學(xué)習(xí)-電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)eda講義

第7章

數(shù)字信號(hào)處理器概述DSP的定義廣義定義：數(shù)字信號(hào)處理（Digital

SignalProcessing）狹義定義：數(shù)字信號(hào)處理器（Digital

SignalProcessor）7.1

引言數(shù)字信號(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或處理器對(duì)自然界的模擬信號(hào)進(jìn)行、變換、濾波、估值、壓縮、增強(qiáng)和識(shí)別等處理，以得到符合要求的信號(hào)形式。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)最早是頻譜分析、濾波；后來(lái)發(fā)展到：信號(hào)結(jié)構(gòu)、

近、內(nèi)插、外推、提取和自適應(yīng)濾波等；對(duì)實(shí)時(shí)處理的要求提高。實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的技術(shù)編程）；通用計(jì)算機(jī)和微處理器（數(shù)字邏輯電路（硬件）；DSP（

編程+

硬件結(jié)構(gòu)）7.2

DSP的發(fā)展20世紀(jì)70年

論和算法具有一定基礎(chǔ)，—NEC應(yīng)用沒有得到很好發(fā)展；1982年，第一代最流行的DSPPD7720和TI

TMS32010；1986年，第一個(gè)浮點(diǎn)DSP出現(xiàn)—AT&TDSP32；20世紀(jì)90年代，出現(xiàn)第四代和第五代DSP產(chǎn)品。DSP

的性能提高M(jìn)AC時(shí)間：400ns→10ns，運(yùn)算速度：5MIPS→8800MIPS資源占用量：乘法器40%→5%片內(nèi)RAM：增加一個(gè)數(shù)量級(jí)以上制造工藝：4um

NMOS

→0.13um

CMOS引腳數(shù)量：64

→200以上主要DSP廠家德州儀器公司（TI）模擬器件公司（ADI）MOTOROLA公司Lucent公司單片機(jī)與DSP的比較單片機(jī)：馮-諾依曼結(jié)構(gòu)；DSP：哈佛結(jié)構(gòu)單片機(jī)：事務(wù)密集型處理器；DSP：運(yùn)算密集型處理器；DSP有完成高速運(yùn)算的專門的硬件結(jié)構(gòu)；DSP的中斷比單片機(jī)少很多。DSP發(fā)展的特點(diǎn)應(yīng)用范圍非常廣泛，已成為通信、計(jì)算機(jī)和消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)部件；發(fā)展趨勢(shì)：多、快、好、??；DSP硬件比

的發(fā)展速度快。PC產(chǎn)業(yè)的七個(gè)層次DSP領(lǐng)域的七個(gè)層次DSP的編程語(yǔ)言匯編語(yǔ)言編程效率高使用不方便高級(jí)語(yǔ)言，如C語(yǔ)言跨平臺(tái)的通用高級(jí)語(yǔ)言使用C編譯器TI

DSP

開發(fā)環(huán)境eXpress

DSP實(shí)時(shí)

開發(fā)環(huán)境Code

Composer

Studio

（CCS）提供代碼的編輯、建立、調(diào)試、驗(yàn)證和項(xiàng)目管理等多種功能。7.3

DSP的應(yīng)用應(yīng)用范圍廣泛；TMS320的典型應(yīng)用；FPGA+DSP架構(gòu)DSP作主處理器，F(xiàn)PGA作協(xié)處理器；結(jié)構(gòu)靈活，有較強(qiáng)的通用性；有利于

和擴(kuò)展。一個(gè)例子7.4

定點(diǎn)運(yùn)算和浮點(diǎn)運(yùn)算定點(diǎn)DSP：采用定點(diǎn)格式的數(shù)據(jù)工作；浮點(diǎn)DSP：采用浮點(diǎn)格式的數(shù)據(jù)工作；7.4.1

定點(diǎn)運(yùn)算DSP中的數(shù)以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示；可表示的最大整數(shù)由DSP數(shù)據(jù)字長(zhǎng)決定，以16-bit為例；例如：二進(jìn)制有符號(hào)整數(shù)0010000000000011b

=81951111111111111100b

=-4小數(shù)的處理需要人為確定一個(gè)小數(shù)點(diǎn)的位置，即數(shù)的標(biāo)定；DSP處理小數(shù)和處理整數(shù)的過程一樣；小數(shù)點(diǎn)的位置有Q表示法和S表示法，Q表示法：給出小數(shù)位數(shù)，如Q15；S表示法：給出整數(shù)和小數(shù)位數(shù)，如S0.15；同樣一個(gè)16-bit序列，小數(shù)點(diǎn)的位置不同，則表示的值不一樣；例：2000h=8192，用Q0或S15.0表示；

2000h=0.25，用Q15或S0.15表示；0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0.Q15

Q00.0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0數(shù)值范圍和精度是一對(duì)

。Q表示S表示十進(jìn)制數(shù)表示范圍Q15S0.15-1X

0.9999695Q14S1.14-2X

1.9999390………………Q1S14.1-16384X

16383.5Q0S15.0-32768X

32767Q值越大，數(shù)值范圍越小，精度越高；Q值越小，數(shù)值范圍越大，精度越低；Q=n時(shí)的精度為2-n。實(shí)際值（小數(shù)）與存放值（整數(shù)）的轉(zhuǎn)換實(shí)際值（X）轉(zhuǎn)換為存放值（Xq）：Xq

= int

(

X*2Q

)例如：實(shí)際值X=0.5，Q=15，其存放值為：Xq

=

int

(

0.5215)

=

int

(

0.5

32768)

=

16384即DSP中的存放形式為：0100

0000

0000

0000實(shí)際值X=0.2，Q=12，其存放值為：Xq=int(0.2212)=int(819.2)=819即DSP中的存放形式為：0000

0011

0011

0011存放值（Xq）轉(zhuǎn)換為實(shí)際值（X）：X

= float

(

Xq*2-Q)例如：存放值Xq=0x4000(十進(jìn)制16384)，Q=15，其實(shí)際值為：X

=

float

(

163842-15) =

0.5存放值Xq=0x7FFF(十進(jìn)制32767)，Q=12，其實(shí)際值為：X

=

float

(

327672-12) =

7.9997558593757.4.2

定點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算定點(diǎn)DSP的數(shù)值運(yùn)算基于2的補(bǔ)碼形式；每個(gè)16-bit數(shù)用1個(gè)符號(hào)位，i個(gè)整數(shù)位和15-i個(gè)小數(shù)位組成，例Q8格式：00000010.10100000

表示的值為：21+2-1+2-3

=

2.625通常以Q15格式表示的小數(shù)或Q0格式表示的整數(shù)來(lái)工作。一、定點(diǎn)乘法小數(shù)乘小數(shù)例：Q15Q15=Q300.5

0.5

=

0.250.100000000000000

0.100000000000000;Q15;

Q1500.000000000000 ;

Q30結(jié)果左移一位，并取高16位，得到：0.010000000000000 ;

Q15整數(shù)乘整數(shù)例：Q0Q0=Q017

（-5）

=

-850000000000010001

111111111111101111111110101011

=

-85界于Q15和Q0之間的乘法當(dāng)用Q15和Q0都不能兼顧數(shù)值范圍和精度時(shí)，可采用界于Q15和Q0之間的表示方法；例：1.5

0.75=1.12510000000000000

;Q14

00.

11000000000000

;Q140001.

00

00000000

=1.125

;

Q28二、定點(diǎn)加法加法運(yùn)算必須用相同的Q點(diǎn)格式表示；可保留32位結(jié)果；調(diào)整小數(shù)點(diǎn)位置，保留16位結(jié)果。三、定點(diǎn)除法通用DSP

一般不提供單周期除法指令，采用除法子程序?qū)崿F(xiàn)；二進(jìn)制除法是乘法的逆運(yùn)算；二進(jìn)制除法可以分解為一系列的移位和減法。定點(diǎn)小數(shù)運(yùn)算總結(jié)設(shè)x1、x2、x3為實(shí)際值，q1、q2、q3分別為它們?cè)贒SP中

的對(duì)應(yīng)整數(shù)值，給定Qn，則：若x3=x1+x2

，則q3=q1+q2；若x3=x1-x2

，則q3=

q1-q2；若x3=x1*x2

，則q3=

q1*q2/2n；若x3=x1/x2

，則q3=

q1*2n/q2；7.4.3

浮點(diǎn)運(yùn)算一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)a可以表示為指數(shù)和尾數(shù)的形式：a

=m×2e其中，e為指數(shù)，m為尾數(shù)。尾數(shù)通常用歸一化數(shù)表示，可以分為符號(hào)（s）和分?jǐn)?shù)（f）兩部分。IEEE單精度浮點(diǎn)格式sef31

3023

220TMS320C3X單精度浮點(diǎn)數(shù)格式esf24

23

22310TMS320C3x浮點(diǎn)數(shù)x表示x={(-2)s+(.f)}

×2e尾數(shù)表示為：m={(-2)s+(.f)}（1）設(shè)有浮點(diǎn)數(shù)，其32位16進(jìn)制的表示形式為A，且A=0x00000000，指數(shù)e=0（第24－31位）符號(hào)s=0(第23位)分?jǐn)?shù)f＝0（第0－22位）故浮點(diǎn)數(shù)的二進(jìn)制值為：01.

f

2e

01.0

20

1十進(jìn)制值也為1。設(shè)：A=0x03A00000，則：e=0x03=3s=1f=010(已截尾)浮點(diǎn)數(shù)的二進(jìn)制值為：10.010

23

10010b因?yàn)閟＝1，為負(fù)數(shù)，所以十進(jìn)制值為－[01101b＋1]＝－14。7.4.4

DSP中的基本浮點(diǎn)運(yùn)算一、浮點(diǎn)乘法和加減法乘法：1）尾數(shù)相乘指數(shù)相加乘積歸一化處理和特殊情況處理例：若a1

=

m1×2e1

，a2

=m2×2e2則a1

×a2=