第1章-數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

1DSP原理與應用課程基礎模擬和數(shù)字電路基礎單片機原理或微型計算機原理數(shù)字信號處理基礎理論專業(yè)知識（電子，通信）課程特點DSP簡單說就是高性能信號處理器，本課程的特點：理論性——只需對DSP算法作一般了解，主要熟悉數(shù)字信號處理系統(tǒng)的構成；學習目的——會用，會構建基于DSP的軟硬件系統(tǒng)；學習方法——以實驗實踐為主，邊動手邊學習。課程目標數(shù)字信號處理課程，主要講授有關理論和算法，基本上不討論實現(xiàn)技術；DSP芯片廠家的技術手冊則只介紹產(chǎn)品的功能和性能。兩者比較脫節(jié)，都不大利于工程應用。我們開設這門課程的目標，就是希望將兩者有機地結合起來，通過授課、實驗縮短學習與開發(fā)DSP系統(tǒng)的時間，培養(yǎng)學習者的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。課程基本要求會找:充分利用網(wǎng)絡資源，提高查找資料能力；會看：教材或datasheets（*.pdf文件)；會做：軟硬件設計，實踐出真知，積累設計技能；會問：同學討論，教師指點，是捷徑；最好的教師是自己：自己動手才有收獲，特別是工程應用課程！軟件開發(fā)環(huán)境：熟悉仿真軟件Matlab、CCS等；課程教學內容DSP課程=理論教學＋實驗理論教學以TMS320C5509為例，學習數(shù)字信號處理的方法（硬件結構、指令系統(tǒng)、開發(fā)平臺）實驗基本實驗綜合實驗科研實驗課程參考?TMS320C55xDSP原理及應用?汪春梅孫洪波編著?DSP原理及應用?李利等編寫?數(shù)字信號處理原理、結構及應用基礎》?TMS320F28x?劉和平等編著ICETEK-F2812-A實驗指導書ICETEK-VC5509-A實驗指導書課程體系結構TMS320C55xDSP芯片工作原理：CPU；存儲器；I/O；中斷；尋址方式；指令系統(tǒng)；片上外設（PLL,Timer,EMIF,EHPI,McBSP,GPIO,DMA,I2C,MMC,USB,ADC,RTC,UART）TMS320C55xDSP應用開發(fā)系統(tǒng)：集成開發(fā)環(huán)境CCS，仿真工具，硬件結構與設計，程序設計，算法研究實踐實踐“DSP原理與應用”章節(jié)安排第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)第2章TMS320C55x的硬件結構第3章TMS320C55x的指令系統(tǒng)第4章C55x處理器的軟件設計第5章TMS320C55x的片內集成外設開發(fā)及測試第6章DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS第7章TMS320C55x硬件設計實例第8章TMS320C55x軟件設計實例2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用10第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

1.1數(shù)字信號處理及應用概述1.2實時數(shù)字信號處理技術的實現(xiàn)方法1.3數(shù)字信號處理器的特點

1.4德州儀器公司的DSP產(chǎn)品1.5DSP芯片的選擇

1.6定點運算及定點DSP2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用11第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

1.1數(shù)字信號處理及應用概述數(shù)字信號處理理論和實現(xiàn)技術發(fā)展之初，沒有人預料到它能給世界帶來如此大的變化。其應用的廣度還是深度方面，都在快速向前發(fā)展。我們身邊越來越多的數(shù)碼產(chǎn)品運用了數(shù)字信號處理的方法。

數(shù)字信號處理器是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。數(shù)字信號處理是利用計算機或專用處理設備，以數(shù)字的形式對信號進行分析、采集、合成、變換、濾波、估算、壓縮、識別等加工處理，以便提取有用的信息并進行有效的傳輸與應用。2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用12第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

20世紀60年代以來，隨著信息技術的不斷進步，數(shù)字信號處理技術應運而生并得到迅速發(fā)展。80年代以前，數(shù)字信號處理技術處于理論研究階段，還得不到廣泛的應用。在此階段，人們利用“大型計算機”進行算法的研究，以及數(shù)字信號處理系統(tǒng)的模擬和仿真。而將數(shù)字信號處理技術推向廣泛應用的則是實時數(shù)字信號處理技術的高速發(fā)展。這是DSP器件和理論相互促進、協(xié)調發(fā)展的結果。

近年來，數(shù)字信號處理的理論和方法得到了迅速的發(fā)展，諸如：語音與圖像的壓縮編碼、識別與鑒別，信號的調制與解調、加密和解密，信道的辨識與均衡，智能天線，頻譜分析等各種快速算法都成為研究的熱點、并取得了長足的進步，為各種實時處理的應用提供了算法基礎。2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用13第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

實時數(shù)字信號處理對數(shù)字信號處理系統(tǒng)的處理能力提出了嚴格的要求，所有運算、處理都必須小于系統(tǒng)可接受的最大時延。

典型數(shù)字信號處理系統(tǒng)2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用15典型實時數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本部件包括：抗混疊濾波器(Anti-aliasingfilter)、模/數(shù)轉換器(Analog-to-DigitalConverter，ADC)、數(shù)字信號處理、數(shù)/模轉換器(Digital-to-AnalogConverter，DAC)和抗鏡像濾波器(Anti-imagefilter)。第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用16第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

其中，抗混疊濾波器將輸入的模擬信號中高于奈奎斯特頻率的頻率成分濾掉；ADC將模擬信號轉換成DSP可以處理的并行或串行的數(shù)字比特流；數(shù)字信號處理部分完成數(shù)字號信處理算法；經(jīng)過處理的數(shù)字信號經(jīng)DAC轉換成為模擬樣值之后，再由低通濾波器完成模擬信號波形的重建。2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用17數(shù)字信號處理器的應用（1）基本信號處理：數(shù)字濾波器、自適應濾波、FFT、相關運算、譜分析、卷積運算、模式匹配、窗函數(shù)、波形產(chǎn)生和變換等。

（2）通信：調制解調、自適應均衡、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、回波抵消、多路復用、傳真、擴頻通信、糾錯編碼等。（3）語音：語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、說話人的辨認和確認、語音郵件、語音儲存等。第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用18

如果DSP芯片在某時鐘頻率范圍內的任何頻率上都能正常工作，除計算速度有變化外，沒有性能的下降，這類DSP芯片一般稱之為靜態(tài)DSP芯片。

例如，TI公司的TMS320系列芯片、日本OKI電氣公司的DSP芯片都屬于這一類芯片。

（4）圖形圖像：二維和三維的圖形處理和圖像的壓縮、傳輸與增強、特征提取、機器人視覺等。（5）軍事：保密通信、雷達信號處理、聲吶信號處理、導航、導彈制導等。（6）儀器儀表：頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、鎖相環(huán)、地震信號處理等。（7）控制：電機控制、聲控、自動駕駛、機器人控制、磁盤控制等。（8）電力：太陽能、風能發(fā)電控制、智能電源、電網(wǎng)諧波分析與補償?shù)?。?）醫(yī)療：助聽、超聲設備、診斷工具、患者監(jiān)護等。（10）家用電器：音響設備、智能玩具與游戲、數(shù)字電話、數(shù)字電視，MP3，MP4等。第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用19

1．利用X86處理器完成實時數(shù)字信號處理

隨著CPU技術的不斷進步，X86處理器的處理能力不斷發(fā)展，基于X86處理器的處理系統(tǒng)已經(jīng)不僅局限于以往的模擬和仿真，也能滿足部分數(shù)字信號的實時處理要求，而各種便攜式或工業(yè)標準的推出，如PC104、PC104Plus結構，以及CPCI總線標準的應用，這些都改善了X86系統(tǒng)的抗惡劣環(huán)境的性能，擴展了X86系統(tǒng)的應用范圍。

第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

1.2實時數(shù)字信號處理技術的實現(xiàn)方法2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用20（1）處理器選擇范圍較寬：X86處理器涵蓋了從386到奔騰系列，處理速度從100MHz到幾GHz，而為了滿足工控等各種應用，X86廠商也推出了多款低功耗處理器，其功耗遠遠小于商用處理器。（2）主板及外設資源豐富：無論是普通結構，還是基于PC104和PC104Plus結構，以及CPCI總線標準，都有多種主板及擴展子板可供選擇，節(jié)省了用戶的大量硬件開發(fā)時間。（3）有多種操作系統(tǒng)可供選擇：這些操作系統(tǒng)包括Windows、Linux、WinCE等，而針對特殊應用，還可根據(jù)需要對操作系統(tǒng)進行剪裁，以適應實時數(shù)字信號處理要求。（4）開發(fā)、調試較為方便：X86的開發(fā)、調試工具十分成熟，使用者不需要很深的硬件基礎，只要能夠熟練使用VC、C-Build等開發(fā)工具即可進行開發(fā)。第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

利用X86系統(tǒng)進行實時數(shù)字信號處理有下列優(yōu)點：

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用21

X86進行實時信號處理的缺點：第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

（1）數(shù)字信號處理能力不強：X86系列處理器沒有為數(shù)字信號處理提供專用乘法器等資源，尋址方式也沒有為數(shù)字信號處理進行優(yōu)化設計，實時信號處理對中斷的響應延遲時間要求十分嚴格，通用操作系統(tǒng)并不能滿足這一要求；（2）硬件組成較為復雜：即使是采用最小系統(tǒng)，X86數(shù)字信號處理系統(tǒng)也要包括主板（包括CPU、總線控制、內存等）、非易失存儲器（硬盤或電子硬盤、SD卡或CF卡）和信號輸入/輸出部分（這部分通常為AD擴展卡和DA擴展卡），如果再包括顯示、鍵盤等設備，系統(tǒng)將更為復雜；（3）系統(tǒng)體積、重量較大，功耗較高：即使采用緊湊的PC104結構，其尺寸也達到96mm×90mm，而采用各種降低功耗的措施，X86主板的峰值功耗仍不小于5W，高功耗則對供電提出較高要求，則需要便攜系統(tǒng)提供容量較大的電池，進一步增大了系統(tǒng)的重量；（4）抗環(huán)境影響能力較弱：便攜系統(tǒng)往往要工作于自然環(huán)境當中，溫度、濕度、振動、電磁干擾等都會給系統(tǒng)正常工作帶來影響，而為了克服這些影響，X86系統(tǒng)所需付出的代價將是十分巨大的。2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用22

2．利用通用微處理器完成實時數(shù)字信號處理

通用微處理器的種類多，包括51系列及其擴展系列，德州儀器公司的MSP430系列，ARM公司的ARM7、ARM9、ARM11、ARMCortex-M0,-M3,-A8,-A9系列，等等，利用通用微處理器進行信號處理的優(yōu)點如下：

(1)可選范圍廣：通用微處理器種類多，使用者可從速度、片內存儲器容量、片內外設資源等各種角度進行選擇，許多處理器還為執(zhí)行數(shù)字信號處理專門提供了乘法器等資源。（2）硬件組成簡單：只需要非易失存儲器，A/D、D/A即可組成最小系統(tǒng)，這類處理器一般都包括各種串行、并行接口，可以方便地與各種A/D、D/A轉換器進行連接。（3）系統(tǒng)功耗低，適應環(huán)境能力強。

第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用23利用通用微處理器進行信號處理的缺點如下：（1）信號處理的效率較低：以一個兩個數(shù)值乘法為例，處理器需要先用兩條指令從存儲器當中取值到寄存器中，用一條指令完成兩個寄存器的值相乘，再用一條指令將結果存到存儲器中，這樣，完成一次乘法就花費了4條指令，使信號處理的效率難以提高。（2）內部DMA通道較少：數(shù)字信號處理需要對大量的數(shù)據(jù)進行搬移，如果這些數(shù)據(jù)搬移全部通過CPU進行，將極大的浪費CPU資源，但通用處理器往往DMA通道數(shù)量較少，甚至沒有DMA通道，這也將影響信號處理的效率。8051做16位乘加的速度比TMS320C55x慢數(shù)千倍。(1)位寬，(2)寄存器，(3)傳輸通道，(4)指令，(5)主頻第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用24每條指令可通過片內多功能單元完成取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行等多個步驟，實現(xiàn)多條指令的并行執(zhí)行，從而在不提高系統(tǒng)時鐘頻率的條件下減少每條指令的執(zhí)行時間。其過程如圖1.2.3所示。第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

針對這些缺點，當前的發(fā)展趨勢是在通用處理器中內嵌硬件數(shù)字信號處理單元，如很多視頻處理器產(chǎn)品都是在ARM9處理器中嵌入H.264、MPEG4等硬件視頻處理模塊，從而取得了較好的處理效果；而另一條路徑是在單片中集成ARM處理器和DSP處理器，類似的產(chǎn)品如德州儀器的OMAP處理器及達芬奇視頻處理器，它們就是在一個芯片中集成了一個ARM9處理器和一個C55x處理器或一個C64x處理器。2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用253．利用可編程邏輯陣列（FPGA）進行實時數(shù)字信號處理隨著微電子技術的快速發(fā)展，F(xiàn)PGA的制作工藝已經(jīng)進入到45nm時期，這意味在一片集成電路當中可以集成更多的晶體管，芯片運行更快，功耗更低。其主要優(yōu)點如下。（1）適合高速信號處理：FPGA采用硬件實現(xiàn)數(shù)字信號處理，更加適合實現(xiàn)高速數(shù)字信號處理，對于采樣率大于100MHz的信號，采用專用芯片或FPGA是適當?shù)倪x擇。（2）具有專用數(shù)字信號處理結構：縱觀當前最先進的FPGA，如ALTERA公司的StratixⅡ、Ⅲ系列、CycloneⅡ、Ⅲ、IV系列，Xilinx公司的Virtex-4、Virtex-5系列都為數(shù)字信號處理提供了專用的數(shù)字信號處理單元，這些單元由專用的乘法累加器組成，所提供的乘法累加器不僅減少了邏輯資源的使用，其結構也更加適合實現(xiàn)數(shù)字濾波器、FFT等數(shù)字信號處理算法。第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用26使用FPGA的缺點如下：（1）開發(fā)需要較深的硬件基礎：無論用VHDL還是VerilogHDL語言實現(xiàn)數(shù)字信號處理功能都需要較多的數(shù)字電路知識，硬件實現(xiàn)的思想與軟件編程有著很大區(qū)別，從軟件算法轉移到FPGA硬件實現(xiàn)存在著很多需要克服的困難。（2）調試困難：對FPGA進行調試與軟件調試存在很大區(qū)別，輸出的信號需要通過示波器、邏輯分析儀進行分析，或者利用JTAG端口記錄波形文件，而很多處理的中間信號量甚至無法引出進行觀察，因此FPGA的更多工作是通過軟件仿真來進行驗證的，這就需要編寫全面的測試文件，F(xiàn)PGA的軟件測試工作是十分艱巨的。第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用274．利用數(shù)字信號處理器實時實現(xiàn)數(shù)字信號處理

數(shù)字信號處理器（DigitalSignalProcessor，DSP）是一種專門為實時、快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法而設計的具有特殊結構的微處理器。20世紀80年代初，世界上第一片可編程DSP芯片的誕生為數(shù)字信號處理理論的實際應用開辟了道路；隨著低成本數(shù)字信號處理器的不斷推出，更加促進了這一進程。90年代以后，DSP芯片的發(fā)展突飛猛進。其功能日益強大，性能價格比不斷上升，開發(fā)手段不斷改進，使DSP芯片迅速成為眾多電子產(chǎn)品的核心器件，DSP系統(tǒng)也被廣泛地應用于當今技術革命的各個領域——通信電子、信號處理、自動控制、雷達、軍事、航空航天、醫(yī)療、家用電器、電力電子，而且新的應用領域還在不斷地被發(fā)現(xiàn)、拓展。第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用29利用數(shù)字信號處理器實時實現(xiàn)數(shù)字信號處理的優(yōu)缺點：優(yōu)點：大規(guī)模集成性、穩(wěn)定性好精度高 可編程性 高速性能 可嵌入性 接口和集成方便缺點：成本較單片機高，甚至高于PC機DSP技術更新速度快，開發(fā)和調試工具需要不斷完善，不如PC機編程和修改方便。第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用305．專用器件形式

用ASIC芯片實現(xiàn)。隨著專用集成電路ASIC(ApplicationSpecificIntegrated

Circuit)的廣泛使用,可以將DSP的功能集成到ASlC中。這種芯片可采用通用DSP器件中經(jīng)過裁剪的CPU核，再配上所需的存儲器及接口部件，固化專用程序組成用戶的ASIC，也可以配上專用算法的硬件。集成程度高，簡化系統(tǒng)結構。功能單一，一般用于大批量消費電子。

第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

設計者要根據(jù)系統(tǒng)的嵌入式、便攜性、功耗、速度、成本、批量、可靠性、使用環(huán)境、開發(fā)周期等情況選擇實現(xiàn)方式。2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用31

1.3.1存儲器及總線結構第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

微處理器的存儲器結構分為兩大類：馮·諾伊曼結構和哈佛結構。由于成本的原因，GPP廣泛使用馮·諾伊曼存儲器結構。典型馮·諾伊曼結構的特點是只有一個存儲器空間、一套地址總線和一套數(shù)據(jù)總線；指令、數(shù)據(jù)都存放在這個存儲器空間中，統(tǒng)一分配地址，所以處理器必須分時訪問程序和數(shù)據(jù)空間。通常，做一次乘法會發(fā)生4次存儲器訪問，用掉至少4個指令周期。為了提高指令執(zhí)行速度，DSP采用了程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間分開的哈佛結構和多套地址、數(shù)據(jù)總線。哈佛結構是并行體系結構，程序和數(shù)據(jù)存于不同的存儲器空間，每個存儲器空間獨立編址、獨立訪問。因此，DSP可以同時取指令（來自程序存儲器）和取操作數(shù)（來自數(shù)據(jù)存儲器）；而且，還允許在程序空間和數(shù)據(jù)空間之間相互傳送數(shù)據(jù)。哈佛讀/寫結構使DSP很容易實現(xiàn)單周期乘法運算。GPP（GeneralPurposeProcessors,通用處理器）

1.3數(shù)字信號處理器的特點GPP的Von.Neumann結構取指譯碼讀數(shù)執(zhí)行取指譯碼

???2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用外部I/O數(shù)據(jù)總線外部I/O地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)地址總線程序數(shù)據(jù)總線程序地址總線CPUI/O口ROM串行接口RAM并行接口外部存儲器接口哈佛結構外部I/O數(shù)據(jù)總線外部I/O地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)地址總線程序數(shù)據(jù)總線程序地址總線第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

取指譯碼讀數(shù)執(zhí)行取指譯碼讀數(shù)執(zhí)行取指譯碼讀數(shù)執(zhí)行取指譯碼讀數(shù)執(zhí)取指譯碼讀取指譯

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用341.3.2流水線

流水線結構將指令的執(zhí)行分解為取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行等幾個階段。在程序運行過程中，不同指令的不同階段在時間上是重疊的，流水線結構提高了指令執(zhí)行的整體速度，有助于保證數(shù)字信號處理的實時性。因此，所有DSP均采用一定級數(shù)的流水線，如TMS320C54xDSP采用6級流水線，而TMS320C6xxxDSP采用8級流水線。TMS320C55xDSP的流水線則被分為指令流水線和執(zhí)行流水線兩部分，指令流水線完成訪問地址產(chǎn)生、等待存儲器回應、取指令包、預解碼等工作；執(zhí)行流水線完成譯碼、讀取/修改寄存器、讀操作數(shù)和輸出結果等工作。

第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用351.3.3硬件乘法累加單元第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

由于DSP任務包含大量的乘法—累加操作，所以DSP處理器使用專門的硬件來實現(xiàn)單周期乘法，并使用累加器寄存器來處理多個乘積的累加；而且?guī)缀跛蠨SP指令集都包含有MAC指令。一般在一個時鐘周期內完成。有些DSP有多個硬件乘法累加單元并行處理數(shù)據(jù)。而GPP通常使用微程序實現(xiàn)乘法。

DSP常用算法中的乘法與累加常用算法卷積相關變換級數(shù)算法分析當用有限N項之和近似代替無窮求和時，DSP常用算法可歸納為：針對這類N項雙操作數(shù)相乘后乘積求和的通用形式，DSP中從硬件結構上采用了多種先進技術，最終實現(xiàn)了N項乘積和主運算僅需要N個指令周期。2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用381.3.4具有低開銷或零開銷循環(huán)及跳轉的硬件支持

第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

DSP算法的特點之一是主要的處理時間用在程序中的循環(huán)結構中，因此多數(shù)DSP都有專門支持循環(huán)結構的硬件。所謂“零開銷”（zerooverhead）是指循環(huán)計數(shù)、條件轉移等循環(huán)機制由專門硬件控制，而處理器不用花費任何時間。通常GPP的循環(huán)控制是用軟件來實現(xiàn)的。例如：RPTCSR；下一條指令執(zhí)行CSR+1次MACM*AR3+，*AR4+，AC1

；AC1=AC1+（AR3）*（AR4）；AR3=AR3+1，AR4=AR4+12023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用391.3.5特殊的尋址方式第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

具有在單周期內操作的多個硬件地址產(chǎn)生器，為下個指令準備好數(shù)據(jù)地址。例如：*（ARn+T1）*ARn+*-ARnDSP還支持一些特殊的尋址方式。例如為了降低卷積、自相關算法和FFT算法的地址計算開銷，多數(shù)DSP支持循環(huán)尋址和位倒序尋址。而GPP一般不支持這些尋址方式。2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用401.3.6高效的特殊指令

第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

DSP指令集設計了一些特殊的DSP指令用于專門的數(shù)字信號處理操作。這些指令充分利用了DSP的結構特點，提高了指令執(zhí)行的并行度，從而大大加快了完成這些操作的速度。例如TMS320C55xx中的FIRSADD指令和LMS指令，分別用于對稱結構FIR濾波算法和LMS算法。2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用411.3.7豐富的運算類指令第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

DSP指令系統(tǒng)中的算術運算類指令的比例很大，明顯高于GPP，對于某一算術運算可明顯減少程序中的指令條數(shù)。完成同樣運算功能所需指令少。減少運算前準備指令和運算后處理指令。例如：MACM*AR3+，*AR4+，AC12023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用421.3.8零開銷移位第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

TMS320C55xx的CPU中包含快速移位器，指令系統(tǒng)中很多指令有附加移位操作。定點運算的移位操作非常多。例如：ADDAC0<<T0,AC1;AC1=AC1+(AC0<<T0)2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用431.3.9豐富的片內外設第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

例如TMS320C55xx中的DARAM支持一個時鐘周期存取兩次數(shù)據(jù)。DSP片內集成了眾多類型的硬件設備：CPU；存儲器（SARAM&DARAM、ROM）；PLL,Timer,EMIF,EHPI,McBSP,GPIO,DMA,I2C,MMC,USB,ADC,RTC,UART等等。2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用441.4德州儀器公司的DSP產(chǎn)品按照應用領域的要求，DSP器件可以分為三類：

工業(yè)控制領域，這方面的應用要求DSP工作穩(wěn)定、可靠、集成度高、成本低，這類芯片一般都在內部集成了CAN總線、PWM模塊等適合于工業(yè)控制的專用外設；

低成本嵌入式應用系統(tǒng)，如手機、磁盤驅動器、MP3播放器等，在這些應用中，成本、集成度和功耗是最重要的因素；

需要用復雜算法對大量數(shù)據(jù)進行處理的應用，如聲吶探測、視頻處理和地震探測等，該類設備批量小、算法復雜、對性能要求苛刻，而對成本和功耗并不是特別關注。

第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

在選擇DSP處理器時，要根據(jù)目標系統(tǒng)不同要求，綜合考慮性能、成本、集成度、開發(fā)的難易程度及功耗等因素。

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用45德州儀器公司的DSP產(chǎn)品現(xiàn)已發(fā)展三代：

第一代是以TMS320C10為代表的數(shù)字信號處理器產(chǎn)品；

第二代數(shù)字信號處理器以C2x、C3x和C4x系列為代表，其中C2x為16位定點信號處理器，C3x和C4x為32位浮點信號處理器。

第三代包括主要用于控制領域的C24x和C28x系列、用于便攜消費電子產(chǎn)品的低功耗16位定點數(shù)字信號處理器C54x、C55x系列、用于高速信號處理和圖像處理的高性能16位定點數(shù)字信號處理器C62x、C64x系列、用于浮點信號處理的32位浮點信號處理器C67x和TMS320C33。

第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用461.4.1C24x系列和C28x系列C24x系列主要用于電機控制領域，它可為交流感應電機、直流永磁體電機和開關激勵式電機等提供高效控制，為無刷電機的變速控制提供了廉價且高可靠性的解決方案。C24x系列處理器采用TMS320C2XX內核，該內核具有一個32位算術邏輯單元，一個32位累加器，一個16位×16位乘法器，為了配合算術邏輯單元工作還提供了輸入和輸出數(shù)據(jù)移位器，為8個輔助寄存器和一個輔助寄存器算術單元提供了數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生電路，還有專用的程序地址產(chǎn)生電路。它們內部集成了DSP內核和微控制器片上外設，為用戶提供了一種方便的單片解決方案。C24x內部集成了DARAM、Flash（或EEPROM）存儲器、16位定時器、脈寬調制器、A/D轉換器、看門狗模塊及CAN總線接口模塊、SPI（SerialPeripheralInterface）和SCI（SerialCommunicationsInterface）等通信接口。

第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用47

C28x系列處理器是德州儀器公司為控制領域的高端應用而開發(fā)的系列產(chǎn)品。首先內核由C24x系列的16位提升為32位，DSP內核提供了2個16位×16位乘法累加器，可以進行16位×16位、32位×32位乘法累加運算。該系列芯片采用了先進芯片制造技術，速度升高到60～150MHz，F(xiàn)lash存儲器的容量最高提升到512KB。C28x系列又分為三個小系列，即C280x、C281x和C2833x，而C2833x系列又為用戶提供了浮點處理能力C280x系列為低價格數(shù)字信號控制器，速度從60MHz到100MHz

。

C281x系列的速度提高到150MHz，F(xiàn)lash存儲器的容量擴展到128KB和256KB，AD轉換器的速度提高到12.5MSPS，C2810、C2811還具有代碼兼容和引腳兼容的特點。

第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

C2833x系列在C281x的基礎上還集成了一個單精度浮點運算單元，外部具有了32/16位EMIF接口，為了便于同外設進行通信還提供了1個6通道DMA控制器，F(xiàn)lash存儲器的容量擴展到128KB、256KB和512KB。2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用481.4.2C62x系列和C64x系列

C62x系列是德州儀器公司第一個采用超長指令字的DSP產(chǎn)品，它的內部包含6個算術邏輯單元和兩個16位×16位乘法器，這樣C6000系列可以在一個循環(huán)中完成8次操作。C62x系列處理器的推出具有里程碑式的意義，它為高性能DSP樹立了標準。

C64x系列采用了C64x內核，采用了增強型超長指令字結構，改進了流水線結構，支持32位或64位寬度存儲器訪問，最高處理能力已經(jīng)達到9.6GIPS。

第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用491.4.3C67x系列和C33

C67x和C33是德州儀器公司的浮點數(shù)字信號處理器系列，C67x除了兼容C62x指令集之外，還支持浮點操作，單精度浮點運算可達1GFLOPS，對于雙精度運算可達250MFLOPS。其內核包括4個浮點/定點算術邏輯單元，兩個定點算術邏輯單元和兩個浮點/定點乘法器，支持單精度和雙精度浮點運算。浮點：數(shù)的范圍大于定點，不易溢出；浮點處理器的編程簡單，32位，影響功耗和速度，成本高

第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用50

1.4.4C54x系列和C55x系列

C54x和C55x系列是德州儀器公司為便攜電子產(chǎn)品推出的低功耗16位定點數(shù)字信號處理器

；

C54x系列針對低功耗應用采用了一系列措施，在確保性能的同時保證了DSP的低功耗；

C55x是在C54x基礎上開發(fā)的新型低功耗、高性能數(shù)字信號處理器，它兼容C54x代碼集，乘法器變成兩個，而采用最新芯片制造技術大幅度提升了DSP的主頻，從而提高了C55x系列處理器的處理能力。第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

TMS320VC5509-200PGE（S-PQFP-G144）1.4.5DSP發(fā)展趨勢獨立的DSP發(fā)展主頻速度、特殊功能、并行能力、特定的外設

DSP作為輔助技術協(xié)處理器（或特殊的計算單元）綜合發(fā)展與其他處理器形成混合核，兼顧兩者的優(yōu)點‘C1x‘C2x‘C2xx‘C5x‘C54xx‘C55xxFuture‘C62xx‘C64xx定點DSP‘C3x‘C4x‘C67xFuture浮點DSP‘C8xOMAP‘C57xFuture多處理器其它公司的DSP芯片AD公司的DSP芯片

AT&T公司的DSP芯片

Motorola/Freescale公司的DSP芯片Microchip公司的dsPIC系列DSP芯片

CPU：雙核ARM?Cortex?A57（最高2GHz）和四核A53內核，支持64位GPU：Adreno430GPUDSP：HexagonV56DSP（最高800MHz）,可讓多種應用程序以超低功耗運行，如音樂播放程序、增強的音頻效果應用程序、計算機視覺處理應用程序以及靜止和視頻圖像增強應用程序手機芯片中的DSP內核（以高通驍龍808處理器為例）DSP應用系統(tǒng)的開發(fā)工具開發(fā)工具的優(yōu)劣對代碼的長度、代碼的執(zhí)行速度有著關鍵的作用，開發(fā)工具的功能是否齊全，使用是否方便，在很大程度上將影響DSP系統(tǒng)的開發(fā)周期以及產(chǎn)品上市時間。由于不同廠商、不同系列的DSP都有自己的開發(fā)工具，因此開發(fā)工具的選擇也是重要的一環(huán)。DSP的開發(fā)工具代碼產(chǎn)生工具對用戶開發(fā)的高級語言或匯編語言源代碼進行編譯，生成可以在目標DSP上運行的可執(zhí)行代碼。代碼調試工具根據(jù)調試者的命令觀察DSP的狀態(tài)，控制DSP代碼的執(zhí)行，進行結果顯示，對用戶的代碼進行調試或性能測試。TI公司的開發(fā)工具TMS320有一系列調試工具用代替或協(xié)助目標系統(tǒng)進行軟件評價和開發(fā)?，F(xiàn)有產(chǎn)品：DSK初學者開發(fā)套件（DSPStarterKit)EVM評估模塊(EvaluationModule)XDS100/XDS560硬件仿真器集成開發(fā)平臺CCS（CodeComposerStudio)DSP開發(fā)流程確定系統(tǒng)性能指標核心算法模擬和驗證選擇DSP芯片及其他系統(tǒng)組件軟件設計和調試硬件設計和調試系統(tǒng)測試、集成2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用631.5DSP芯片的選擇1.5.1運算速度

DSP芯片是否符合應用要求，運算速度是非常關鍵的。常見的運算速度指標有如下幾種：（1）指令周期：執(zhí)行一條指令所需的最短時間，數(shù)值等于主頻的倒數(shù)；指令周期通常以ns（納秒）為單位。例如，運行在200MHz的TMS320VC5510的指令周期為5ns（2）MIPS：每秒百萬條指令數(shù)。（3）MOPS：每秒百萬次操作數(shù)。（4）MFLOPS：每秒百萬次浮點操作數(shù)（5）BOPS：每秒十億次操作數(shù)。（6）MAC時間：一次乘法累加操作花費的時間。大部分DSP芯片可在一個指令周期內完成MAC操作。（7）FFT執(zhí)行時間：完成N點FFT所需的時間。FFT運算是數(shù)字信號處理中的典型算法而且應用很廣，因此該指標常用于衡量DSP芯片的運算能力。第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

單周期執(zhí)行時間=1/時鐘頻率

◎

MIPS(MillionInstructionPerSecond)TMS320C5402$6/100MIPS60mwTMS320C5416$39/160MIPS90mwTMS320C55x0.9v0.05mw/MIPS800MHz◎MFLOPS(MillionFloatingPointOperationSecond)TMS320C6701$210/1GFLOPS◎MBPS(MillionBitPerSecond)(主要用來衡量DSP數(shù)據(jù)傳輸能力，是對總線和I/O口數(shù)據(jù)吞吐率的度量，也就是總線和I/O口的帶寬)

例：‘C6000200MHz時鐘32--bit總線則總線數(shù)據(jù)吞吐率為800Mbyte/s或6400MBPS◎MACS(Multiply---AccumulatesPerScond)

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用661.5.2算法格式和數(shù)據(jù)寬度

DSP算法格式主要分為定點算法和浮點算法兩種。一般而言，定點DSP芯片價格較便宜，功耗較低，但運算精度稍低；浮點DSP芯片的優(yōu)點是運算精度高，但價格稍貴，功耗也較大。第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用671.5.3存儲器

DSP的內部存儲器通常包括Flash存儲器、RAM存儲器等。Flash存儲器通常用來存儲程序及重要的數(shù)據(jù)，F(xiàn)lash存儲器是一種非易失存儲器，當系統(tǒng)掉電后還能夠保留所存儲的信息，F(xiàn)lash存儲器的缺點是讀/寫速度較慢，而向Flash存儲器寫入數(shù)據(jù)的過程比較煩瑣。DSP中最重要的存儲器是RAM存儲器，例如在TMS320VC5510處理器中就集成了320KB的RAM存儲器。有的DSP片內集成了多存取存儲器，允許在一個指令周期內對存儲器進行多次訪問；也有的DSP片內集成了指令緩存，允許從緩存讀取指令，從而將存儲器空閑出來進行數(shù)據(jù)讀取。DSP外部總線可以擴展多種存儲器，其中既有EPROM、Flash等非易失存儲器，又有SRAM、FIFO等可快速訪問的存儲器，還可以連接SDRAM、DDRSDRAM等大容量存儲器，而外部總線的數(shù)據(jù)寬度也從16位向32位和64位發(fā)展。這些特點也是選擇DSP時可以參考的依據(jù)。第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用681.5.4功耗

由于DSP器件越來越多地應用在便攜式產(chǎn)品中，因此功耗是一個重要的考慮因素。下面是一些常見的降低系統(tǒng)功耗的技術。（1）低工作電壓。目前DSP的工作電壓有5V，3.3V（LVTTL標準），2.5V（SSTL2標準），1.8V等多種。

（2）“休眠”或“空閑”模式。大多數(shù)處理器具有關斷處理器部分時鐘的功能以降低功耗。第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

（3）可編程時鐘分頻器。有的DSP可以在運行時動態(tài)編程改變處理器時鐘頻率以降低功耗。

（4）外圍控制。一些DSP器件允許程序中止系統(tǒng)暫時不使用的外圍電路功能。2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用691.5.5開發(fā)工具選擇DSP芯片時，必須注意其開發(fā)工具的支持情況（包括軟件開發(fā)工具、硬件開發(fā)工具）。軟件開發(fā)工具包括編譯器、匯編器、鏈接器、調試器、代碼模擬器、代碼庫及實時操作系統(tǒng)（RealTimeOperationSystem，RTOS）等，而硬件工具包括評估板和仿真器等。

第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

2023年2月1日TMS320C55xDSP原理及應用701.6定點運算及定點DSP第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

1、數(shù)據(jù)格式2、運算方法3、定點DSP芯片1、數(shù)據(jù)格式

在定點DSP芯片中，機器指令采用定點數(shù)進行數(shù)值運算。不能直接計算浮點數(shù)。如果要快速計算，變量要采用整型數(shù)來表示(int、long型)。

DSP芯片存儲的數(shù)以2的補碼形式表示。-32768，32767(8000h，7FFFh)-1(FFFFh)，0+-

-128，127(80h，7Fh)

-1(FFh)，0+-0000000000000100采用Q0表示法，2000H為8192采用Q15表示法，2000H為0.25如：Q表示法16進制數(shù)2000H小數(shù)點的位置0000000000000100小數(shù)點的位置符號位CPU不認為它們有區(qū)別，都是2000H，編程者要記住每個變量的Q值。數(shù)的定標：一般用Q表示法。浮點數(shù)與定點數(shù)的轉換關系

浮點數(shù)轉換為定點數(shù)定點數(shù)轉換為浮點數(shù)浮點數(shù)x=0.5，定標Q＝15，則定點數(shù)＝0.5*32768=16384=4000H第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

浮點數(shù)的表示指數(shù)部分又稱為階碼，階碼用偏移碼表示。例如：數(shù)125.5，二進制原碼為：1111101.1B，亦可表示為：1.1111011*26，6為階碼，6+127=133=10000101B，因此125.5用單精度浮點數(shù)可表示為：

01000010

111110110000000000000000

高字節(jié)低字節(jié)

Q表示S表示十進制數(shù)表示范圍Q15S0.15-1≤X≤0.9999695Q14S1.14-2≤X≤1.9999390..................Q1S14.1-16384≤X≤16383.5Q0S15.0-32768≤X≤32767第1章數(shù)字信號處理和DSP系統(tǒng)

定點數(shù)的表示范圍：數(shù)據(jù)類型位寬字節(jié)數(shù)數(shù)值范圍char81-128~+127unsignedchar810~255short162-32768~+32767unsignedshort1620~65535int162-32768~+32767unsignedint1620~65535long324-2147483648~+2147483647unsignedlong3240~4294967295float324±1.175494E-38~±3.402823E+38（數(shù)符加尾數(shù)占24位，指數(shù)符加指數(shù)占8位）double648±1.175494E-38~±3.402823E+38（數(shù)符加尾數(shù)占48位，指數(shù)符加指數(shù)占16位）加法/減法運算的C語言定點模擬floatx,y,z;z=x+y;兩個操作數(shù)的定標值一樣如果加法/減法的結果超出16位的表示范圍，則必須保留32位結果，以保證運算的精度z＝x+y＝＝定點加法描述：

intx,y,z;longtemp; /*臨時變量*/temp＝y(tǒng)<<(Qx－Qy);temp＝x＋temp;z＝(int)(temp>>(Qx－Qz)),若Qx≥Qzz＝(int)(temp<<(Qz－Qx)),若Qx≤Qz例子：設x＝0.5，y＝3.1，則浮點運算結果為z＝x+y＝0.5+3.1＝3.6;Qx＝15，Qy＝13，Qz＝13，則定點加法為：

x＝4000H=16384；y＝6333H=25395;temp＝25395<<2＝101580;temp＝x+temp＝16384+101580＝117964;z＝(int)(117964L>>2)＝29491;驗算：z＝29491/8192＝3.6定點加法定點減法

設x＝3.0，y＝3.1，則浮點運算結果為z＝x-y＝3.0-3.1＝-0.1;Qx＝13，Qy＝13，Qz＝15，則定點減法為：

x＝3.0*213=24576；y＝3.1*213=25395；

temp＝25395;temp＝x-temp＝24576-25395＝-819;因為Qx<Qz，故z＝(int)(-819<<2)＝-3276。驗算：由于z的Q值為15，所以定點值z＝-3276即為浮點值z＝-3276/32768-0.1結果超過16位表示范圍

設x的Q值為Qx，y的Q值為Qy，且Qx>Qy，加法結果z的定標值為Qz,則定點加法為：intx，y；

longtemp，z；

temp＝y(tǒng)<<(Qx-Qy)；

temp＝x＋temp;z＝temp>>(Qx-Qz)，若Qx≥Qzz＝temp<<(Qz-Qx)，若Qx≤Qz

例子：設x＝15000，y＝20000，則浮點運算結果為z＝x+y＝15000+20000＝35000，顯然z>32767;Qx＝1，Qy＝0，Qz＝0，則定點加法為：

x＝15000*21=30000；y＝2000*20=20000;temp＝20000<<1＝40000;temp＝temp+x＝40000+30000＝70000;z＝70000L>>1＝35000;結果超過16位的定點加法

乘法運算的C語言定點模擬

z=xy;intx,y,z;longtemp;temp=(long)x;z=(temp×y)>>(Qx+Qy-Qz);z=xy=

=定點乘法

設x=18.4，y=36.8，則浮點運算值為z=18.4×36.8=677.12;Qx=10，Qy=9，Qz=5，所以x=18841；y=18841；

temp=18841L;z=(18841L*18841)>>(10+9-5)=354983281L>>14=21666;因為z的定標值為5，故定點z=21666即為浮點的z=21666/32=677.08除法運算的C語言定點模擬

z=x/y;intx,y,z;longtemp;temp=(long)x;z=(temp<<(Qz-Qx+Qy))/y;

z=x/y

=

定點除法

設x=18.4，y=36.8，浮點運算值為z=x/y=18.4/36.8=0.5;Qx=10，Qy=9，Qz=15；所以有x=18841,y=18841;temp=(long)18841;z=(18841L<<(15-10+9))/18841=308690944L/18841=16384;因為商z的定標值為15，所以定點z=16384即為浮點z=16384/32768=0.5程序變量的Q值確定確定變量的Q值實際上就是確定變量的動態(tài)范圍。設變量的絕對值的最大值為|max|，取整數(shù)n，使其滿足如果某變量的值在-1至＋1之間，即<1，因此n=0，Q＝15-n=15

確定變量的絕對值的最大值理論分析法（三角函數(shù)、漢明窗、FIR卷積、自相關線性預測編碼等）統(tǒng)計分析法（依據(jù)足夠多的采樣值）2、運算方法

通常的是全部以Q15格式表示的小數(shù)或以Q0格式表示的整數(shù)來工作定點乘法定點加法定點除法定點乘法

小數(shù)乘小數(shù)Q15×Q15＝Q300.5*0.5=0.250.100000000000000 ；Q15×0.100000000000000 ；Q15 00.010000000000000000000000000000=0.25；Q30LT OP1 ；OP1=4000H(0.5/Q15)MPY OP2 ；OP2=4000H(0.5/Q15)PACSACH ANS,1 ；（ANS）=2000H(0.25/Q15)

定點乘法（續(xù)）整數(shù)乘整數(shù)Q0×Q0=Q017×(-5)=-850000000000010001=17×11111111111