數(shù)字信號(hào)處理第7章數(shù)字信號(hào)處理的硬件實(shí)現(xiàn)

第7章

數(shù)字信號(hào)處理的硬件實(shí)現(xiàn)DSP技術(shù)的概念及其發(fā)展DSP處理器的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)TI系列DSPDSP的開發(fā)環(huán)境*1數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)途徑：21/11/20201、信號(hào)處理軟件包缺點(diǎn)是軟件實(shí)時(shí)處理較差，因此，多用于教學(xué)與科研當(dāng)中。2、專用的數(shù)字信號(hào)處理機(jī)方便、經(jīng)濟(jì)，但是它的靈活性和適應(yīng)性都較差。

3、采用單片信號(hào)處理器(Chip

DigitalSignalProcessor通常簡(jiǎn)稱為DSP)把設(shè)計(jì)師的精力從繁雜的布線和煩瑣的調(diào)試等硬件設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)向軟件設(shè)計(jì)。7.1

DSP技術(shù)的概念及其發(fā)展7.1.1

DSP系統(tǒng)的基本概念典型的實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)31/11/2020DSP系統(tǒng)的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：接口方便。系統(tǒng)接口與其它數(shù)字系統(tǒng)或設(shè)備的接口是相互兼容的，這樣便于信息的交換與傳輸。編程方便。系統(tǒng)中的可編程芯片可使設(shè)計(jì)人員在開發(fā)過(guò)程中靈活方便地對(duì)軟件進(jìn)行修改和升級(jí)。穩(wěn)定性好。系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，與模擬系統(tǒng)相比受環(huán)境溫度以噪聲的影響較小，可靠性高?？芍貜?fù)性好。數(shù)字系統(tǒng)便于測(cè)試、調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)。集成方便。系統(tǒng)中的數(shù)字部件具有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。41/11/2020DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的一般過(guò)程如圖51/11/2020針對(duì)上圖個(gè)部分處理的過(guò)程根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的目標(biāo)確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)，以及信號(hào)處理的要求。根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行高級(jí)語(yǔ)言的模擬，通常使用C語(yǔ)言或MATLAB語(yǔ)言。設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)，DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。硬件設(shè)計(jì)選擇合適的DSP芯片，然后設(shè)計(jì)DSP芯片的外圍電路及其它電路。軟件設(shè)計(jì)和編程。61/11/20207.1.2

DSP芯片的選擇71/11/2020一般來(lái)說(shuō)，選擇DSP芯片時(shí)考慮以下諸多因素。

1、DSP芯片的運(yùn)算速度DSP芯片的運(yùn)算速度可以用以下幾種性能指標(biāo)來(lái)衡量：指令周期。就是執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，通常以ns為單位。MAC時(shí)間。即一次乘法和一次加法的時(shí)間。FFT執(zhí)行時(shí)間。MIPS。即每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令。MOPS。即每秒執(zhí)行百萬(wàn)次操作。MFLOPS。即每秒執(zhí)行百萬(wàn)次浮點(diǎn)操作。BOPS。即每秒執(zhí)行十億次操作。

2、DSP芯片的價(jià)格開發(fā)階段選用某種價(jià)格稍貴的DSP芯片，等到系統(tǒng)開發(fā)完畢，其價(jià)格可能已經(jīng)下降一倍甚至更多。3、DSP芯片的硬件資源主要包括：片內(nèi)RAM和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。81/11/20204、DSP芯片的運(yùn)算精度定點(diǎn)DSP芯片的字長(zhǎng)為16位或32位，浮點(diǎn)芯片的字長(zhǎng)一般為32位，累加器為40位。5、DSP芯片的開發(fā)工具在選擇DSP芯片的同時(shí)必須注意其開發(fā)工具的支持情況，包括軟件和硬件的開發(fā)工具。6、DSP芯片的功耗在某些DSP應(yīng)用場(chǎng)合，功耗也是一個(gè)需要特別注意的問(wèn)題。7、其他91/11/20207.1.3

DSP發(fā)展101/11/20201978年，AMI公司研發(fā)世界上第一個(gè)單片DSP芯片是研制的S2811；1979年Intel公司，展示的商用可編程器件

Intel2920成為DSP芯片發(fā)展的一個(gè)重要的里程碑；1980年，NEC公司推出的μPD7720成為第一個(gè)具有乘法器電路的商用DSP芯片。1982年，日本的Hitachi公司推出第一個(gè)采用

CMOS工藝生產(chǎn)浮點(diǎn)DSP芯片。在DSP芯片市場(chǎng)中，最成功的是美國(guó)德克薩斯儀器公司（Texas

Instruments，簡(jiǎn)稱TI）。TI公司從1982年推出其產(chǎn)品：第一代DSP芯片TMS32010及其系列產(chǎn)品包括

TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等；第二代，TMS32020、TMS320C25/C26/C28等；第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32；第四代DSP芯片TMS320C40/C44；第五代DSP芯片TMS320C50/C51/C52/C53以及集多個(gè)DSP于一體的高性能DSP芯片TMS320C80/C82等。目前TI公司常用的DSP芯片為以下三大系列，即

TMS320C2000，TMS320C5000；TMS320C6000。111/11/20207.2

DSP處理器的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)121/11/20207.2.1

哈佛結(jié)構(gòu)馮·諾曼結(jié)構(gòu)將指令、數(shù)據(jù)、地址存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)器中，統(tǒng)一進(jìn)行編址，靠指令計(jì)數(shù)器提供的地址來(lái)區(qū)別取出的是數(shù)據(jù)、地址還是指令。哈佛結(jié)構(gòu)則將數(shù)據(jù)和程序分別存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)器當(dāng)中，即程序存儲(chǔ)器(PM)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(DM)，它們各自獨(dú)立單獨(dú)編址，獨(dú)立訪問(wèn)。與此相對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)中還設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。目前使用的DSP芯片都采用了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)。131/11/20207.2.2

硬件乘法器和特殊的DSP指令考慮到數(shù)字信號(hào)處理算法中存在著大量的乘加運(yùn)算，因而幾乎所有的DSP芯片都設(shè)置了硬件乘法器，以及相應(yīng)的MAC(乘法并累加)一類的指令。例如利用TMS32010實(shí)現(xiàn)上式給出的FIR濾波器，每個(gè)抽頭需要重復(fù)執(zhí)行下屬指令256次：LT

；裝乘數(shù)到T寄存器DMOV

；在存儲(chǔ)器中移動(dòng)數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)延遲MPY

；相乘APAC

；將乘法結(jié)果加到ACC中141/11/2020如果是第二代DSP芯片TMS320C25每個(gè)抽頭的運(yùn)算時(shí)間將條降為1條，即：151/11/2020RPT

255MACD；重復(fù)執(zhí)行下條指令256次；LT、DMOV、MPY和APAC7.2.3

指令系統(tǒng)的多級(jí)流水線與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP芯片廣泛采用指令流水線以減少指令執(zhí)行時(shí)間，從而增強(qiáng)了處理器的處理能力。TMS320系列處理器的流水線深度從二到四級(jí)不等。下面是一個(gè)三級(jí)流水線操作的例子。161/11/20207.2.4其它特點(diǎn)171/11/20201、獨(dú)立直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)總線及其控制器2、數(shù)據(jù)地址發(fā)生器(DAG)3、豐富的外設(shè)7.3

TI系列DSP181/11/2020在TI公司提供的產(chǎn)品系列當(dāng)中，使用較為廣泛的定點(diǎn)DSP芯片有三大系列，即用于數(shù)字控制系統(tǒng)的

TMS320C2000系列產(chǎn)品，用于功耗低、便攜式的無(wú)

線通信終端的TMS320C5000系列產(chǎn)品，以及高性能

32位的TMS320C62XX等系列的產(chǎn)品。7.3.1

TMS320C2000系列DSP191/11/2020TMS320C2000系列DSP控制器，具有很好的性能，集成了Flash存儲(chǔ)器、高速A/D轉(zhuǎn)換器，以及可靠CAN模塊，主要應(yīng)用于數(shù)字化的控制系統(tǒng)當(dāng)中。1、TMS320C24x系列DSPTMS320C24x系列所達(dá)到的20MIPs，可以應(yīng)用自適應(yīng)控制、Kalman濾波、狀態(tài)控制等先進(jìn)的控制算法，C24x與早先的C2x系列原代碼兼容，向上與

C5x的原代碼兼容。2、TMS320C28x系列DSPTMS320C28x是高性能32bit定點(diǎn)DSP。它和

C27x原代碼和目標(biāo)代碼兼容。凡是使用C2xLP

CPU編寫的代碼，都可以重新編譯后在C28x上運(yùn)行。201/11/20207.3.2

TMS320C5000系列DSP211/11/2020C5000是16bit定點(diǎn)DSP系列，當(dāng)前廣泛使用的主流為TMS320C54X系列芯片，以及TI較晚推出的

TMS320C55X系列芯片。其主要應(yīng)用目標(biāo)是手持通信系統(tǒng)，例如，手機(jī)、PDA和GPS

SOHO(小型辦公室和家庭辦公室)的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)系統(tǒng)等。1、TMS320C54x系列DSPTMS320C54x系列DSP適應(yīng)遠(yuǎn)程通信等實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用的需要，具有很好的操作靈活性和很高的運(yùn)行速度。2、TMS320C55x系列DSPC55x是從C54x發(fā)展起來(lái)的，并與之原代碼兼容，以便保護(hù)用戶在C54x上的投資。C55x工作在0.9V時(shí)，功耗低至0.005mW/MIPS。工作在400MHz鐘頻時(shí)，可達(dá)800MIPS。與120MHz的C54x相比，300

MHs的C55x性能提高5倍，功耗降為1/6。因此，C55x非常適合個(gè)人的和便攜式的應(yīng)用，以及數(shù)字通信設(shè)施的應(yīng)用。221/11/20207.3.3

TMS320C6000系列DSP231/11/2020該系列是TI公司從1997年開始推出的新型DSP系列。采用TI的專利技術(shù)VeloiTI、VeloiTI2和新的超長(zhǎng)指令字(VLIW)結(jié)構(gòu)，使該系列DSP的性能達(dá)到很

高的水平。該系列的第一款芯片C6201，在200

MHz鐘頻時(shí)，達(dá)到1600MIPS。而2000年以后推出的C64x，在鐘頻1.1GHz時(shí)，可以達(dá)到8800MIPS以上，即每秒

執(zhí)行近90億個(gè)指令。在鐘頻提高的同時(shí)，VeloiTI和VeloiTI2充分利用結(jié)構(gòu)上的并行性，可以在每個(gè)周期內(nèi)完成更多的工作。1、應(yīng)用領(lǐng)域（1）通信信號(hào)處理；（2）圖像視頻多媒體

2、硬件結(jié)構(gòu)3、TMS320C62x和TMS

320C64x4．TMS320C67x5、DM64x數(shù)字媒體處理器241/11/20207.4

DSP的開發(fā)環(huán)境251/11/2020對(duì)于DSP工程師來(lái)說(shuō)，除了需要熟悉和掌握DSP

本身的結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)，而且還需要學(xué)習(xí)使用其開發(fā)工具和環(huán)境。下圖給出了一個(gè)DSP的軟件開發(fā)流程圖。本章將以TI公司的TMS320系列DSP芯片為例，簡(jiǎn)要介紹目前使用得比較廣泛的開發(fā)環(huán)境和工具。261/11/20207.4.1

C編譯器271/11/2020TI公司為TMS320系列DSP芯片提供了系列的C編譯器。這些標(biāo)準(zhǔn)C編譯器，可以將標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言源文件編譯成為相應(yīng)芯片種類的匯編語(yǔ)言源代碼文件，進(jìn)而匯編和連接，產(chǎn)生可執(zhí)行的目標(biāo)文件。1、C編譯器的主要特點(diǎn)

(1)完全符合ANSI

C標(biāo)準(zhǔn)。(2)編譯器軟件包內(nèi)帶有一個(gè)完整的運(yùn)行支持庫(kù)。

(3)該編譯器能夠作高水平的優(yōu)化，使用多種先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)從C源代碼到高效匯編代碼的轉(zhuǎn)換。歸檔器公用程序(Archiver

Utility)，將文件入單一的文檔或庫(kù)中，可以對(duì)庫(kù)作文件的添加、刪除、替換，也可以將目標(biāo)文件庫(kù)作為連接器的輸入。公用目標(biāo)文件格式(COFF：Common

ObjectFile

Format)使用戶能夠在連接時(shí)定義自己系統(tǒng)的存儲(chǔ)器映射，將C源代碼和數(shù)據(jù)連接到特定的存儲(chǔ)區(qū)域，從而最大限度地改善其性能。該編譯器包內(nèi)有一個(gè)外殼程序只用一個(gè)命令，就可以編譯、匯編和連接，直接從C源文件產(chǎn)生可執(zhí)行的COFF文件。281/11/2020可以生成多種列表文件；用戶可以使用C編譯器軟件包所提供的建庫(kù)公用程序(Library-Build

Utility)，通過(guò)不同的選擇來(lái)建立自己運(yùn)行支持庫(kù)；編譯器具有靈活的匯編語(yǔ)言接口，使用直接調(diào)用協(xié)議，易于編寫可以相互調(diào)用的匯編和C函數(shù)。對(duì)于獨(dú)立的嵌入式應(yīng)用，允許復(fù)位時(shí)運(yùn)行C代碼。291/11/2020綜上所述，C編譯器在作編譯時(shí)，分為兩步實(shí)現(xiàn)：第一步分析源代碼，第二步產(chǎn)生匯編語(yǔ)言源程序，需要作進(jìn)一步的匯編和連接，才能生成可執(zhí)行代碼。2、TMS320標(biāo)準(zhǔn)C編譯器的優(yōu)化TMS320的C編譯器能作多種優(yōu)化處理，從而極大地改善了其匯編所得代碼的效率。這些處理包括：代數(shù)式改變，字符簡(jiǎn)化，常數(shù)合并別名澄清，它確定什么時(shí)候兩個(gè)指針表達(dá)式不能指向同一單元，從而使得編譯器能自由地優(yōu)化這些表達(dá)式。301/11/2020(3)數(shù)據(jù)流優(yōu)化目的就是優(yōu)化表達(dá)式的描述，檢測(cè)出并去除不必要的賦值操作，避免重復(fù)計(jì)算已經(jīng)算過(guò)的值。(4)優(yōu)化轉(zhuǎn)移，簡(jiǎn)化控制流程

(5)循環(huán)相關(guān)變量的優(yōu)化(6)循環(huán)流程當(dāng)中的其它優(yōu)化

(7)函數(shù)調(diào)用的內(nèi)聯(lián)擴(kuò)展(8)寄存器變量(9)以省時(shí)為基礎(chǔ)的寄存器配置311/11/2020(10)循環(huán)處理的優(yōu)化321/11/2020利用自動(dòng)增量尋址模式和塊循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)處理的優(yōu)化。(11)并行指令有一些浮點(diǎn)指令可以成對(duì)地并行執(zhí)行。7.4.2

匯編語(yǔ)言工具TMS320的匯編語(yǔ)言工具是一個(gè)軟件包，其中包括：匯編器，連接器，歸檔器，交叉引用列表器和十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換公用程序。1、匯編器(Assembler)TMS320的匯編器將匯編語(yǔ)言的源程序文件匯

編成為機(jī)器語(yǔ)言的目標(biāo)程序文件，其格式為COFF，即通常指的“.obj”文件。匯編器的輸入文件為匯編語(yǔ)言源文件，其缺省

的文件擴(kuò)展名是“.asm”。由匯編器所建立的目標(biāo)

文件，其缺省的文件擴(kuò)展名是“.obj”。用匯編器

可以建立列表文件，其缺省的文件擴(kuò)展名是“.lst”331/11/20202、連接器(Linker)連接器的基本任務(wù)是將目標(biāo)文件連接在一起，產(chǎn)生可執(zhí)行模塊。連接器可以接受的輸入文件包括匯編器產(chǎn)生的COFF目標(biāo)文件、命令文件、庫(kù)文件以及已部分連接好了的文件。它所產(chǎn)生的可執(zhí)行COFF目標(biāo)模塊可以裝入各種開發(fā)工具或由TMS320器件來(lái)執(zhí)行。根據(jù)用戶的要求，連接器還可以建立一個(gè)連接映射列表，用來(lái)描述存儲(chǔ)器的分配、輸入和輸出程序段的位置，以及外部符號(hào)重新定位后的地址。341/11/20203、歸檔器(Archiver)歸檔器允許用戶將一組文件歸入檔案文件中。4、交叉引用列表器(Cross—ReferenceLister)交叉引用列表器是一個(gè)查錯(cuò)的工具，它接受已經(jīng)連接好的目標(biāo)文件作為輸入，產(chǎn)生一個(gè)交叉引用列表作為輸出。5、十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換公用程序(HexConversionUtility)這個(gè)十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換公用程序就是用來(lái)將COFF目標(biāo)文件轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的十六進(jìn)制格式。351/11/20207.4.3

系統(tǒng)集成與調(diào)試工具361/11/2020TI公司為TMS320系統(tǒng)的集成與調(diào)試所提供的工具主要包括：C/匯編源碼調(diào)試器(C/Assembly

SourceDebugger)；軟仿真器(Simulation)；入門套件(DSK，DSP

Starter

Kit)；標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估模塊(EVM)；仿真器XDS(Exlended

Development

System)。全屏幕編輯；連續(xù)更新；綜合數(shù)據(jù)顯示；功能強(qiáng)大的命令集；

(2)調(diào)試器的調(diào)試模式自動(dòng)模式：在自動(dòng)模式中，調(diào)試器自動(dòng)顯示當(dāng)前正在運(yùn)行的代碼，或者是匯編語(yǔ)言，或者是C語(yǔ)言。這也是缺省的調(diào)試模式。匯編模式；混合模式；381/11/2020(3)調(diào)試器窗口命令顯示窗：命令窗口提供一個(gè)可以鍵入各種命令的區(qū)域，并顯示各種信息，如進(jìn)程信息、錯(cuò)誤信息或命令輸出。代碼顯示窗：顯示匯編語(yǔ)言代碼或C語(yǔ)言代碼。數(shù)據(jù)顯示窗：觀察和修改各種類型的數(shù)據(jù)。

(4)調(diào)試器使用方法簡(jiǎn)介調(diào)試器配置：包括內(nèi)存配置和顯示配置，其中內(nèi)存配置尤為重要。裝入程序：裝入的是編譯匯編鏈接后生成文件。391/11/2020運(yùn)行程序：方法主要有：RUN、RUNB、GO、單步運(yùn)行等。觀察運(yùn)行結(jié)果；

編輯和更改數(shù)據(jù)。2、軟仿真器(Simulation)軟仿真器是一種模擬DSP芯片各種功能并在非實(shí)時(shí)條件下進(jìn)行軟件調(diào)試的調(diào)試工具，它不需要目標(biāo)硬件支持，只需在計(jì)算機(jī)(如PC)上運(yùn)行，是一種廉價(jià)方便的調(diào)試工具。401/11/20203、入門套件(DSK，DSP

Starter

Kit)入門套件是TI公司提供給初學(xué)者進(jìn)行DSP編程練習(xí)的一套基本的實(shí)時(shí)軟件調(diào)試工具。DSK板上除了有一片DSP芯片之外，還提供了可用于聲音輸入和輸出接口的模數(shù)模接口芯片，即A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片；DSK可以與PC機(jī)進(jìn)行通信，在PC上匯編后的程序可以通過(guò)串行或并行接口下載到DSP芯片的內(nèi)部RAM執(zhí)行。4、評(píng)價(jià)模塊(EVM)411/11/20205、仿真器(XDS)仿真器，即擴(kuò)展開發(fā)系統(tǒng)，可用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的集成調(diào)試，是進(jìn)行DSP芯片軟硬件開發(fā)的最佳工具。目前采用邊界掃描仿真接口(JTAG)進(jìn)行仿真。掃描仿真器不采用插入仿真的方法，而是利用

DSP芯片上提供的幾個(gè)仿真引腳，通過(guò)串口訪問(wèn)的移位寄存器，依次構(gòu)成掃描通道。該掃描通道提供對(duì)內(nèi)部的器件寄存器和狀態(tài)機(jī)的訪問(wèn)，允許完全的可觀察和控制。421/11/2020XDS510/XDS510WS就屬于掃描仿真器，可以對(duì)TMS320C2XX、TMS320C3X、TMS320C4X、TMS320C5X、TMS320C54X、TMS320C8X和TMS320C6X等片種實(shí)施全速掃描式仿真。431/11/2020TI提供的一套XDS510仿真器包括：XDS510仿真器的PC板(占用PC一個(gè)插槽)；

IEEE1149.1(JTAG)或MPSD目標(biāo)電纜(除TMS320