单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第一章 绪论,内容提要,本章主要分为三个部分，首先介绍数字信号处理的定义以及它的实现方法；然后介绍,DSP,芯片的特点、分类和,DSP,在当今社会的发展趋势；通过这部分的学习，先让读者对,DSP,芯片有一个清晰的了解，然后再让读者继续深入的学习,DSP,；最后重点介绍一下,DSP,系统，了解,DSP,系统的构成、设计过程和特点。其内容有：,引言,DSP,芯片的简介,DSP,系统,内容提要,1,数字信号处理,(Digital Signal Processing,DSP),是一个发展极为迅速的科学技术领域，广泛应用于许多领域的新兴学科。它利用计算机或专用的数字设备对数字信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩和识别等加工处理，以得到符合人们需要的信号形式并进行有效的传输与应用。后来又受到计算机技术、微电子技术迅猛发展的促进，使数字信号处理技术的发展推向了高潮。,1.1,引言,数字信号处理(Digital Signal Proces,2,1.1.1 DSP,的定义,简单地说，数字信号处理就是用数值计算的方式对信号进行加工的理论和技术，它的英文原名叫,digital signal processing,简称,DSP,。另外,DSP,也是,digital signal processor,的简称，即数字信号处理器。其工作原理是接收模拟信号，转换为,0,或,1,的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。,1.1.1 DSP的定义,3,1.1.2,数字信号处理的实现方法,数字信号处理一般有以下几种方法来实现。,(1),在通用的计算机上用软件实现数字信号处理。,(2),在通用的计算机系统中加上专用的极速卡来实现数 字信号处理。,(3),利用单片机实现数字信号处理：单片机是将组成计算机的基本部件集成在一块晶体芯片上，构成一台功能独特的、完整的单片微型计算机。因此具有结构简单、可靠性高、低功耗、性价比高等优点；但单片机的速度慢、功能弱、精度低，只使用在数据运算较小的场合。,1.1.2 数字信号处理的实现方法,4,(4),用可编程,DSP,芯片实现数字信号处理：对于数据运算较大的场合，使用,DSP,芯片进行数字信号处理更合适。这是因为,DSP,芯片有更快的,CPU,，更大容量的存储器和专用的硬件乘法器，使,DSP,芯片拥有高速的数据运算能力。更适合用于海量数据处理。,(5),用可编程阵列器件,FPGA,实现数字信号处理：随着数字系统规模和复杂度的增长，目前常用的可编程阵列器件,FPGA,主要是,Altera,，,Xilinx,，,Lattice,公司的产品。,FPGA,中的寄存器资源比较丰富，适合同步时序电路较多的数字系统。,(4)用可编程DSP芯片实现数字信号处理：对于数据运,5,在以上的实现方法中，利用可编程阵列器件,FPGA,为数字信号处理的实现打开了一个崭新的局面。在未来，将,FPGA,和,DSP,相结合将会是一个重要的发展方向。,在以上的实现方法中，利用可编程阵列器件FPGA为数字信号,6,1.2 DSP,芯片的简介,DSP,芯片的操作灵活性高，速度快，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。它具有高级的改进哈佛结构,(1,条程序存储器总线、,3,条数据存储总线和,4,条地址总线,),、带有专用逻辑功能的,CPU,、片内存储器、片内外设和高度专业化的指令集。这些产品已经并且将来也会继续得到发展，为电子市场上的专门领域服务。,1.2 DSP芯片的简介 DSP芯片的操,7,1.2.1 DSP,芯片的特点,DSP,芯片之所以特别适合数字信号处理运算，是因为其在硬件结构和软件指令系统中具有以下一些特点，我们现在以,TI,公司的产品为例进行说明。如下：,1.,改进的哈佛结构,传统的微处理器采用的是冯,洛依曼,(Von Neuman),结构,而,DSP,芯片采用的是哈佛结构而不是冯,洛依曼,(Von Neuman),结构的一种并行体系结构，其主要特点是程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编制、独立访问，增强了芯片数据调用的灵活性。,1.2.1 DSP芯片的特点,8,2.,流水线型操作,基本指令分为四级：取址、译码、读和执行。当处理器并行处理四条指令时，各条指令处于流水线的不同单元。在不发生流水线冲突的情况下，具有流水线结构的处理器的长时间执行效率接近于没有流水线结构的处理器的四倍。因此，,DSP,芯片广泛采用流水线操作以减少指令执行的时间，增强处理器的处理能力。图,1.1,给出了一个三级流水线操作的例子。,2.流水线型操作,9,3.,存储器,存储器具有,192K,字可寻址存储空间,(,包括,64K,字程序存储空间、,64K,字数据存储空间和,64K,字,I/O,空间,),。其中，,TMS320C548,、,TMS320C549,、,TMS320C5402,、,TMS320C5410,和,TMS320C5420,的程序存储空间还可以扩展到,8M,字。片内存储器配置因型而异。,4.,采用专用的硬件乘法器,在通用微处理器中算法指令需要多个指令周期，如,MCS-51,的乘法指令需要,4,个周期。相比而言，,DSP,芯片有一个专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成，还可以与加法并行输出，完成一个乘法和一个加法只需一个周期。,3.存储器,10,5.,高度专业化的指令集,在,DSP,芯片的指令集能够快速地实现算法并用于高级语言编程优化。其高度专业化的指令集包括单指令重复和块指令重复；用于更好地管理程序存储器和数据存储器的块移动指令；,32,位长整数操作指令；指令同时读取,2,或,3,个操作数；并行存储和加载的算数指令；条件存储指令和快速中断返回。,6.,快速的指令周期,目前,TMS320C64xx,系列的最高主频已经发展到了,720MHz,，使得一个指令周期达到了,1.4ns,，数据处理能力提高了几十倍，甚至上百倍。而,TMS320C54x,执行单周期定点指令的时间达到了,25/20/15/12.5/10ns,，每秒指令数为,40/66/100MIPS,。,5.高度专业化的指令集,11,7.,功耗低,TMS320C54x,电源由,IDLE1,、,IDLE2,和,IDLE3,功耗下降指令控制功耗，以便,DSP,工作在节电模式下，使之更适合于手机。其控制,CLKOUT,引脚的输出，省功耗。,7.功耗低,12,1.2.2 DSP,芯片的分类与选择,现在，世界上的,DSP,芯片有三百多种，其中定点,DSP,就有两百多种。主要厂家除了,TI,公司外，其他具有代表性的公司还有美国模拟器件,(Analog Devices,AD),公司、,Luccent,公司、,LSI Logic,公司以及,Motorola,公司。其中,TI,公司的,DSP,产品占了市场份额的,50%,。所以，在这里我们以,TI,公司的,DSP,芯片为主进行分类。人们将市场的,TI,公司,DSP,系列产品分为三类，即,TMS320C2000,系列、,TMS320C5000,系列和,TMS320C6000,系列。,1.2.2 DSP芯片的分类与选择 现在,13,1.TMS320C2000,系列,TMS320C2000,系列专为基于数字控制,(,如电机控制、电源控制,),和运动控制当中。主要包括,TMS320C24x/F24x,、,TMS320LC240 x/LF240 x,、,TMS320LC240 xA/LF240 xA,、,TMS320F28xx,等。,x24x,系列,DSP,面向控制应用场合进行了优化，其运算速度为,20,40MIPS,，,LF24xx,系列比,C24x,系列价格便宜，性能更好。,C28xx,系列主要用于像数字电机控制、数字电源这样的大存储设备和高性能的场合。,1.TMS320C2000系列,14,C55x,是,TI,公司最新推出的定点,DSP,芯片系列，它比,C54x,的性能有很大提高，而且功耗大大降低，是目前,TI,公司推出的功率最小的,DSP,芯片，适用于便携式超低功率场合。,两者主要用于高性能低功耗的场合，是目前用户最多的,DSP,系列。,2.TMS320C5000,系列,TMS320C5000,系列主要包括,C54x,和,C55x,系列。其中,C54x,具有功耗小，高度并行等优点，可以满足电信等众多领域的实时处理的要求。,C55x是TI公司最新推出的定点D,15,3.TMS320C6000,系列,TMS320C6000,系列是,TI,公司推出的，定点浮点兼容的,DSP,芯片系列。其中定点,DSP,系列是,TMS320C62xx,，目前有,C6201,、,C6202,、,C6203,、,C6204,、,C6205,和,C6211,。浮点,DSP,系列是,TMS320C67xx,目前有,C6701,和,C6711,两种，支持,32,位单精度数据和,64,位双精度数据。主要应用于高性能、多功能、复杂应用场合，如移动通信基站、电信基础设施和成像应用等。定点,DSP,芯片和浮点,DSP,芯片因为他们有着各自的特点，都有着广泛的市场。定点,DSP,芯片有运算精度较低和动态范围较小的不足，但是有着价格低廉的优势；而浮点,DSP,芯片主要广泛应用在高性能实时处理系统当中。,3.TMS320C6000系列,16,设计,DSP,应用系统，选择,DSP,芯片是一个非常重要的一个环节。只有选定了,DSP,芯片才能进一步设计外围电路及系统的其他电路。总的来说，,DSP,芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。一般来说，选择,DSP,芯片时我们通常会考虑以下几个因素：,1.,运算速度,首先，我们要确定数字信号处理的算法，算法确定以后其运算量和完成时间也就大体确定了。根据运算量，及其时间要求就可以估算,DSP,芯片运算速度的下限。运算速度的主要衡量指标主要有,MIPS(,每秒处理的百万级的机器语言指令数,),、,MOPS(,每秒百万次运算,),、,MBPS(,兆比特位每秒,),、,MACS(,乘加次数每秒,),等。,设计DSP应用系统，选择DSP芯片是一个非常重要的,17,2.,运算精度,一般情况下，浮点,DSP,芯片的运算精度要高于定点,DSP,芯片的运算精度，但是功耗和价格也随之上升。定点,DSP,主频高、速度快、成本低、功耗小，主要用于计算复杂度不高的控制、通信、语音,/,图像等领域。浮点,DSP,芯片的速度一般比定点,DSP,芯片处理速度低，其成本和功耗都比定点,DSP,高，但是其处理精度、动态范围都高于定点,DSP,，适合于运算复杂度高和精度要求高的场合。因此说，运算精度是一个折衷的问题，需要根据经验等来确定一个最佳的结合点。,2.运算精度,18,3.,字长的选择,一般浮点,DSP,芯片都是采用的,32,位的数据字，大多数定点,DSP,芯片是,16,位数据字。字长大小是影响成本的重要因素，它影响芯片的大小、引脚数以及存储器的大小，设计时在满足性能指标的条件下，尽可能选用最小的数据字。,4.,存储器等片内硬件资源安排,包括存储器的大小、片内存储器的数量、总线寻址空间等。片内存储器的大小决定了芯片运行速度和成本，不同种类芯片存储器的配置等硬件资源各不相同。,3.字长的选择,19,通过对算法程序和应用目标的仔细分析可以大致判定对,DSP,芯片片内资源的要求。几个重要的考虑因素是片内,RAM,、,ROM,的数量，可否外扩存储器、总线接口,/,中断,/,串行口等是否够用，是否具有,A/D,转换等。,5.,开发调试工具,完善、方便的开发工具和相关支持软件是开发大型、复杂