第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

1、教材：教材：TMS320C55x DSPTMS320C55x DSP原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用代少升代少升 等編著等編著 高等教育出版社高等教育出版社 20102010 DSPDSP原理及應(yīng)用原理及應(yīng)用 參考信息參考信息 參考書參考書 1、李真芳等著，DSP程序開發(fā)：MATLAB調(diào)試 及直接目標(biāo)代碼生成，西安電子科技大學(xué)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 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、 T

2、MS320C55X DSP應(yīng)用實(shí)例 8、 OMAP5912雙核處理器 2.DSP在圖像處理方面的應(yīng)用在圖像處理方面的應(yīng)用 1.DSP在通信領(lǐng)域的應(yīng)用在通信領(lǐng)域的應(yīng)用 DSP的典型應(yīng)用實(shí)例 一個(gè)典型移動(dòng)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(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域新興學(xué)科。 20世紀(jì)60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛 速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。 2、數(shù)字信號處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù) 字形式對信號進(jìn)行采集、變換、濾波、估

3、計(jì)、增強(qiáng)、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(shí) 現(xiàn)和應(yīng)用等幾個(gè)方面發(fā)展起來的。 DSP理論的發(fā)展 DSP應(yīng)用的發(fā)展 DSP的實(shí)現(xiàn) 推動(dòng) 促進(jìn) 橋梁 DSP是以眾多學(xué)科為理論基礎(chǔ)，如微積分、概率統(tǒng) 計(jì)、隨機(jī)過程、數(shù)值分析、網(wǎng)絡(luò)理論、信號與系統(tǒng)、人 工智能、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)，同時(shí)又使自己 成為一系列新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)。 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(shí)現(xiàn)方法 (1)通用的計(jì)算機(jī)上用軟件(如 C語言)實(shí)現(xiàn)速度較慢。

4、 可用于DSP算法的模擬； (2) 在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中加上專用的加速處理機(jī)實(shí)現(xiàn)； 專用性強(qiáng)，應(yīng)用受限； (3) 用通用的單片機(jī)(如: MCS-51、96系列等)實(shí)現(xiàn)。只 適用實(shí)現(xiàn)簡單的DSP算法，用于一些不太復(fù)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(shí)現(xiàn)。與單片機(jī)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(fù)雜的數(shù)字信號處理算法；為DSP的應(yīng) 用打開了新的局面。 (5) 用專用的DSP芯片實(shí)現(xiàn)。特殊的應(yīng)用，要求信號處 理速度極高，用通用DSP芯片很難實(shí)現(xiàn)，如FFT、數(shù)字 濾波、卷積、相關(guān)等算法的DSP芯片，

5、這種芯片將相 應(yīng)的信號處理算法在芯片內(nèi)部用硬件實(shí)現(xiàn)。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) 5、20世紀(jì)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(yīng)用到低 成本的實(shí)際系統(tǒng)中，推動(dòng)了新的理論和應(yīng)用領(lǐng)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(jì)算機(jī)、控制等領(lǐng)域的技術(shù)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(fēng)輸出的語音信號、攝像頭輸出的復(fù) 合視頻信號等。 A/D：奈奎斯特抽樣定理、抽樣頻率。 DSP芯片：對輸入的數(shù)字信號進(jìn)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(diǎn) 抗混

6、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(diǎn) DSP系統(tǒng)以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)，具有數(shù)字處理的全部優(yōu)點(diǎn)： (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(shí)，在硬件接口上容易實(shí)現(xiàn)； (2)編程方便：可編程DSP芯片可使設(shè)計(jì)人員在開發(fā)過程中靈活 方便地對軟件進(jìn)行修改和升級；容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法和復(fù)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(chǔ)，受環(huán)境溫 度以及噪聲的影響較小，可靠性高。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) (4)可重復(fù)

7、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(diǎn)： (1) 簡單的信號處理任務(wù)，采用DSP使成本增加; (2) DSP系統(tǒng)中的高速時(shí)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(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用 是實(shí)時(shí)快速地實(shí)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點(diǎn)： (1) 在一個(gè)指令周期內(nèi)可完

8、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(shí)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(gè)硬件地址產(chǎn)生器； (7) 可以并行執(zhí)行多個(gè)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(shè)計(jì)流程(DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般過程) DSP應(yīng)用(確定設(shè)計(jì)目標(biāo)) 定義系統(tǒng)性能指標(biāo) 選擇DSP芯片 硬件設(shè)計(jì) 硬件調(diào)試 軟件編程 軟件調(diào)試 系統(tǒng)集

9、成 系統(tǒng)測試和調(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(yīng)用系統(tǒng)的目標(biāo)確定系統(tǒng)的性 能指標(biāo)。根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行算法仿真和高級語言模擬 實(shí)現(xiàn)。確定最佳處理方法。如用MATLAB等數(shù)學(xué)開發(fā) 工具對DSP算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真測試， （2）選擇DSP芯片：根據(jù)算法要求，如運(yùn)算速度、運(yùn) 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(shè)計(jì)DSP應(yīng)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(jìn)一步設(shè)計(jì)其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路。DSP 芯片的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)需要而確定。不同的DSP應(yīng) 用系統(tǒng)由于應(yīng)用場合、應(yīng)

10、用目的不相同，DSP芯片的選擇也不 同的。一般來說，選擇DSP芯片應(yīng)考慮到如下因素: DSPDSP芯片的運(yùn)算速度芯片的運(yùn)算速度 算法確定運(yùn)算量確定估算DSP運(yùn)算速度的下限 運(yùn)算速度是DSP芯片的一個(gè)最重要的性能指標(biāo)，是選擇DSP芯片 需要考慮的主要因素。下面為DSP運(yùn)算速度的幾種衡量指標(biāo)： 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(shí)間，常以ns為單位。如 TMS320LC549-80在主頻為80MHz時(shí)的指令周期為12.5ns； v MAC(Multiply-Accumulate Unit )時(shí)間：一次乘加運(yùn)算的時(shí)間。大 部分DSP芯片可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成一次乘法和加

11、法操作。 v FFT執(zhí)行時(shí)間：運(yùn)行一個(gè)N點(diǎn)FFT程序所需的時(shí)間。FFT是典型的 DSP算法運(yùn)算，因此FFT運(yùn)算時(shí)間常作為衡量 DSP芯片運(yùn)算能力的 一個(gè)指標(biāo)。 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(diǎn)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

12、的價(jià)格芯片的價(jià)格 DSP芯片的價(jià)格也是選擇DSP芯片所需考慮的一個(gè)重要因素。 采用價(jià)格昂貴的DSP芯片，即使性能再高，其應(yīng)用范圍受到限制， 尤其是民用產(chǎn)品。因此根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用情況，需確定一個(gè)價(jià) 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(kuò)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(yùn)算精度芯片的運(yùn)算精度 一般的定點(diǎn) DSP芯片的

13、字長為16位或24位，浮點(diǎn)芯片的字 長為32位，累加器都為40位。定點(diǎn)DSP芯片的價(jià)格較便宜，功 耗較低，但運(yùn)算精度稍低。而浮點(diǎn)DSP芯片的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算精度 高，但價(jià)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(fù)雜 DSP系統(tǒng)的必備條件。TI公司的CCS集成開發(fā)環(huán)境、實(shí)時(shí)軟件技 術(shù)等， C語言支持(開發(fā)的時(shí)間大大縮短)。 DSPDSP芯片的功耗芯片的功耗 在某些DSP應(yīng)用場合，功耗也是一個(gè)需要特別注意的問題。 如便攜式的DSP設(shè)備、手持設(shè)備、野外應(yīng)用的DSP設(shè)備等都對功 耗有特殊的要求。目前

14、，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(biāo)準(zhǔn)、供貨情況、生命周期等。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) (3)(3)設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)DSP系統(tǒng)：包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè) 方面。 v 硬件設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)：根據(jù)系統(tǒng)要求和所選的DSP芯片編寫相應(yīng) 的DSP程序。在實(shí)際應(yīng)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(shí)時(shí)運(yùn)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

15、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(shí)一般采 用實(shí)時(shí)結(jié)果與模擬結(jié)果相比較的方法，如果實(shí)時(shí)程序 和模擬程序的輸入相同，則兩者的輸出應(yīng)該一致。 v硬件調(diào)試：一般采用硬件仿真器進(jìn)行調(diào)試，如果沒 有相應(yīng)的硬件仿真器，且硬件系統(tǒng)不是十分復(fù)雜，也 可以借助于一般的工具進(jìn)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(shí)時(shí)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(yīng)用系統(tǒng)上運(yùn)行。 DSP系統(tǒng)的開發(fā)，特別是軟件開發(fā)是一個(gè)需要反 復(fù)進(jìn)行的過程，雖然通過算法模擬基本上可以知道實(shí) 時(shí)系統(tǒng)的性能，但實(shí)際上模擬環(huán)境不

16、可能做到與實(shí)時(shí) 系統(tǒng)環(huán)境完全一致，將模擬算法移植到實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)必 須考慮算法是否能夠?qū)崟r(shí)運(yùn)行的問題。如果算法運(yùn)算 量太大不能在硬件上實(shí)時(shí)運(yùn)行，則必須重新修改或簡 化算法。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) 三、DSP芯片的發(fā)展及應(yīng)用 (1) 1978年AMI公司發(fā)布了世界上第一個(gè)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(gè) 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(Te

17、xas 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 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(jìn) 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/C6

18、7X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/C55X vTMS320C6000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(dāng)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(yīng)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(diǎn)處理器MC56001。1990年

19、，推出了與IEEE浮點(diǎn) 格式兼容的浮點(diǎn)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(diǎn)的 DSP 芯片。 定點(diǎn)芯片：ADSP2101/2103/2105 、ASDP2111/2115、 ADSP2161/2162/2164以及 ADSP2171/2181。 浮點(diǎn)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(yīng)用芯片的應(yīng)用 自從 20世紀(jì) 70年代末 80年代初 DSP芯片誕生以 來，DSP芯片得到了飛速

20、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(shù)的發(fā)展，另一方面也得益于巨大的市場。 在近20年時(shí)間里，DSP芯片已經(jīng)在信號處理、通 信、雷達(dá)等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。DSP芯片的價(jià)格 越來越低，性價(jià)比日益提高，具有巨大的應(yīng)用潛力。 第一章 數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng) DSPDSP芯片的應(yīng)用主要有：芯片的應(yīng)用主要有： (1) 信號處理：數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、快速傅立葉變 換、相關(guān)運(yùn)算、譜分析、卷積等； (2) 通信：調(diào)制解調(diào)器、自適應(yīng)均衡、數(shù)據(jù)壓縮、程控 交換、數(shù)字基站、可視電話、多路復(fù)用、擴(kuò)頻通信、 糾錯(cuò)編碼等； (3) 語音：語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強(qiáng)、 說話人辨認(rèn)、說話人確認(rèn)、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(qiáng)、動(dòng)畫、機(jī)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(dá)處理、聲納處理、導(dǎo)航、導(dǎo) 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(dòng)控制：引擎控制、聲控、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人控 制、磁盤控制等； (8)醫(yī)療：助聽、超聲設(shè)備、診斷工具、病人監(jiān)護(hù)等； (9)家用電器：高