处理处理器用于完成数字信号处理的方法和技术的方法和技术第6页/共79页
8、8DSPDSP技术的发展可分为两个领域：技术的发展可分为两个领域：技术的发展可分为两个领域：技术的发展可分为两个领域：数字信号处理理论和方法在近些年来得到迅猛发展。数字信号处理理论和方法在近些年来得到迅猛发展。各种快速算法，声音与图像的压缩编码、识别，加密各种快速算法，声音与图像的压缩编码、识别，加密解密，调制解调，信道辨识与均衡，智能天线，时频解密，调制解调，信道辨识与均衡，智能天线，时频分析等都是当前研究的热点。这些理论为各种实时处分析等都是当前研究的热点。这些理论为各种实时处理的应用提供了算法基础。理的应用提供了算法基础。随着微电子科学与技术的进步，随着微电子科学与技术的进步，DSPDS
9、P处理器的性能也处理器的性能也在迅速提高。目前的工艺水平，在迅速提高。目前的工艺水平，90nm90nm线宽的线宽的DSPDSP产品产品已经面世，时钟频率已经面世，时钟频率1GHz1GHz，每秒，每秒8080亿次整数运算，亿次整数运算，数据吞吐率达到了数据吞吐率达到了2Gbyte/s2Gbyte/s。在性能大规模提高的同。在性能大规模提高的同时，芯片体积、功耗和成本大幅度地下降，以满足低时，芯片体积、功耗和成本大幅度地下降，以满足低成本便携式电池供电应用系统的要求。成本便携式电池供电应用系统的要求。第7页/共79页9DSPDSP处理器主要性能的发展以及对将来的影响处理器主要性能的发展以及对将来的
10、影响处理器主要性能的发展以及对将来的影响处理器主要性能的发展以及对将来的影响典型DSP处理器性能1980199020002010工艺水平（nm）300080010020速度（MIPS）540500050000RAM（Byte）2562K32K1M功耗（mW/MIPS）25012.50.10.001价格（$）1501550.15MIPS：百万指令每秒第8页/共79页101.2 数字信号处理优势数字信号处理优势n n可控性强n n稳定性高n n精度高n n抗干扰性能强n n实现自适应性n n数据压缩n n大规模集成第9页/共79页11可控性强可控性强可控性强可控性强 对于以对于以DSPDSP处理器
11、为核心的数字系统而言，可以设计处理器为核心的数字系统而言，可以设计一个硬件平台，然后用各种软件来执行各种各样的数字一个硬件平台，然后用各种软件来执行各种各样的数字信号处理任务。改变系统的功能与性能时，只需要改变信号处理任务。改变系统的功能与性能时，只需要改变相应的软件或软件中的参数，而不需要改变硬件电路。相应的软件或软件中的参数，而不需要改变硬件电路。这使得可编程这使得可编程DSPDSP处理器为核心的数字信号处理系统具处理器为核心的数字信号处理系统具有极大的灵活性，是传统模拟系统无法比拟的。有极大的灵活性，是传统模拟系统无法比拟的。数字滤波器通过重新编程来实现低通、高通、带通等不同的滤波任务软
12、件无线电技术是在一个高性能DSP处理器为核心的硬件平台上实现不同工作模式的电台通信虚拟仪器技术是以在同一硬件平台上实现传统仪器的测量任务第10页/共79页12稳定性好稳定性好稳定性好稳定性好 模拟电路中的电阻、电容、电感和运算放大器等器件模拟电路中的电阻、电容、电感和运算放大器等器件的参数特性，都会随着温度、电磁、震动、压力等外界的参数特性，都会随着温度、电磁、震动、压力等外界环境的改变而改变，也会随着时间的改变而改变。这些环境的改变而改变，也会随着时间的改变而改变。这些影响都会导致系统精度的下降，甚至导致系统不能正常影响都会导致系统精度的下降，甚至导致系统不能正常工作。而数字电路系统只有两个
13、电平工作。而数字电路系统只有两个电平“1 1”，“0 0”，在，在器件正常工作的条件下，噪声以及环境的影响一般不会器件正常工作的条件下，噪声以及环境的影响一般不会影响结果的正确性和准确性。影响结果的正确性和准确性。另外，由于另外，由于DSPDSP系统采用大规模集成电路，其故障率系统采用大规模集成电路，其故障率远比采用分立元件构成的模拟系统的低。远比采用分立元件构成的模拟系统的低。第11页/共79页13精度高精度高精度高精度高 模拟网络中的元件（例如电阻、电容、电感等）精度模拟网络中的元件（例如电阻、电容、电感等）精度很难达到很难达到1010-3-3以上，所以由模拟网络组成的系统精度要达以上，所
14、以由模拟网络组成的系统精度要达到到1010-3-3以上就很困难。而数字系统以上就很困难。而数字系统1717位字长就可以达到位字长就可以达到1010-6 6精度。因此，如果使用精度。因此，如果使用DSPDSP，D/AD/A来代替系统中的模拟来代替系统中的模拟网络，并有效提高网络，并有效提高A/DA/D和和D/AD/A部分的精度将有效提高系部分的精度将有效提高系统的整体精度。在一些高精度的系统，有时甚至只有采统的整体精度。在一些高精度的系统，有时甚至只有采用数字技术才可以达到精度要求。用数字技术才可以达到精度要求。例如，雷达技术中的脉冲压缩，要求正、副瓣之比例如，雷达技术中的脉冲压缩，要求正、副瓣
15、之比达到达到35dB35dB或或40dB40dB，理论上虽然可行，但在模拟实现时实，理论上虽然可行，但在模拟实现时实际上受到元件精度的限制，只能达到际上受到元件精度的限制，只能达到30dB30dB左右。而用数左右。而用数字脉冲压缩，字脉冲压缩，8 8位位ADAD，就可以达到，就可以达到40dB40dB，且动态范围可，且动态范围可以达到以达到60dB60dB。第12页/共79页14抗干扰性能强抗干扰性能强抗干扰性能强抗干扰性能强 信号在处理和传输过程中受到噪声干扰是不可避免的。信号在处理和传输过程中受到噪声干扰是不可避免的。例如，环境对声音和图像信号的干扰，多次复制录像带例如，环境对声音和图像信
16、号的干扰，多次复制录像带所加入的噪声等等。要在被干扰的模拟信号中完全去除所加入的噪声等等。要在被干扰的模拟信号中完全去除噪声非常困难，甚至不可能。数字信号抗干扰性能大大噪声非常困难，甚至不可能。数字信号抗干扰性能大大优于模拟信号，以优于模拟信号，以0 0、1 1所表征的数字信号虽然也会受到所表征的数字信号虽然也会受到噪声的干扰，但是只要能够正确识别噪声的干扰，但是只要能够正确识别0 0、1 1电平，就可以电平，就可以将其再生，则可以完全消除噪声的影响。迅速发展的各将其再生，则可以完全消除噪声的影响。迅速发展的各种数字纠错编码技术，能够在极为复杂的噪声环境中，种数字纠错编码技术，能够在极为复杂的
17、噪声环境中，甚至信号完全被噪声淹没的情况下，正确的识别和恢复甚至信号完全被噪声淹没的情况下，正确的识别和恢复原有的信号。原有的信号。应用：数字电视应用：数字电视第13页/共79页15实现自适应算法实现自适应算法实现自适应算法实现自适应算法 从信号与系统的角度讲，自适应就是使系统的特性随从信号与系统的角度讲，自适应就是使系统的特性随输入信号的改变而改变，从而在某种准则下，得到最优输入信号的改变而改变，从而在某种准则下，得到最优的输出。例如，的输出。例如，IPIP电话中的回声会严重影响服务质量，电话中的回声会严重影响服务质量，必须加以消除。但回声的幅度和延时量随时都在改变，必须加以消除。但回声的幅
18、度和延时量随时都在改变，只有使用自适应系统才能将其消除。就模拟系统而言，只有使用自适应系统才能将其消除。就模拟系统而言，只有改变系统的设计和元器件参数，才能改变系统特性，只有改变系统的设计和元器件参数，才能改变系统特性，因而很难实现实时自适应。以因而很难实现实时自适应。以DSPDSP处理器为核心的数字处理器为核心的数字系统，已经成为实现各种自适应算法的首选。对于特定系统，已经成为实现各种自适应算法的首选。对于特定的自适应算法，它能根据确定的准则，实时的改变系统的自适应算法，它能根据确定的准则，实时的改变系统的参数，从而实现自适应；对于不同的自适应算法，只的参数，从而实现自适应；对于不同的自适应
19、算法，只需要更换适当的软件。需要更换适当的软件。第14页/共79页16数据压缩数据压缩数据压缩数据压缩 随着对信号质量的要求越来越高（例如高保真音响随着对信号质量的要求越来越高（例如高保真音响系统系统Hi-FiHi-Fi和高清数字电视和高清数字电视HDTVHDTV），信号传输的带宽和），信号传输的带宽和存储的代价也越来越高。其传输成本就很大，必须加以存储的代价也越来越高。其传输成本就很大，必须加以压缩。压缩。模拟信号的信息量也可以进行压缩，例如限制信号的模拟信号的信息量也可以进行压缩，例如限制信号的带宽，但付出代价是带宽的变窄，信号的质量会受到很带宽，但付出代价是带宽的变窄，信号的质量会受到很
20、大的影响，造成图像与声音的失真。大的影响，造成图像与声音的失真。对数字信号的压缩要有效的多。随着数字信号处理对数字信号的压缩要有效的多。随着数字信号处理中的压缩算法的不断改进，已经可以在对原有信号质量中的压缩算法的不断改进，已经可以在对原有信号质量影响很小的前提下，取得很高的压缩比。减轻数据传输影响很小的前提下，取得很高的压缩比。减轻数据传输和存储的负担。和存储的负担。第15页/共79页17大规模集成大规模集成大规模集成大规模集成 随着微电子科学与技术的发展，集成电路已经不再随着微电子科学与技术的发展，集成电路已经不再是数字电路的专利。近年来，出现了大量的模拟集成电是数字电路的专利。近年来，出
21、现了大量的模拟集成电路和模拟路和模拟/数字混合集成电路，但从可选择的种类、集成数字混合集成电路，但从可选择的种类、集成度、功能与性能、性价比等诸方面比较而言，还是不能度、功能与性能、性价比等诸方面比较而言，还是不能和超大规模数字集成电路相比。数字部件具有高度规范和超大规模数字集成电路相比。数字部件具有高度规范性，便于大规模集成、大规模生产，且数字电路主要工性，便于大规模集成、大规模生产，且数字电路主要工作在截止饱和状态，对电路要求不严格，因此产品的成作在截止饱和状态，对电路要求不严格，因此产品的成品率高，价格日趋下降。品率高，价格日趋下降。DSPDSP处理器，就是基于超大规处理器，就是基于超大
22、规模数字集成电路技术和计算机技术而发展起来的、适合模数字集成电路技术和计算机技术而发展起来的、适合于数字信号处理的高速高位微处理器。于数字信号处理的高速高位微处理器。在在DSPDSP系统中，系统中，DSPDSP芯片、芯片、FPGAFPGA、CPLDCPLD等都是高集等都是高集成度产品，加上采用表面贴装技术，系统尺寸得以大幅成度产品，加上采用表面贴装技术，系统尺寸得以大幅度压缩。度压缩。第16页/共79页18模拟信号处理不可替代模拟信号处理不可替代模拟信号处理不可替代模拟信号处理不可替代 自然界的信号绝大多数都是模拟信号自然界的信号绝大多数都是模拟信号 从自然界采集并需处理的都是诸如声音、图像、
23、温从自然界采集并需处理的都是诸如声音、图像、温度等模拟信号，必须首先用数模混合电路加以调理（滤度等模拟信号，必须首先用数模混合电路加以调理（滤波、整形、放大），而后进行波、整形、放大），而后进行ADAD转换变成数字信号进行转换变成数字信号进行数字处理。数字处理。模拟信号处理系统从根本上说是实时的模拟信号处理系统从根本上说是实时的 很多信号，要求其处理系统必须是实时的，譬如雷很多信号，要求其处理系统必须是实时的，譬如雷达、通信等等。数字处理本质上是通过计算来实现的，达、通信等等。数字处理本质上是通过计算来实现的，虽然虽然DSPDSP处理速度很快，但对大运算量复杂的算法往往处理速度很快，但对大运算
24、量复杂的算法往往不能实时完成。而模拟信号除了系统延时外，从根本上不能实时完成。而模拟信号除了系统延时外，从根本上是实时的。是实时的。射频（射频（RFRF）信号的处理要由模拟系统来完成）信号的处理要由模拟系统来完成 电磁波是一种重要的资源，数字基带信号需要调制才电磁波是一种重要的资源，数字基带信号需要调制才能发射出去。其射频信号的发送和接收只有依靠模拟系能发射出去。其射频信号的发送和接收只有依靠模拟系统来完成。统来完成。第17页/共79页191.3 数字信号处理技术应用数字信号处理技术应用第18页/共79页20第19页/共79页211.4 实时数字信号处理概念实时数字信号处理概念 信号处理的实质
25、是对信号进行变换，目的是获取信号中包含的有用信息，并信号处理的实质是对信号进行变换，目的是获取信号中包含的有用信息，并用更直接的方式进行表达。数字信号处理就是用数字的方法对信号进行变换来获用更直接的方式进行表达。数字信号处理就是用数字的方法对信号进行变换来获取有用信息，如离散傅里叶变换取有用信息，如离散傅里叶变换(DFT)(DFT)就是最常用的就是最常用的DSPDSP算法。算法。实时指的是系统必须在有限的时间内完成外部输入信号的指定处理，即信号实时指的是系统必须在有限的时间内完成外部输入信号的指定处理，即信号处理速度必须大于等于输入信号更新的速度，而且从信号输入到处理后输出的延处理速度必须大于
26、等于输入信号更新的速度，而且从信号输入到处理后输出的延迟必须足够的小。譬如一个制导系统的输出延迟就要求在几毫秒以内。迟必须足够的小。譬如一个制导系统的输出延迟就要求在几毫秒以内。第20页/共79页22常见信号的典型数据率第21页/共79页23 不同类型的信号所要求的实时信号处理速度相差很大。不同类型的信号所要求的实时信号处理速度相差很大。如对一个音频信号，假设用如对一个音频信号，假设用40KHz40KHz时钟采样，样本数据时钟采样，样本数据字长字长16bit16bit，则该信号的输入数据率就是，则该信号的输入数据率就是80KB/s80KB/s，它对实，它对实时处理速度的要求是大于等于时处理速度
27、的要求是大于等于80KB/s80KB/s。对于一个每帧数。对于一个每帧数据字长据字长51251216bit51251216bit、传输速率为、传输速率为3030帧帧/秒的图像信号，秒的图像信号，其输入数据率是其输入数据率是15MB/s15MB/s，因而它对实时处理速度的要求，因而它对实时处理速度的要求是大于等于是大于等于15MB/s15MB/s。由此而知，对实时信号处理速度的。由此而知，对实时信号处理速度的要求与原始模拟信号带宽以及数据格式（字长、维数）要求与原始模拟信号带宽以及数据格式（字长、维数）等因素是密切相关的。等因素是密切相关的。目前单片目前单片DSPsDSPs的处理能力已达到每秒的
28、处理能力已达到每秒4848亿条指令亿条指令（4800MIPS4800MIPS）和每秒）和每秒1010亿次浮点操作（亿次浮点操作（1GFLOPS1GFLOPS）的水）的水平，使实时信号处理的应用空间越来越广阔。平，使实时信号处理的应用空间越来越广阔。第22页/共79页241.5 实时实时DSP系统组成系统组成n n实时DSP系统实现框图n nDSP子系统的实现方式n n通用DSPs构成的子系统n nDSP系统典型数据处理方式第23页/共79页25实时实时实时实时 DSPDSP系统实现框图系统实现框图系统实现框图系统实现框图 实时信号处理系统要处理的信号多为自然信号，因此实时信号处理系统要处理的信
29、号多为自然信号，因此首先需要通过传感器将自然信号转换为电信号。其次要首先需要通过传感器将自然信号转换为电信号。其次要对自然界的信号进行数字处理，就必须通过对自然界的信号进行数字处理，就必须通过A/DA/D子系统子系统将其转换为数字形式。将其转换为数字形式。DSPDSP子系统完成数字处理后，有子系统完成数字处理后，有时还必须要通过时还必须要通过D/AD/A子系统把处理后的数字信号重新还子系统把处理后的数字信号重新还原为模拟信号。原为模拟信号。DSPDSP子系统是整个系统的核心。子系统是整个系统的核心。实时DSP系统实现框图第24页/共79页26DSP子系统实现方式子系统实现方式n n 通用微计算
30、机通用微计算机 这种方法缺点是速度太慢，不能用于实时系统，只能这种方法缺点是速度太慢，不能用于实时系统，只能用于仿真研究。用于仿真研究。n n 加速处理模块加速处理模块 在通用微机内部加入专用的加速处理模块，微机作为在通用微机内部加入专用的加速处理模块，微机作为系统控制使用。缺点是不适合嵌入式应用。系统控制使用。缺点是不适合嵌入式应用。n n 单片机（单片机（MCS51MCS51）单片机采用的是冯单片机采用的是冯 诺依曼总线结构，用它构成的系诺依曼总线结构，用它构成的系统比较复杂，尤其是乘法运算速度慢，在运算量大的实统比较复杂，尤其是乘法运算速度慢，在运算量大的实时控制系统中很难有所作为。时控
31、制系统中很难有所作为。第25页/共79页27n n 专用专用DSPDSP芯片芯片 专用专用DSPDSP芯片可用于芯片可用于FFTFFT、FIRFIR、卷积、相关等高速运、卷积、相关等高速运算。一般速度较快，但是灵活性较差，而且开发工具不算。一般速度较快，但是灵活性较差，而且开发工具不完善。完善。n n 可编程可编程FPGAFPGA器件器件 利用利用VHDLVHDL或是或是VerilogHDLVerilogHDL硬件开发语言，通过软件硬件开发语言，通过软件编程来改变编程来改变FPGAFPGA内部门阵列结构，最终用硬件实现实现内部门阵列结构，最终用硬件实现实现特定数字信号处理算法。这种实现方法具有
32、通用性、并特定数字信号处理算法。这种实现方法具有通用性、并行性，一般作为行性，一般作为DSPDSP芯片的协处理器。芯片的协处理器。n n 通用可编程通用可编程DSPDSP芯片芯片 通用可编程通用可编程DSPDSP芯片有着更适合于数字信号处理的硬芯片有着更适合于数字信号处理的硬件特点和指令系统，而且其性价比随着微电子的发展不件特点和指令系统，而且其性价比随着微电子的发展不断提高，非常适合实现性要求高的应用领域，比如移动断提高，非常适合实现性要求高的应用领域，比如移动通信、基站、雷达信号处理等。通信、基站、雷达信号处理等。第26页/共79页28通用通用通用通用DSPsDSPs构成的子系统构成的子系
33、统构成的子系统构成的子系统输入信号输出信号前向通道后向通道DSP芯片存储器数字I/O通讯以及人机接口DSP系统译码以及时序控制总线DSP典型系统框图第27页/共79页29前向通道示意图后向通道示意图第28页/共79页30 输入信号可以是电信号、声音信号、物理信号、化学输入信号可以是电信号、声音信号、物理信号、化学信号、连续信号、数字信号等等。在前向通道中，首先信号、连续信号、数字信号等等。在前向通道中，首先通过传感器将各种信号转化为一定幅值的电信号，再将通过传感器将各种信号转化为一定幅值的电信号，再将这些信号进行带限滤波和抽样，然后通过这些信号进行带限滤波和抽样，然后通过A/DA/D或或V/f
34、V/f变换变换将信号转换为数字比特流，根据仙农采样定律，为保持将信号转换为数字比特流，根据仙农采样定律，为保持信息完整性，抽样频率必须是输入带限信号最高频率的信息完整性，抽样频率必须是输入带限信号最高频率的2 2倍。倍。DSPDSP芯片系统可能由一个芯片系统可能由一个DSPDSP以及外围总线组成，也以及外围总线组成，也可能由多个可能由多个DSPDSP组成，这完全取决于组成，这完全取决于DSPDSP处理要求。处理要求。DSPDSP芯片系统的主要任务是将前向通道输出信号按照一定的芯片系统的主要任务是将前向通道输出信号按照一定的算法进行处理，然后将处理后的结果以数据流的形式输算法进行处理，然后将处理
35、后的结果以数据流的形式输出给后向通道。出给后向通道。后向通道实现数字信号的模拟还原。后向通道实现数字信号的模拟还原。第29页/共79页31DSPDSP系统典型数据处理方式系统典型数据处理方式系统典型数据处理方式系统典型数据处理方式n n 数据流处理（数据流处理（Stream ProcessingStream Processing）数据是在一个输入样本到达后，就立即开始进行与该数据是在一个输入样本到达后，就立即开始进行与该样本有关的运算，并在下一个样本到达之前完成。这种样本有关的运算，并在下一个样本到达之前完成。这种在下一个样本输入之前完成上一个样本处理的方法称为在下一个样本输入之前完成上一个样
36、本处理的方法称为数据流处理方式。例如数字数据流处理方式。例如数字FIRFIR滤波。滤波。优点：其结果是随时更新的。输出样本和其影响的输优点：其结果是随时更新的。输出样本和其影响的输出结果之间的时延达到理论的最小值。出结果之间的时延达到理论的最小值。缺点：要求处理器的速度必须足够高，能在下一个样缺点：要求处理器的速度必须足够高，能在下一个样本到达之前完成所有计算。本到达之前完成所有计算。第30页/共79页32数据流处理技术每接收一个样本，就做一次新的运算第31页/共79页33n n 块处理（块处理（Block ProcessingBlock Processing）首先将输入样本存放到存储器中，当
37、首先将输入样本存放到存储器中，当L L个输入样本都个输入样本都到达以后，才开始处理。这种同时处理多个样本的方法到达以后，才开始处理。这种同时处理多个样本的方法称为块处理技术，也叫按帧处理（称为块处理技术，也叫按帧处理（Frame ProcessingFrame Processing）。）。在块处理技术中，输入样本按组存储，当有足够多的在块处理技术中，输入样本按组存储，当有足够多的样本到达后，开始处理这个样本块。主要应用在输出采样本到达后，开始处理这个样本块。主要应用在输出采样率小于输入采样率样率小于输入采样率(采用间隔采用间隔T)T)的场合，其计算时间限的场合，其计算时间限制在制在LTLT以内
38、。譬如以内。譬如FFTFFT运算。运算。优点：减少频繁读写存储器所带来的额外开销，获得优点：减少频繁读写存储器所带来的额外开销，获得较高处理效率；可以使用较低速度的处理器。较高处理效率；可以使用较低速度的处理器。缺点：时延以及足够的存储空间。缺点：时延以及足够的存储空间。第32页/共79页34块处理技术输入、存储、处理运算之间时序关系第33页/共79页35n n 矢量处理（矢量处理（Vector ProcessingVector Processing）同时处理多路输入同时处理多路输入/输出信号的方法，称为矢量处理输出信号的方法，称为矢量处理技术。可以采样数据流技术，也可以使用块处理技术。技术。
39、可以采样数据流技术，也可以使用块处理技术。矢量处理时处理来自多路输入信号的多个同时到达的样矢量处理时处理来自多路输入信号的多个同时到达的样本。本。矢量处理的各路输入数据可以是相关的，也可以是无矢量处理的各路输入数据可以是相关的，也可以是无关的。通常情况下，矢量处理用来计算两个信号之间的关的。通常情况下，矢量处理用来计算两个信号之间的相关程度。相关程度。第34页/共79页36矢量处理技术软件无线电数学模型第35页/共79页371.6 通用通用DSPs芯片概述芯片概述n n发展历程及现状n nDSP分类第36页/共79页38发展历程发展历程发展历程发展历程n n 第一代：第一代：19791979年
40、年IntelIntel公司开发的公司开发的29202920，19801980年年BellBell实验实验室开发的室开发的DSP20DSP20，19821982年年TITI公司开发的公司开发的TMS32010TMS32010等。这等。这一代产品特点是采用了哈佛结构，设置了硬件乘法器。一代产品特点是采用了哈佛结构，设置了硬件乘法器。n n 第二代：第二代：19851985年年TITI公司开发的公司开发的TMS320C20TMS320C20，ADIADI公司开公司开发的发的ADSP2100ADSP2100，MOTOROLAMOTOROLA公司开发的公司开发的DSP5600DSP5600等。等。与第一
41、代相比，在功能、速度及内存容量方面有了很大与第一代相比，在功能、速度及内存容量方面有了很大突破，并且还强化完善了指令功能及寻址方式。突破，并且还强化完善了指令功能及寻址方式。n n 第三代：第三代：19871987年年TITI公司开发的公司开发的TMS320C30TMS320C30和和19911991年开发年开发的的TMS320C40TMS320C40，MOTOROLAMOTOROLA公司开发的公司开发的DSP96002DSP96002，ADIADI公司开发的公司开发的ADSP21000ADSP21000系列。这些系列。这些DSPsDSPs芯片都是芯片都是3232位浮点格式，其特点是高速、高功
42、能、高内存，能进行位浮点格式，其特点是高速、高功能、高内存，能进行3232位浮点运算。位浮点运算。第37页/共79页39n n 第四代：近些年第四代：近些年TITI公司开发的公司开发的TMS320C24XX/28XXTMS320C24XX/28XX，TMS320C62XX/67XX/64XXTMS320C62XX/67XX/64XX等，等，ADIADI公司开发的公司开发的TS10X/20XTS10X/20X，ADSP210XX/211XXADSP210XX/211XX系列等。其特点如下：系列等。其特点如下：(1)(1)多处理并行工作，多处理并行工作，TMS320C82TMS320C82一个芯片
43、集成了一个芯片集成了2 2个并行个并行处理的处理的DSPDSP核，核，C84C84集成了集成了4 4个个DSPDSP核。核。(2)(2)多处理器系统，多处理器系统，TS101TS101通过外部端口和链路口提供了多通过外部端口和链路口提供了多DSPDSP处理器无缝链接，确保多处理器之间通信的最大带宽。处理器无缝链接，确保多处理器之间通信的最大带宽。以上两个功能用于对实时性要求很高的场合。该体系以上两个功能用于对实时性要求很高的场合。该体系结构可以将复杂算法用串行或并行的结构可以将复杂算法用串行或并行的DSPDSP来加快处理速度。来加快处理速度。(3)(3)在硬件结构和指令系统中设置了在硬件结构和
44、指令系统中设置了“循环寻址循环寻址”和和“位位倒序倒序”指令及其他特殊指令。大大提高了指令及其他特殊指令。大大提高了FFTFFT、卷积等运、卷积等运算速度。算速度。(4)(4)设置了单独的设置了单独的DMADMA总线及其控制器以提高外部数据传总线及其控制器以提高外部数据传输能力。输能力。第38页/共79页40 C6000 DSP平台提高了性能和成本效益的水准，提供业界最快的DSP，运行速度高达 1GHz。该平台由C64x和C62x定点系列以及 C67x浮点系列组成。应用领域包括宽带基础设施、高性能音频以及视频/成像。性能范围从 1200 到 8000 MIPS和 600 到 1800 MFLO
45、PS。C5000 DSP 是众多应用的理想选择，包括：数字音乐播放器、GPS 接收器、便携式医疗设备、MIPS 密集型语音和数据处理等个人和便携式产品。C55x系列提供业界最低的待机功耗和先进的自动电源管理。C54x系列提供广泛的性能、低功耗操作以及外设和封装的选择。TMS320C2000 DSP平台向数字控制行业提供了一系列优秀的芯片。该平台集成了微控制器的控制外设。C28x系列包括具有片上闪存和高达150MIPS 性能的32位控制器及引脚兼容版本的 ROM。C24x系列提供 20-40MIPS，具有高度集成的外设。德州仪器TI公司DSP产品分类第39页/共79页41美国模拟器件（ADI）公
46、司DSP产品分类第40页/共79页42TigerSHARC系列DSP第41页/共79页43定点与浮点定点与浮点定点与浮点定点与浮点DSPDSP芯片芯片芯片芯片 按照按照DSPDSP处理器工作的数据格式来分类，处理器工作的数据格式来分类，DSPDSP可分为可分为定点与浮点型。数据格式用整数来表示的定点与浮点型。数据格式用整数来表示的DSPDSP芯片为定芯片为定点点DSPDSP。定点。定点DSPDSP芯片结构相比之下较为简单，乘法芯片结构相比之下较为简单，乘法-累累加（加（MACMAC）运算速度快，但运算精度低，动态范围小，）运算速度快，但运算精度低，动态范围小，这是由于其固定字长有限造成的。定点
47、这是由于其固定字长有限造成的。定点DSPDSP大都大都1616位或位或3232位，设计时必须考虑数据溢出问题。主要产品有位，设计时必须考虑数据溢出问题。主要产品有TITI公公司的司的TMS320C2000TMS320C2000，TMS320C5000TMS320C5000以及以及TMS320C62XXTMS320C62XX系系列，列，ADIADI公司的公司的ADSP-218XADSP-218X、ADSP-219XADSP-219X系列等等。系列等等。第42页/共79页44 数据以浮点格式工作的数据以浮点格式工作的DSPDSP芯片为浮点芯片为浮点DSPDSP芯片。数芯片。数据的浮点格式用指数和尾
48、数来表示，其动态范围大、运据的浮点格式用指数和尾数来表示，其动态范围大、运算精度高。通常来说，浮点算精度高。通常来说，浮点DSPDSP工作频率低于定点工作频率低于定点DSPDSP，但是由于其运算精度高，在对性能要求高的实时信号处但是由于其运算精度高，在对性能要求高的实时信号处理中有着广泛的应用。其主要产品有理中有着广泛的应用。其主要产品有TMS320C3000TMS320C3000系列，系列，TMS320C67XXTMS320C67XX系列，系列，ADSP21XXXADSP21XXX系列，系列，TigerSHARCTigerSHARC系系列。列。第43页/共79页451.7 DSPs芯片特点芯
49、片特点n n算术单元n n总线结构n n流水技术n n专用寻址单元n n片内存储器n n丰富的外设第44页/共79页461.1.算术单元算术单元算术单元算术单元n n 硬件乘法器硬件乘法器 由于由于DSPDSP算法的特殊性，乘法操作是算法的特殊性，乘法操作是DSPDSP的一个主要的一个主要任务。在通用微处理器中，乘法是由软件实现的，通过任务。在通用微处理器中，乘法是由软件实现的，通过时钟控制的一连串时钟控制的一连串“移位移位-加法加法”操作完成，因此需要多操作完成，因此需要多个指令周期。而在个指令周期。而在DSPsDSPs芯片中，设有硬件乘法器，以提芯片中，设有硬件乘法器，以提高高DSPDSP
50、运算性能。硬件乘法器是运算性能。硬件乘法器是DSPsDSPs区别通用微处理器区别通用微处理器的一个重要标志。的一个重要标志。n n 多功能单元多功能单元 为进一步提高运算速度，为进一步提高运算速度，DSPDSP内部设置了多个并行操内部设置了多个并行操作的功能单元（作的功能单元（ALUALU，乘法器和地址生成器）。如，乘法器和地址生成器）。如C6000C6000系列系列DSPDSP内部有内部有8 8个功能单元（个功能单元（2 2个乘法器和个乘法器和6 6个个ALUALU）。）。这就意味着这就意味着DSPDSP在相同的时间内能够完成更多的操作，在相同的时间内能够完成更多的操作，提高了程序执行速度。