DSP原理與應(yīng)用技術(shù)王忠勇第一章-緒論

DSP原理與應(yīng)用1第一章緒論一、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的意義、內(nèi)容二、DSP芯片及其特點(diǎn)三、DSP芯片的類別和使用選擇四、DSP的應(yīng)用和開發(fā)前景五、TMS320F2812主要特點(diǎn)六、TMS320F2812外部引腳和信號(hào)說明第1章緒論2▲

數(shù)字信號(hào)處理

——DigitalSignalProcessing:DSP

數(shù)字信號(hào)處理芯片——DigitalSignalProcessor

:DSPs▲

數(shù)字信號(hào)處理特點(diǎn)

——大量的實(shí)時(shí)計(jì)算（FIRIIRFFT），數(shù)據(jù)具有高度重復(fù)（乘積和操作在濾波、卷積和FFT中等常見）有限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器Filter無限長(zhǎng)單位脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器FilterFIR是有限沖激響應(yīng)(FiniteImpulseResponse)的簡(jiǎn)稱IIR是無限沖激響應(yīng)infiniteimpulseresponse的簡(jiǎn)稱離散傅立葉變換（DFT）快速傅立葉變換（FFT）

何為DSP？第1章緒論3數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)意義在21世紀(jì)，數(shù)字信號(hào)處理是影響科學(xué)和工程最強(qiáng)大的技術(shù)之一

它是科研人員和工程師必須掌握的一門技巧

信號(hào)處理：作用：信號(hào)改善；信號(hào)檢測(cè)、估計(jì)等等方法：信號(hào)波形分析/變換；濾波；現(xiàn)代譜估計(jì)/分析；自適應(yīng)濾波等等第1章緒論4信息系統(tǒng)：采集傳輸處理數(shù)字信號(hào)處理技術(shù) 是指數(shù)字信號(hào)處理理論的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)技術(shù)，它以數(shù)字信號(hào)處理理論、硬件技術(shù)、軟件技術(shù)為基礎(chǔ)和組成，研究數(shù)字信號(hào)處理算法及其實(shí)現(xiàn)方法。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)第1章緒論5數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)第1章緒論6數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)數(shù)字信號(hào)處理算法以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)和工具，研究數(shù)字信號(hào)處理的數(shù)值計(jì)算實(shí)現(xiàn)方法，包括算法結(jié)構(gòu)、數(shù)值特性。數(shù)字信號(hào)處理硬件技術(shù)以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)，研究完成數(shù)字信號(hào)處理算法的專用、通處理器結(jié)構(gòu)、提高處理器速度的技術(shù)方法、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法等。

第1章緒論7數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)第1章緒論8典型的數(shù)字信號(hào)處理算法--乘法累加第1章緒論卷積(Convolution)離散余弦變換（DCT-DiscreteCosineTransform）壓縮算法9通信72％計(jì)算機(jī)12％軍品4％工業(yè)3％儀器2％消費(fèi)類2％辦公自動(dòng)化2％數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用第1章緒論10數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)時(shí)信號(hào)處理： 系統(tǒng)必須在有限的時(shí)間內(nèi)對(duì)外部輸入信號(hào)完成指定的處理，即信號(hào)處理的速度必須大于等于輸入信號(hào)更新的速度；而且從信號(hào)輸入到處理后的信號(hào)輸出的延遲必須足夠小。例如：通信信號(hào)調(diào)制/解調(diào)，可視電話（圖像壓縮），VCD解壓卡，工業(yè)控制，雷達(dá)，導(dǎo)彈制導(dǎo)等第1章緒論11數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)處理器速度的提高得益于：

①器件水平

②處理器結(jié)構(gòu)

③并行技術(shù)第1章緒論12數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)微電子技術(shù)的發(fā)展IC芯片的發(fā)展基本上遵循了Intel公司創(chuàng)始人之一的GordonE.Moore1965年預(yù)言的摩爾定律。該定律說：芯片上可容納的晶體管數(shù)目每18個(gè)月便可增加一倍，即芯片集成度18個(gè)月翻一番微電子技術(shù)是數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用的基礎(chǔ)，其技術(shù)的發(fā)展為數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)水平的提高和應(yīng)用的深入提供了不竭的動(dòng)力。第1章緒論13數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)第1章緒論14數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)系統(tǒng)集成芯片（SystemOnChip，SOC）技術(shù)微處理器和微控制器核心；數(shù)字信號(hào)處理（DSP）數(shù)字邏輯（包含知識(shí)產(chǎn)權(quán)核心和定制邏輯）；精度模擬電路，數(shù)字I/O，混合電路；相關(guān)的存儲(chǔ)器（如SRAM或Flash塊）；原型動(dòng)力（可編程核心）。納米電子技術(shù)將是微電子技術(shù)的接替者，器件特征尺寸將縮小至100～1nm第1章緒論15數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)處理器的性能除了與微電子技術(shù)這個(gè)最本質(zhì)的因素有關(guān)以外，還與處理器結(jié)構(gòu)有著重要的關(guān)系提高時(shí)鐘頻率似乎是有限的，最好的方法是改進(jìn)處理器結(jié)構(gòu)，即提高并行性

提高每條指令執(zhí)行的操作的數(shù)量提高每個(gè)指令周期中執(zhí)行的指令的數(shù)量第1章緒論16數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)嵌入式計(jì)算系統(tǒng)嵌入式計(jì)算系統(tǒng)是一個(gè)較泛的定義一個(gè)非桌面通用計(jì)算機(jī)的任何計(jì)算系統(tǒng)一個(gè)嵌入了電子元器件的計(jì)算系統(tǒng)一個(gè)利用應(yīng)用對(duì)象的特點(diǎn)而專門設(shè)計(jì)的計(jì)算系統(tǒng)，即用戶化專用計(jì)算系統(tǒng)。嵌入式計(jì)算系統(tǒng)一般對(duì)系統(tǒng)功能、價(jià)格、功耗、體積、速度等有嚴(yán)格的限制，要求對(duì)系統(tǒng)環(huán)境變化作出實(shí)時(shí)的快速反應(yīng)。

第1章緒論17dsk6711板實(shí)物圖第1章緒論18DSP在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用第1章緒論19本課程的主要內(nèi)容數(shù)字信號(hào)（確定、隨機(jī)）處理的基本方法回顧數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的結(jié)構(gòu)DSP各主要功能模塊的功能和工作原理

包括：CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)，時(shí)鐘及系統(tǒng)控制，存儲(chǔ)器與通用IO端口中斷管理和復(fù)位，串行通信接口，事件管理器。DSP軟件編程和開發(fā)包括：指令系統(tǒng)偽指令開發(fā)環(huán)境基于c語(yǔ)言的簡(jiǎn)單開發(fā)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)及高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

第1章緒論20課程的考察形式考試40%實(shí)驗(yàn)30%8次實(shí)驗(yàn)、8份實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)期大作業(yè)20%查找文獻(xiàn)，寫出每人對(duì)DSP技術(shù)的理解、DSP技術(shù)及設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)的分析等平時(shí)10%

主要參考書《TMS320F2812原理與開發(fā)》蘇奎峰等編著電子工業(yè)出版《TMS320C2000系列DSP原理及實(shí)用技術(shù)》何蘇勤等編著TI公司網(wǎng)站（）上下載的各種技術(shù)手冊(cè)第1章緒論21▲

數(shù)字信號(hào)處理

——DigitalSignalProcessing:DSP

數(shù)字信號(hào)處理芯片——DigitalSignalProcessor

:DSPs▲

數(shù)字信號(hào)處理特點(diǎn)

——大量的實(shí)時(shí)計(jì)算（FIRIIRFFT），數(shù)據(jù)具有高度重復(fù)（乘積和操作在濾波、卷積和FFT中等常見）

二、DSP及其特點(diǎn)

功能特點(diǎn)√針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算特點(diǎn)設(shè)計(jì)√與通用處理器相比，在尋址和計(jì)算方面作了擴(kuò)充和增強(qiáng)√在相同頻率和芯片集成度下，比通用微處理器快幾個(gè)

數(shù)量級(jí)

第1章緒論22▲

采用哈佛結(jié)構(gòu)體系：獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)總線，一個(gè)機(jī)器周期可同時(shí)進(jìn)行程序讀出和數(shù)據(jù)存取。對(duì)應(yīng)的：馮·諾依曼結(jié)構(gòu)?！?/p>

采用流水線技術(shù)：▲

硬件乘法器：具有硬件連線的高速“與或”運(yùn)算器▲

多處理單元：DSP內(nèi)部包含多個(gè)處理單元?！?/p>

特殊的DSP指令：指令具有多功能，一條指令完成多個(gè)動(dòng)作；如：倒位序指令等，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)二、DSP及其特點(diǎn)

第1章緒論23▲

按特性分：以工作時(shí)鐘和指令類型為指標(biāo)分類▲

按用途分：通用型、專用型DSP芯片▲

按數(shù)據(jù)格式分：定點(diǎn)、浮點(diǎn)

各廠家還根據(jù)DSP芯片的CPU結(jié)構(gòu)和性能將產(chǎn)品分成若干系列

TI公司的TMS320系列DSP芯片是目前最有影響、最為成功的數(shù)字信號(hào)處理器，其產(chǎn)品銷量一直處于領(lǐng)先地位，公認(rèn)為世界DSP霸主。三、DSP芯片類別和使用選擇

第1章緒論24TexasInstruments（德州儀器）公司Agere,即LucentTechnologies（朗訊技術(shù)）公司AnalogDevies（模擬設(shè)備）公司Motorola（摩托羅拉）公司大約還有80家DSPs產(chǎn)商

DSPs的四大廠商第1章緒論25DSPs的四大廠商第1章緒論26▲

TMS320C1X:10,C10,C14（不常用了）▲

TMS320C2X:20,C25（不常用了）▲

TMS320C5X:C50,C51,C52,C53（不常用了）▲

TMS320C2000系列

√

TMS320C20X:C203,F206

√TMS320C24X:LF2407

√TMS320C28X:F2810,F2812▲

TMS320C5000系列:C5402,C5410,C5509▲

TMS320C6000:C6204,C6416，C6455定點(diǎn)芯片三、DSP芯片類別和使用選擇

第1章緒論27▲

TMS320C3X:C30,C31,C32,VC33▲

TMS320C4X:C40,C44▲

TMS320C67XX:C6701,C6711,C6712

三、DSP芯片類別和使用選擇

浮點(diǎn)芯片多處理芯片▲

TMSC8X:C80,C82

√

C——CMOS√

LC——3.3V,低功耗,CMOS

√

F——片內(nèi)帶Flash√

LF——3.3V,低功耗,片內(nèi)帶Flash√

A——芯片帶加密位第1章緒論28▲

指令周期:執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間

DSP指令周期為ns級(jí)▲

MIPS：兆條指令/秒，一般為20—100MIPs▲

MOPS：兆次操作數(shù)/秒▲

MFLOPS:兆次浮點(diǎn)操作/秒▲

MBPS:兆位/秒

DSP的綜合性能指標(biāo)與芯片的處理器能力、片內(nèi)、片外數(shù)據(jù)傳輸能力有關(guān)。。

只能作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考數(shù)據(jù)。性能指標(biāo)三、DSP芯片類別和使用選擇

第1章緒論29▲

性能:描述DSP性能的最重要的技術(shù)指標(biāo)是運(yùn)算速度▲

片內(nèi)硬件資源：包括片內(nèi)RAM、ROM的數(shù)量、I/O接口、總線驅(qū)動(dòng)能力、外部可擴(kuò)展的程序和數(shù)據(jù)空間等等▲

價(jià)格：量大價(jià)格便宜，廠家主推的產(chǎn)品，價(jià)格便宜。使用選擇三、DSP芯片類別和使用選擇

第1章緒論30四、DSP芯片應(yīng)用和開發(fā)前景

▲

第一代：1980年左右，TexasInstrument(TI)公司：TMS32010哈佛結(jié)構(gòu)：Intel公司：2920，

硬件乘法器：AMI公司S28H；NECupd7720

日立公司：61810▲

第二代：1985年左右，功能、速度、內(nèi)存有突破。TI：TMS320C20;AD：ADSP2100；NEC：upd77230；Motorola：DSP5600▲

第三代：1987年左右，浮點(diǎn)，能用高級(jí)語(yǔ)言。TI:TMS320C30,AD:ADSP21000,Motorola:DSP96002▲

第四代：近幾年的DSP芯片。TI公司：TMS320C2XX/C5X/C54X,TMS320C62XX/C67XX/C8X;

AD公司：ADSP210XX/211XX多處理器并行工作，多處理器系統(tǒng)，特殊指令，有單獨(dú)的DMA總線和控制器發(fā)展第1章緒論31▲

通用數(shù)字信號(hào)處理器：自適應(yīng)濾波，卷積，相關(guān)，數(shù)字濾波，F(xiàn)FT,希爾伯特變換，波形生成，窗函數(shù)等等?！?/p>

語(yǔ)音信號(hào)處理：語(yǔ)音增強(qiáng)、識(shí)別、合成、編碼、信箱等，文字/語(yǔ)音轉(zhuǎn)換▲

圖形/圖像處理：三維動(dòng)畫，圖象鑒別/增強(qiáng)/壓縮/傳輸，機(jī)器人視覺等等圖▲

特殊應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理：振動(dòng)和噪聲分析與處理，聲納和雷達(dá)信號(hào)處理，通信信號(hào)處理,地震信號(hào)分析與處理，汽車安全及全球定位，生物醫(yī)學(xué)工程等等。在醫(yī)療、軍事、汽車等行業(yè)，以及通信市場(chǎng)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等中具有廣闊的市場(chǎng)前景。應(yīng)用

DSP的應(yīng)用幾乎遍及電子學(xué)每一個(gè)領(lǐng)域。四、DSP芯片應(yīng)用和開發(fā)前景

第1章緒論32▲

提高性能：應(yīng)用性能、處理速度、集成度?！?/p>

降低功耗：已從3.3V降到1.2V，電壓低于1V的產(chǎn)品也在研發(fā)?！?/p>

加強(qiáng)融合：DSP與MCU（微控制器）融合是大勢(shì)所趨?！?/p>

下降價(jià)格：近大批量應(yīng)用導(dǎo)致價(jià)格下降?！?/p>

拓寬應(yīng)用：Internet\Audio\Video\3G\B3G等領(lǐng)域?qū)⒋罅繎?yīng)用。前景四、DSP芯片應(yīng)用和開發(fā)前景

第1章緒論33第1章緒論34Differentfamiliesandsub-familiesexisttosupportdifferentmarkets.LowestCostControlSystemsMotorControlStorageDigitalCtrlSystemsC2000C5000

EfficiencyBestMIPSperWatt/Dollar/SizeWirelessphonesInternetaudioplayersDigitalstillcamerasModemsTelephonyVoIPC6000MultiChannelandMultiFunctionApp'sCommInfrastructureWirelessBase-stationsDSLImagingMulti-mediaServersVideoPerformance&BestEase-of-Use第1章緒論35C2000TMDigitalSignalControllersCombine

ThePowerofDSPandtheSimplicityofMCU

MathCodeEfficiencyHighLow

Control

CodeEfficiencyHighLow

C2000

DigitalSignalControllerSimplesystemcontrolIntegrationforsystemefficiencyandlowcostHighDSPperformanceDSPAlgorithmicprocessing

powerDedicatedhardwareformathintensivefunctionsControlsavvycoreFlashmemoryFlexible,robustperipheralsAnalogintegration

MCUNaturalMigrationAnMCUwiththepowerfulprocessingcoreofaDSPMCUDSP第1章緒論36C2000ControlApplicationsIndustrialDrivesServoControlHomeappliancesElectricPowerSteeringDigitalMotorControl3-phasemeteringwithPLCTorque,pressure,liquidflow,orgassensorsAutomotiveRadarSubwoofersAdvancedSensingDigitalPowerSuppliesCommercial,Industrial,&ConsumerUPSMulti-channelDC/DCconvertersSolar&WindinvertersHybridVehiclesFast,highresolutionsignalprocessingPeripheralsuiteoptimizedforcontrolapplications第1章緒論37C2000RoadmapDeviceFutureProductionDevelopmentSamplingF282xx150MIPSDMAF283xx300MFLOPSDMADelfino600MFLOPS16-bitADCC28xxxPerformanceF281x150MIPSF280xx60-100MIPSPiccolo60MIPSVREG,COMPPiccolo40MIPSVREG,COMPC28xxxIntegration第1章緒論38五、TMS320F2812主要特點(diǎn)

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高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)：150MHz時(shí)鐘、低功耗設(shè)計(jì)、編程電壓3.3V。▲

JTAG邊界掃描（BoundaryScan）支持▲高性能的32位中央處理器：哈佛總線結(jié)構(gòu)、雙16位乘加單元、迅速的中斷