本科DSP原理与应用第1章绪论课件.ppt

1、12l什么是DSPl为什么使用DSPlDSP芯片的特点lDSP应用领域lDSP的种类lDSP芯片的技术发展lDSP系统开发步骤3什么是什么是DSPDSP？DSP包括两层概念包括两层概念:lDigital Signals Processing 数字信号处理（方法、技术）强调的是对以数字形式表现的信号进行处理和强调的是对以数字形式表现的信号进行处理和研究的方法。是一门涉及许多学科且广泛应用于研究的方法。是一门涉及许多学科且广泛应用于许多领域的学科。许多领域的学科。基础理论：网络理论、信号与系统、现代控制理论（包括人工智能、模式识别、神经网络、模糊控制）、现代通信理论、故障理论和现代测量等。数学工具

2、：微积分、复变函数、概率统计、随机过程、数值分析、高等代数、线性代数、泛函数等。4lDigital Signals Processor 数字信号处理器 强调的是通过专用集成电路芯片，利用数字信强调的是通过专用集成电路芯片，利用数字信号处理理论，在芯片上运行目标程序，实现对信号号处理理论，在芯片上运行目标程序，实现对信号的某种处理的某种处理。本本课程属于这一层概念，所涉及内容为如何利用课程属于这一层概念，所涉及内容为如何利用DSPDSP芯片进行数字信号的处理。研究的内容为芯片进行数字信号的处理。研究的内容为DSPDSP芯片芯片的结构和特点，如何通过软硬件的设计来实现对数字的结构和特点，如何通过软

3、硬件的设计来实现对数字信号的处理。信号的处理。5 考虑信号处理中最通常的功能：滤波。简单地说，滤波就是对信号进行处理，以改善其特性。例如，滤波可以从信号里清除噪声或静电干扰，从而改善其信噪比.按信号处理采用的方式：数字方式(微处理器)模拟方式(模拟器件)6模拟系统模拟系统模拟信号模拟信号实时处理实时处理模拟器件抗混叠滤波器A/DD/ADSP芯片平滑滤波器输输入入输输出出典型的典型的DSPDSP系统系统典型的模拟系统典型的模拟系统7数字数字系统的特点系统的特点 精度高精度高难难1717位字长位字长模拟网络元件模拟网络元件（R R、L L、C C等）等）模拟网络系统模拟网络系统数字系统数字系统DS

4、PDSP、D/AD/A精度精度1010-3-3精度精度1010-3-38 可靠性和可重复性可靠性和可重复性放大器放大器A放大器放大器B计算机计算机A计算机计算机B只要误差不超过只要误差不超过0、1判决电平判决电平A、B结果结果可能不同可能不同A、B结果结果果相同果相同9 集成度高集成度高 表面贴装表面贴装ASICASIC芯片芯片DSPDSP系统系统DSPDSPCPLDCPLDFPGAFPGA开发开发压缩体积压缩体积降低成本降低成本10灵活性好灵活性好 11接口方便接口方便 以现代数字技术为基础的系统或设备都是以现代数字技术为基础的系统或设备都是兼容的，系统接口方便。兼容的，系统接口方便。121

5、.1.在通用的微型计算机（在通用的微型计算机（PCPC机）上用软件机）上用软件（如（如C C、FortranFortran、MatlabMatlab）实现。实现。特点：适用于算法仿真特点：适用于算法仿真 缺点：速度慢缺点：速度慢 2.2.用单片机（如用单片机（如MCS-51MCS-51、9696系列等）实现系列等）实现 缺点是：缺点是：只用于简单数字信号处理只用于简单数字信号处理3.3.用通用的可编程用通用的可编程DSPDSP芯片实现。芯片实现。与单片机相比与单片机相比,DSPDSP芯片具有更适合于数字芯片具有更适合于数字 信号处理的软件和硬件资源，信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂可用于复

6、杂 数字信号处理算法数字信号处理算法采用数字信号处理的实现方法采用数字信号处理的实现方法134.4.用于极高速信号处理的专用用于极高速信号处理的专用DSPDSP芯片芯片 特点特点:要求信号处理的速度极高的场合。要求信号处理的速度极高的场合。5.5.在通用的计算机系统中加上加速卡实现在通用的计算机系统中加上加速卡实现 需需核心含核心含DSPDSP的用户加速卡。的用户加速卡。6 6.用用FPGAFPGA等产品实现数字信号处理算法。等产品实现数字信号处理算法。专用性太强，成本偏高。专用性太强，成本偏高。14lDSP与其他的微处理器的比较l数字信号处理的特点lDSP特点15通用处理器（通用处理器（GP

7、PGPP）l采用冯.诺依曼结构，程序和数据的存储空间合二而一 8086/286/386/486/Pentium/Pentium II/Pentium III Pentium PowerPc 64-bit CPU（SUN Sparc，DEC Alpha,HP）lCISC 复杂指令计算机,RISC 精简指令计算机 l采取各种方法提高计算速度，提高时钟频率，高速总线，多级Cache，协处理器等 16Single Chip Computer/Micro Controller Unit（MCU）l除通用CPU所具有的ALU和CU，还有存储器（RAM/ROM）寄存器，时钟，计数器，定时器，串/并口，有的还

8、有A/D，D/A vINTEL MCS/48/51/96（98）vMOTOROLA HCS05/011 DSPl采用哈佛结构，程序和数据分开存储 l采用一系列措施保证数字信号的处理速度。17l累乘加运算 数字信号处理算法大致归纳：滤波:FIR滤波，IIR滤波信号变换（如从时域到频域)卷积(信号混合)相关(信号的比较)l高速实时 为此设计的器件必须提供专门的支持，促成了了DSP器件与通用处理器（GPP）的分流.kiikBiA0)()(18专用的硬件乘法器：对密集的乘法运算的对密集的乘法运算的支持支持 GPP不是设计来做密集乘法任务的，即使是一些现代的GPP，也要求多个指令周期来做一次乘法。如一次

9、16位乘法需80个时钟周期。而DSP处理器使用专门的硬件来实现单周期乘法。19 传统上，GPP使用冯.诺依曼存储器结构。这种结构中，只有一个存储器空间通过一组总线（一个地址总线和一个数据总线）连接到处理器核。通常，做一次乘法会发生4次存储器访问，用掉至少四个指令周期。l 大多数DSP采用了哈佛结构，将存储器空间划分成两个，分别存储程序和数据。它们有两组总线连接到处理器核，允许同时对它们进行访问。这种安排将处理器存贮器的带宽加倍，更重要的是同时为处理器核提供数据与指令。20CPU数据存储器程序存储器程序总线数据总线CPU程序存储器数据存储器程序总线数据总线21程序存储器数据存储器CPU程序总线数

10、据总线2223 在DSP算法中的一个共同的特点，即大多数的处理时间是花在执行较小的循环上，也就容易理解，为什么大多数的DSP都有专门的硬件，用于零开销循环。所谓零开销循环是指处理器在执行循环时，不用花时间去检查循环计数器的值、条件转移到循环的顶部、将循环计数器减1。与此相反，GPP的循环使用软件来实现。某些高性能的GPP使用转移预报硬件，几乎达到与硬件支持的零开销循环同样的效果。24 DSP处理器往往都支持专门的寻址模式，它们对通常的信号处理操作和算法是很有用的。例如，模块（循环）寻址（对实现数字滤波器延时线很有用）、位倒序寻址（对FFT很有用）。这些非常专门的寻址模式在GPP中是不常使用的，

11、只有用软件来实现。25 DSP指令集是按两个目标来设计的：使处理器能够在每个指令周期内完成多个操作，从而提高每个指令周期的计算效率。将存贮DSP程序的存储器空间减到最小（由于存储器对整个系统的成本影响甚大，该问题在对成本敏感的DSP应用中尤为重要）。为了实现这些目标，DSP处理器的指令集通常都允许程序员在一个指令内说明若干个并行的操作。26四级流水线操作 27特殊的DSP指令 TMS320C54x指令 FIRS LMS指令周期短运算精度高硬件配置强28 数字峰窝通讯、个人通讯系统、个人数据处理、数字无绳电话通讯、无线数据通讯、网络、计算机电话、语音打包传输、便携Internet音响、Mode、

12、2G/3G手机、数字照相机、IP电话等等293031l 323334353637383940411按基础特性分 根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的v 静态DSP芯片 TMS320C2xx系列v 一致性DSP 芯片2按用途分v 通用DSP芯片v 专用DSP芯片423按数据格式分v 定点DSP芯片v 浮点DSP芯片1514.0符号位m位整数部分n位小数部分.Q m.n表示法431514.0符号位1514.0符号位.Q 15.0Q 0.15范围范围 -2-21515 2 215 15-1 精度精度1范围范围 (1-(1-1)精度精度 2-2-151544DSPDSP芯片技术的发展芯片技术的发

13、展19781978年，年，AMIAMI公司公司生产的生产的S2811S2811；19791979年美国年美国IntelIntel公司公司的商用可编程器件的商用可编程器件29202920；这两种是这两种是DSPDSP芯片的一个主要里程碑。芯片的一个主要里程碑。特点：没有现代特点：没有现代DSPDSP芯片所必须有的单周期乘芯片所必须有的单周期乘法器。法器。19801980年，日本年，日本NECNEC公司公司推出推出PD7720PD7720。特点：是第一片具有乘法器的商用特点：是第一片具有乘法器的商用DSPDSP芯片。芯片。4519821982年，美国年，美国德州仪器公司德州仪器公司（Texas T

14、exas InstrumentsInstrumentsTITI）推出第一代推出第一代DSP DSP TMS320010TMS320010及其系列产品，目前已发展到第及其系列产品，目前已发展到第六代。六代。TITI公司的系列公司的系列DSPDSP产品已经成为了当今世产品已经成为了当今世界最有影响的界最有影响的DSPDSP芯片，其芯片，其DSPDSP市场占有量市场占有量占全世界份额的近占全世界份额的近50%50%，成为世界上最大的，成为世界上最大的DSPDSP芯片供应商。芯片供应商。4619821982年，年，日本东芝公司日本东芝公司推出浮点推出浮点DSPDSP芯片。芯片。19841984年，年，

15、AT&TAT&T公司公司推出推出DSP32DSP32，是较早的是较早的具备较高性能的浮点具备较高性能的浮点DSPDSP芯片。芯片。19861986年，年，MotorolaMotorola公司公司推出了定点推出了定点DSP DSP MC56001MC56001。19901990年，推出了与年，推出了与IEEEIEEE浮点格式浮点格式兼容的浮点兼容的浮点DSPDSP芯片芯片MC96002MC96002。美国美国模拟器件公司模拟器件公司（Analog DevicesAnalog DevicesADAD）相继推出了定点相继推出了定点DSPDSP芯片芯片ADSP21xxADSP21xx系列，浮系列，浮点

16、点DSPDSP芯片芯片ADSP210 xxADSP210 xx系列。系列。471 1TITI公司的公司的DSPDSP芯片芯片 TITI公司常用的公司常用的DSPDSP芯片可以归纳为三大系列：芯片可以归纳为三大系列：（1 1）TMS320C2000TMS320C2000系列系列，称为，称为DSPDSP控制器，集成了控制器，集成了flashflash存储器、高速存储器、高速A/DA/D转换器以及可靠的转换器以及可靠的CANCAN模块及数模块及数字马达控制的外围模块，适用于三相电动机、变频器字马达控制的外围模块，适用于三相电动机、变频器等高速实时工控产品等需要数字化的控制领域。等高速实时工控产品等需

17、要数字化的控制领域。（2 2）TMS320C5000TMS320C5000系列系列，这是，这是1616位定点位定点DSPDSP。主要主要用于通信领域，如用于通信领域，如IPIP电话机和电话机和IPIP电话网关、数字式助电话网关、数字式助听器、便携式声音听器、便携式声音/数据数据/视频产品、调制解调器、手视频产品、调制解调器、手机和移动电话基站、语音服务器、数字无线电、小型机和移动电话基站、语音服务器、数字无线电、小型办公室和家庭办公室的语音和数据系统。办公室和家庭办公室的语音和数据系统。主要的主要的DSPDSP芯片种类芯片种类48（3 3）TMS320C6000TMS320C6000系列系列D

18、SPDSP 采用新的超采用新的超长指令字结构设计芯片。其中长指令字结构设计芯片。其中20002000年以后推年以后推出的出的C64xC64x，在时钟频率为在时钟频率为1.11.1GHzGHz时，可达到时，可达到88008800MIPSMIPS以上，即每秒执行以上，即每秒执行9090亿条指令。其亿条指令。其主要应用领域为：主要应用领域为：1 1）数字通信）数字通信 完成完成FFTFFT、信道和噪声估信道和噪声估计、信道纠错、干扰估计和检测等。计、信道纠错、干扰估计和检测等。2 2）图像处理）图像处理 完成图像压缩、图像传输、完成图像压缩、图像传输、模式及光学特性识别、加密模式及光学特性识别、加密

19、/解密、图像增解密、图像增强等。强等。491 1DSPDSP芯片的运算速度芯片的运算速度 MACMAC时间：时间：一次乘法和一次加法的时间。大部分一次乘法和一次加法的时间。大部分DSPDSP芯片可在一个指令周期内完成一次乘法和一次加芯片可在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法操作。法操作。FFTFFT执行时间执行时间：运行一个运行一个N N点点FFTFFT程序所需时间。由程序所需时间。由于于FFTFFT运算在数字信号处理中很有代表性，因此运算在数字信号处理中很有代表性，因此FFTFFT运运算时间常作为衡量算时间常作为衡量DSPDSP芯片运算能力的一个指标。芯片运算能力的一个指标。MIPSMIP

20、S：每秒执行百万条指令。每秒执行百万条指令。MOPSMOPS：每秒执行百万次操作。每秒执行百万次操作。MFLOPSMFLOPS：每秒执行百万次浮点操作。每秒执行百万次浮点操作。BOPSBOPS：每秒执行十亿次操作。每秒执行十亿次操作。选择芯片考虑的因素选择芯片考虑的因素502 2DSPDSP芯片的价格芯片的价格 如果采用价格昂贵的如果采用价格昂贵的DSPDSP芯片，即使性能再芯片，即使性能再好，其应用范围也受到一定限制，尤其是民好，其应用范围也受到一定限制，尤其是民用产品。用产品。3 3DSPDSP芯片的硬件资源芯片的硬件资源 不同不同DSPDSP芯片所提供的硬件资源不同，如片芯片所提供的硬件

21、资源不同，如片内内RAMRAM、ROMROM的数量，外部可扩展的程序和数的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口、据空间，总线接口、I/OI/O接口等。接口等。4 4DSPDSP芯片的运算精度芯片的运算精度 一般的定点一般的定点DSPDSP芯片字长为芯片字长为1616位，少数位，少数2424位。浮点芯片的字长一般为位。浮点芯片的字长一般为3232位，累加器为位，累加器为4040位。位。515 5DSPDSP芯片的开发工具芯片的开发工具 在在DSPDSP系统的开发过程中，如果没有开发系统的开发过程中，如果没有开发工具的支持，要想开发一个复杂的工具的支持，要想开发一个复杂的DSPDSP系统几系

22、统几乎是不可能的。功能强大的开发工具，可使乎是不可能的。功能强大的开发工具，可使开发时间大大缩短。开发时间大大缩短。6 6DSPDSP芯片的功耗芯片的功耗 便携式的便携式的DSPDSP设备、手持设备、野外应用设备、手持设备、野外应用的的DSPDSP设备等对功耗有特殊的要求。设备等对功耗有特殊的要求。7 7其他因素其他因素 除了上述因素外，还要考虑到封装形式、除了上述因素外，还要考虑到封装形式、质量标准、供货情况、生命周期等。质量标准、供货情况、生命周期等。52一般地讲：一般地讲：定点定点DSPDSP芯片的价格较便宜，功耗较低，但芯片的价格较便宜，功耗较低，但运算精度稍低。运算精度稍低。浮点浮点

23、DSPDSP芯片的优点是运算精度高，用芯片的优点是运算精度高，用C C语语言编程调试方便，但价格稍高，功耗较大。言编程调试方便，但价格稍高，功耗较大。DSPDSP应用系统的运算量是确定选用应用系统的运算量是确定选用DSPDSP芯片芯片处理能力的基础。运算量小，则可选用处理能处理能力的基础。运算量小，则可选用处理能力不是很强的力不是很强的DSPDSP芯片，降低系统成本。芯片，降低系统成本。如果单片如果单片DSPDSP芯片达不到要求，则需选用多芯片达不到要求，则需选用多个个DSPDSP芯片并行处理。芯片并行处理。53 DSP DSP系统的设计思路系统的设计思路抗混叠滤波器A/DD/ADSP芯片平滑滤波器输输入入输输出出典型的典型的DSPDSP系统系统54DSP总体设计框图 根据需求写出任务说明书 根据任务书确定技术指标 DSP芯片及外围芯片 总体设计确定软硬件分工 软件设计说明书 硬件设计说明书 软件编程与调试 硬件（.sch/.pcb）系统集成 硬件调试 系统测试、样机完成、中试、产品测试与生产