DSP-第十一章-其它

第十一章算法及硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容1.數(shù)據(jù)格式與IQMath2.DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.控制系統(tǒng)實(shí)例第一部分?jǐn)?shù)據(jù)格式與IQMathDSP的數(shù)據(jù)表示格式字長(zhǎng)16位32位定點(diǎn)浮點(diǎn)24位格式和字長(zhǎng)決定了數(shù)據(jù)的精度和動(dòng)態(tài)范圍格式和字長(zhǎng)也在一定程度上決定了DSP處理器的成本、功耗和編程難度定點(diǎn)與浮點(diǎn)浮點(diǎn)運(yùn)算DSP比定點(diǎn)運(yùn)算DSP的動(dòng)態(tài)范圍要大很多。定點(diǎn)DSP的字長(zhǎng)每增加1bit,動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大6dB。16bit字長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)范圍為96dB。程序員必須時(shí)刻關(guān)注溢出的發(fā)生。例如，在作圖像處理時(shí)，圖像作旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)等，就很容易產(chǎn)生溢出。這時(shí)，要么不斷地移位定標(biāo)，要么作截尾。前者要耗費(fèi)大量的程序空間和執(zhí)行時(shí)間，后者則很快帶來(lái)圖像質(zhì)量的劣化?？傊?，是使整個(gè)系統(tǒng)的性能下降。在處理低信噪比信號(hào)的場(chǎng)合，例如進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別、雷達(dá)和聲納信號(hào)處理時(shí)，也會(huì)發(fā)生類似的問(wèn)題。而32bit浮點(diǎn)運(yùn)算DSP的動(dòng)態(tài)范圍可以作到1536dB，這不僅大大擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍，提高了運(yùn)算精度，還大大節(jié)省了運(yùn)算時(shí)間和存儲(chǔ)空間，因?yàn)榇蟠鬁p少了定標(biāo)，移位和溢出檢查。浮點(diǎn)DSP的優(yōu)勢(shì)由于浮點(diǎn)DSP的浮點(diǎn)運(yùn)算用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以在單周期內(nèi)完成，因而其處理速度大大高于定點(diǎn)DSP。這一優(yōu)點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)高精度復(fù)雜算法時(shí)尤為突出，為復(fù)雜算法的實(shí)時(shí)處理提供了保證。定點(diǎn)DSP的優(yōu)勢(shì)是什么？定義定點(diǎn)數(shù)：通俗的說(shuō)，小數(shù)點(diǎn)固定的數(shù)。。如果小數(shù)點(diǎn)在最高有效位的前面，則這樣的數(shù)稱為純小數(shù)的定點(diǎn)數(shù)，如0.12345，0.78934等。如果小數(shù)點(diǎn)在最低有效位的后面，則這樣的數(shù)稱為純整數(shù)的定點(diǎn)數(shù)，如12345，78934等。浮點(diǎn)數(shù)：一般說(shuō)來(lái)，小數(shù)點(diǎn)不固定的數(shù)。比較容易的理解方式是，考慮以下我們?nèi)粘Ｒ?jiàn)到的科學(xué)記數(shù)法，拿我們上面的數(shù)字舉例，如123.45，可以寫(xiě)成以下幾種形式：

12.345x1011.2345x1020.12345x103

為了表示一個(gè)數(shù)，小數(shù)點(diǎn)的位置可以變化，即小數(shù)點(diǎn)不固定。定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)的對(duì)比(1)表示的精度與范圍不同例如，我們用4個(gè)十進(jìn)制數(shù)來(lái)表達(dá)一個(gè)數(shù)字。對(duì)于定點(diǎn)數(shù)（這里以定點(diǎn)整數(shù)為例），我們表示區(qū)間[0000，9999]中的任何一個(gè)數(shù)字，但是如果我們要想表示類似1234.3的數(shù)值就無(wú)能為力了，因?yàn)榇藭r(shí)的表示精度為1/100=1；如果采用浮點(diǎn)數(shù)來(lái)表示（以歸整的科學(xué)記數(shù)法，即小數(shù)點(diǎn)前有一位有效位，為例），則可以表示[0.000，9.999]之間的任何一個(gè)數(shù)字，表示的精度為1/103=0.001，精度比上一種方式提高了很多，但是表示的范圍卻小了很多。

定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)的對(duì)比(2)計(jì)算機(jī)中運(yùn)算的效率不同一般說(shuō)來(lái)，定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，效率較高；而浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜，效率相對(duì)較低。(3)硬件依賴性一般說(shuō)來(lái)，只要有硬件提供運(yùn)算部件，就會(huì)提供定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的支持，但不一定支持浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。Qn格式數(shù)值范圍精度Q15-1～0.9999694824218750.000030517578125Q14-2～1.999938964843750.00006103515625Q13-4～3.99987792968750.0001220703125Q12-8～7.9997558593750.000244140625Q11-16～15.999511718750.00048828125Q10-32～31.99902343750.0009765625Q9-64～63.9980468750.001953125Q8-128～127.996093750.00390625Q7-256～255.99218750.0078125Q6-512～511.9843750.015625Q5-1024～1023.968750.03125Q4-2048～2047.93750.0625Q3-4096～4095.8750.125Q2-8192～8191.750.25Q1-16384～16383.50.5Q0-32768～32767116位定點(diǎn)的數(shù)值范圍與精度浮點(diǎn)數(shù)的存儲(chǔ)格式IEEEfloatingpointstandard

浮點(diǎn)數(shù)的小數(shù)點(diǎn)是不固定的，那么怎么在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)這種類型的數(shù)字呢？浮點(diǎn)數(shù)的存儲(chǔ)規(guī)范，就是由IEEE指定的，具體的規(guī)范文件是：IEEEStandard754forBinaryFloating-PointArithmetic。大家可以很容易的從網(wǎng)絡(luò)上下載到這篇文檔。在c語(yǔ)言中，單精度（float）數(shù)據(jù)類型為32bits，具體的如下圖所示：Sign：符號(hào)位，1bit，0為正，1為負(fù)；Exponent(bias)：指數(shù)部分，8bits，存儲(chǔ)格式為移碼存儲(chǔ)，偏移量為127；Mantissa(fraction)：尾數(shù)部分。浮點(diǎn)數(shù)表示范圍(-1)^s×(1+m/2^23)×2^(e-127)s是第一位，e是8位指數(shù)，m是數(shù)值。可表示的范圍是±1.40129846432481707e-45to±3.40282346638528860e+38.IQMath定點(diǎn)DSP沒(méi)有定點(diǎn)運(yùn)算單元，它對(duì)浮點(diǎn)格式的實(shí)數(shù)必須通過(guò)軟件才能實(shí)現(xiàn)，這樣就增加了指令代碼，間接地使得定點(diǎn)DSP運(yùn)算速度低于浮點(diǎn)DSP。因?yàn)楦↑c(diǎn)DSP的價(jià)格更加昂貴，因此定點(diǎn)DSP仍然有其巨大的優(yōu)勢(shì)。TI公司專門為定點(diǎn)處理器TMS320C2000系列提供的IQmath庫(kù)為解決上述問(wèn)題提供了良好的實(shí)現(xiàn)方法。IQmath庫(kù)是高度優(yōu)化和具有高精度的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)集合。IQmath庫(kù)里面包含的函數(shù)都是采用Q格式定點(diǎn)數(shù)作為輸入/輸出，允許程序設(shè)計(jì)人員在定點(diǎn)TMS320F281xx處理器上進(jìn)行浮點(diǎn)算法設(shè)計(jì)，從而提高運(yùn)算速度。IQmath庫(kù)函數(shù)

IQmath庫(kù)中主要包括以下函數(shù)：◆格式轉(zhuǎn)換函數(shù)IQ（）、IQN（）、IQtoF（）、IQtoIQN（）等◆算術(shù)運(yùn)算函數(shù)IQmpy（）、IQdiv（）等◆三角運(yùn)算函數(shù)IQsin（）、IQcos（）、IQatan2（）等IQMath的使用為了應(yīng)用IQmath，首先要從TI官方網(wǎng)站下載IQmath庫(kù)，文檔名稱為SPRC087。我們主要應(yīng)用庫(kù)里面的：IQmath.cmd，IQmathLib.h，IQmath.lib。新建一個(gè)工程，將IQmath.lib，IQmath.cmd添加到工程，同時(shí)在main（）函數(shù)之前增加語(yǔ)句：#include“IQmathLib.h”。當(dāng)然也可以不用IQmath.cmd文件，而用自己的CMD文件，只要在你的CMD里面添加以下代碼即可：MEMORY{

PAGE0:

BOOTROM:origin=0x3ff000,length=0x000fc0

RAMH0

:origin=0x3f8000,length=0x002000}SECTIONS{

IQmathTables

:load=BOOTROM,type=NOLOAD,PAGE=0

IQmath

:load=

RAMH0

,PAGE=0

}例程

第二部分2812最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DSP系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則

首先，要了解DSP芯片的基本參數(shù)（從數(shù)據(jù)手冊(cè)Datasheet中查找參數(shù)說(shuō)明），重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)參數(shù)：

1）芯片的工作電源Vcc,Vdd（5V，3.3V，2.5V，1.8V?）;2）信號(hào)接口的電平要求（VIH,VIL,VOH,VOL）和驅(qū)動(dòng)能力，注意電平轉(zhuǎn)換問(wèn)題;3）控制信號(hào)時(shí)序（RD、WE、RST,AddrBus,DataBus等）；最小系統(tǒng)概念什么是最小系統(tǒng)電源，復(fù)位電路，外設(shè)接口，擴(kuò)展內(nèi)存，JTGA等。時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)2812的兩種時(shí)鐘模式：利用內(nèi)部振蕩器或者外部時(shí)鐘內(nèi)部振蕩器便宜穩(wěn)定、推薦，除非需要和其他設(shè)備使用相同的時(shí)鐘才使用外部模式。使用外部時(shí)鐘時(shí)，要求電平在0-3.3vXCLKOUT可以用來(lái)判斷DSP是否工作，晶振推薦布線方式2812復(fù)位電路通過(guò)按鍵和看門狗提供復(fù)位信號(hào)CM1215靜電保護(hù)二極管JTAG引腳JTAG是英文“JointTestActionGroup（聯(lián)合測(cè)試行為組織）”的詞頭字母的簡(jiǎn)寫(xiě)，JTAG也是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議（IEEE1149.1兼容），主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試。

GPIO引腳的處理最大驅(qū)動(dòng)電流±4mA，如果要驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載如二極管、繼電器可以使用

SN54AC241,SN74AC241等緩沖驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)電流±24mA?；蛘呤褂酶唠妷焊唠娏鲝?fù)合晶體管陣列ULN2xxx，50v/500mA。不使用的管腳可以配置為輸出或者接上拉電阻。AD設(shè)計(jì)濾波電路的設(shè)計(jì)模擬數(shù)字部分處理運(yùn)放的使用電壓的限制基準(zhǔn)源盡量靠近DSP外部基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)典型CAN電路典型SCI電路外部RAM擴(kuò)展MOSARAM(1K)M1SARAM(1K)LOSARAM(4K)L1SARAM(4K)HOSARAM(8K)BootROM(4K)MP/MC=0BROMvector(32)MP/MC=0ENPIE=0OTP(1K)FLASH(128K)reservedreservedreservedPF0(2K)reservedreservedPF1(4K)reservedPF2(4K)reservedPIEvector(256)ENPIE=1XINTZone0(8K)XINTZone1(8K)XINTZone2(0.5M)XINTZone6(0.5M)XINTZone7(16K)MP/MC=1XINTVector-RAM(32)MP/MC=1ENPIE=0reservedreservedreservedData|Program0x0000000x0004000x0008000x000D000x0010000x0060000x0070000x0080000x0090000x00A0000x3D78000x3D80000x3F80000x3FA0000x3FF0000x3FFFC00x3FC0000x1800000x1000000x0800000x0040000x002000Data|Program128-BitPasswordCSM:LO,L1OTP,FLASHreserved0x3D7C00F2812通過(guò)XINTF外擴(kuò)CY7C1041CV33(256K×16位靜態(tài)RAM，最大讀寫(xiě)時(shí)間為8ns)存儲(chǔ)器。WE=XWECE=XZCS2*XA18OE=XRDCE=XZCS67*XA18并行接口（并行DA接口）I/O空間擴(kuò)展8位并行數(shù)字輸出接口電路（具有瑣存功能）8位并行數(shù)字輸入接口電路（無(wú)瑣存功能）典型3.3V和1.9V電源電路設(shè)計(jì)220VAC/5VDC市電220VTPS767D301控制板電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路開(kāi)關(guān)電源或電機(jī)控制典型電路設(shè)計(jì)

在開(kāi)關(guān)電源和電機(jī)控制電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，幾乎都用到PWM控制和故障保護(hù)。下面給出兩種電路接口的典型電路設(shè)計(jì)。1)P