dsp原理及应用概论课件

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1、DSPDSP原理及应用原理及应用任志平任志平电子信息科学与技术教研室电子信息科学与技术教研室Principle&Application of DSP1dsp原理及应用概论本课程的要求本课程的要求 考勤：考勤：严禁旷课、迟到，随机点名，无故旷课达严禁旷课、迟到，随机点名，无故旷课达30%，取消期末考资格；迟到、早退三次算一次旷课。取消期末考资格；迟到、早退三次算一次旷课。有事提前请假，点名后补假条无效；有事提前请假，点名后补假条无效；作业：作业：每人准备一个笔记本，作业本每人准备一个笔记本，作业本，不能用单页纸，不能用单页纸，学期末作业本就是一本复习提纲。学期末作业本就是一本复习提纲。按时完成作

2、业按时完成作业，严禁抄袭，发现者不论是抄袭者还是，严禁抄袭，发现者不论是抄袭者还是被抄者，全部按未交作业处理。被抄者，全部按未交作业处理。未按时交作业者未按时交作业者：晚：晚4个小时，成绩扣除个小时，成绩扣除5%，晚，晚12个个小时，扣除小时，扣除30%，晚，晚24小时，成绩扣除小时，成绩扣除60%，晚，晚48小小时，成绩为时，成绩为0。总成绩总成绩=考试成绩考试成绩*0.7+作业实验作业实验*0.2+考勤考勤*0.12dsp原理及应用概论有关本课程学习的几点建议有关本课程学习的几点建议 本课程的前期基础课程本课程的前期基础课程数字电路、微机原理、单片机原理及应用、数字信数字电路、微机原理、单

3、片机原理及应用、数字信号处理号处理本课程是一门实践性、应用性很强的学科，本课程是一门实践性、应用性很强的学科，对对于课程的理解主要在于课下的功课。于课程的理解主要在于课下的功课。硬件硬件/软件同样重要、不可偏废软件同样重要、不可偏废 硬件是系统的基础硬件是系统的基础,软件是系统的灵魂软件是系统的灵魂3dsp原理及应用概论课堂授课时间分配课堂授课时间分配:(40学时学时)CH1 概述概述 4CH2 TMS320VC33结构结构 6CH3 存储器和高速缓冲器存储器和高速缓冲器 2CH4 外围外围 6CH5 数据格式和浮点运算数据格式和浮点运算 2CH6 寻址方式寻址方式 6CH7 汇编语言指令汇编

4、语言指令 4CH8 流水线操作流水线操作 2CH9 公共目标文件公共目标文件 2CH10 十六进制转换与引导十六进制转换与引导 2CH11 硬件应用硬件应用 2复习答疑复习答疑 24dsp原理及应用概论第一章第一章 DSP技术概述技术概述基本内容和要求：基本内容和要求：1了解数字信号处理技术和数字信号处理器的概念了解数字信号处理技术和数字信号处理器的概念2理解可编程理解可编程DSP芯片的基本结构；芯片的基本结构；3了解了解DSP芯片与其他微处理器的优缺点；芯片与其他微处理器的优缺点；4理解理解DSP系统的基本组成及设计步骤；系统的基本组成及设计步骤；5掌握掌握DSP系统中的系统中的DSP芯片的

5、选择原则；芯片的选择原则；6掌握描述掌握描述DSP运算速度的指标；运算速度的指标；7.了解了解DSP技术新的发展动态、芯片型号及应用领域。技术新的发展动态、芯片型号及应用领域。5dsp原理及应用概论第一章第一章 DSP DSP技术概述技术概述1.3 DSP1.3 DSP开发开发1.1 DSP1.1 DSP系统概述系统概述1.2 DSP1.2 DSP芯片芯片6dsp原理及应用概论1.1 DSP1.1 DSP系统概述系统概述DSPDSP系统系统模拟系统模拟系统数字信号数字信号模拟信号模拟信号运算过程运算过程强调控制强调控制实时处理实时处理FPGA/CPLDDSP芯片模拟器件7dsp原理及应用概论

6、DSP的基本概念 信号：一个或多个自变量的函数。信号：一个或多个自变量的函数。自变量：时间、距离、温度、压力自变量：时间、距离、温度、压力 对应信号维数对应信号维数信号的分类：模拟信号信号的分类：模拟信号 时域离散信号时域离散信号 数字信号数字信号8dsp原理及应用概论DSP（Digital Signal Processing）也就是我们常说的数字信号处理，它是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集，变换，滤波，估值，增强，压缩，识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。DSP的含义数字信号处理(Digital Signal Processing)数字信号处理的理论和算法数字信号处

7、理器(Digital Signal Processor)实现数字信号处理算法的微处理器芯片9dsp原理及应用概论DSP的基本概念 l一个典型的数字信号处理系统 微处理器是数字微处理器是数字信号处理系统的核信号处理系统的核心部件，心部件，通常采用通常采用DSP芯片芯片，也可采，也可采用其它处理器芯片用其它处理器芯片 A/D与与D/A转换器建立转换器建立起了数字世界与现实模拟起了数字世界与现实模拟世界之间的桥梁。世界之间的桥梁。10dsp原理及应用概论l一个典型的数字信号处理算法FIR滤波器 乘与累加（乘与累加（MACMAC）是数字信号处理是数字信号处理中的典型计算中的典型计算11dsp原理及应用

8、概论l数字信号处理系统中 微处理器的选择u通用微型计算机（PC机）u普通单片机（如MCS-51、96系列等）u专用集成电路（ASIC）uDSP处理器 优点：编程容易，便于实现优点：编程容易，便于实现缺点：速度慢、成本高、体缺点：速度慢、成本高、体积大，难以进行实时信号处积大，难以进行实时信号处理和嵌入式应用理和嵌入式应用优点：成本低廉优点：成本低廉缺点：性能差、缺点：性能差、速度慢速度慢优点：速度高、大规模生产成本优点：速度高、大规模生产成本低；低；缺点：开发成本高、通用性差。缺点：开发成本高、通用性差。针对数字信号处理的要求而设计，是数字信号针对数字信号处理的要求而设计，是数字信号处理系统设

9、计中采用的主流芯片。处理系统设计中采用的主流芯片。优点：灵活、高速、便于嵌入式应用优点：灵活、高速、便于嵌入式应用12dsp原理及应用概论DSPDSP系统的特点系统的特点 1.1.精度高，速度快精度高，速度快模拟网络元件模拟网络元件（R R、L L、C C等）等）精度精度1010-3-3模拟网络系统模拟网络系统难难数字系统数字系统1616位字长位字长DSPDSP、D/AD/A精度精度1010-5-513dsp原理及应用概论2.2.可靠性强可靠性强,稳定性好稳定性好信号信号放大器放大器A信号信号放大器放大器B计算机计算机A计算机计算机BA、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只要

10、误差不超过只要误差不超过0、1判决电平判决电平14dsp原理及应用概论3.3.集成度高集成度高 DSPDSP系统系统表面贴装表面贴装ASICASIC芯片芯片DSPDSPCPLDCPLDFPGAFPGA开发开发压缩体积压缩体积降低成本降低成本15dsp原理及应用概论4.4.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兼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。容的，系统接口方便。5.5.灵活性好灵活性好 DSPDSP系统系统DSPDSPCPLDCPLDFPGAFPGA可编程可编程可编程可编程可编程可编程改变软件改变软件不同的功能不同的功能硬件更简单硬件更简单DSPDSP

11、系统开发系统开发周期大大缩短周期大大缩短16dsp原理及应用概论6.6.保密性好保密性好 DSPDSP系统系统DSPDSPCPLDCPLDFPGAFPGA可编可编程程可编可编程程保密保密性好性好隐蔽内部总线地址变化隐蔽内部总线地址变化做成做成ASICASIC保密保密性能性能几乎几乎无懈无懈可击可击17dsp原理及应用概论7.7.时分复用时分复用 信号的采样信号的采样频率与频率与DSPDSP系系统的运算速统的运算速度相比较低度相比较低的场合。的场合。系统系统n n信道信道1 1信道信道2 2信道信道n n实时性要求不实时性要求不高的场合。高的场合。应应用用场场合合DSPDSP系统系统系统系统2

12、2系统系统1 118dsp原理及应用概论2.2 DSP芯片芯片一、DSP芯片的特点二、DSP芯片的发展历程三、DSP芯片的基本结构四、DSP芯片的分类五、DSP芯片的选择六、DSP芯片的应用19dsp原理及应用概论一 DSP芯片的特点(1)(1)采用哈佛结构，程序和数据存储空间分开，可以同时采用哈佛结构，程序和数据存储空间分开，可以同时访问指令和数据；访问指令和数据；(2)(2)具有专用硬件乘法器，可在一个指令周期内完成一次具有专用硬件乘法器，可在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法；乘法和一次加法；(3)(3)支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重支持流水线操作，使取指、译码和执行等

13、操作可以重叠执行叠执行;(4)(4)精度高，精度高，1616位的字长，动态范围位的字长，动态范围96DB96DB，3232位浮点数，位浮点数，动态范围动态范围1536DB;1536DB;(5)(5)指令丰富，适合于指令丰富，适合于FIRFIR，IIRIIR，FFTFFT；(6)(6)片内具有快速片内具有快速 RAM RAM，通常可通过独立的数据总线在两，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；块中同时访问；(7)(7)可以并行执行多个操作；特殊的可以并行执行多个操作；特殊的DSPDSP指令。指令。(8)(8)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。20

14、dsp原理及应用概论二、DSP芯片的发展历程l发展历史u诞生于20世纪70年代末uu第一阶段，第一阶段，DSPDSP的雏形阶段（的雏形阶段（19801980年前后）年前后）1978年，AMI公司生产出第一片DSP芯片S2811 1979年，美国Intel公司推出商用可编程器件DSP芯片Intel2920 21dsp原理及应用概论1980年，日本NEC公司推出PD7720，第一片具有乘法器的商用DSP芯片1982年，TI公司成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17日本Hitachi公司第一个采用CMOS工艺生产浮点

15、DSP芯片1983年，日本Fujitsu公司推出的MB8764，指令周期为120ns，具有双内部总线，使数据吞吐量发生了一个大的飞跃1984年，AT&T公司推出DSP32，是较早的具备较高性能的浮点DSP芯片22dsp原理及应用概论uu第二阶段，第二阶段，DSPDSP的成熟阶段（的成熟阶段（19901990年前后）年前后）硬件结构：更适合数字信号处理的要求，能进行硬件乘法和单指令滤波处理，其单指令周期为ns。如：TI公司的TMS320C20和TMS320C30，CMOS制造工艺，存储容量和运算速度成倍提高，为语音处理、图像处理技术的发展奠定了基础。主要器件有：TI公司的TMS320C20、30

16、、40、50系列，Motorola公司的DSP5600、9600系列，AT&T公司的DSP32等。23dsp原理及应用概论u第三阶段，第三阶段，DSPDSP的完善阶段（的完善阶段（20002000年以后）年以后）信号处理能力更加完善，而且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步降低、成本不断下降 各种通用外设集成到片上，大大地提高了数字信号处理能力 DSP运算速度可达到单指令周期10ns左右，可在Windows 下用C语言编程，使用方便灵活广泛应用：通信、计算机领域，并渗透到日常消费领域24dsp原理及应用概论l DSP芯片的 发展现状u制造工艺u存储器容量 u内部结构 u运算速度

17、 u高度集成化 u运算精度和动态范围 u开发工具 具有较完善的软件和硬件开发工具，如：软件仿真具有较完善的软件和硬件开发工具，如：软件仿真器器SimulatorSimulator、在线仿真器、在线仿真器EmulatorEmulator、C C编译器和集编译器和集成开发环境成开发环境CCSCCS等，给开发应用带来很大方便。等，给开发应用带来很大方便。CCSCCS是是TITI公司针对本公司的公司针对本公司的DSPDSP产品开发的集成开发环境。产品开发的集成开发环境。它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且支持能，而且支持C/C+C/C+和汇编

18、的混合编程。开放式的结和汇编的混合编程。开放式的结构允许外扩用户自身的模块。构允许外扩用户自身的模块。普遍采用普遍采用0.25m0.25m或或0.18m0.18m亚微米的亚微米的CMOSCMOS工工艺。引脚从原来的艺。引脚从原来的4040个增加到个增加到200200个以上，个以上，需要设计的外围电路越来越少，成本、体积需要设计的外围电路越来越少，成本、体积和功耗不断下降。和功耗不断下降。芯片的片内程序和数据存储器可达到几十芯片的片内程序和数据存储器可达到几十K K字，字，而片外程序存储器和数据存储器可达到而片外程序存储器和数据存储器可达到16M4816M48位和位和4G404G40位以上。位以

19、上。芯片内部均采用多总线、多处理单元和多级流芯片内部均采用多总线、多处理单元和多级流水线结构，加上完善的接口功能，使水线结构，加上完善的接口功能，使DSPDSP的系的系统功能、数据处理能力和与外部设备的通信功统功能、数据处理能力和与外部设备的通信功能都有了很大的提高。能都有了很大的提高。指令周期从指令周期从400ns400ns缩短到缩短到10ns10ns以下，其相应的速以下，其相应的速度从度从2.5MIPS2.5MIPS提高到提高到2000MIPS2000MIPS以上。如以上。如TMS320C6201TMS320C6201执行一次执行一次10241024点复数点复数FFTFFT运算的时运算的时

20、间只有间只有66uS66uS。集滤波、集滤波、A/DA/D、D/AD/A、ROMROM、RAMRAM和和DSPDSP内核于一体的内核于一体的模拟混合式模拟混合式DSPDSP芯片已有较大的发展和应用。芯片已有较大的发展和应用。DSPDSP的字长从的字长从8 8位已增加到位已增加到6464位，累加器的长度也增位，累加器的长度也增加到加到4040位，从而提高了运算精度。同时，采用超长位，从而提高了运算精度。同时，采用超长字指令字（字指令字（VLIWVLIW）结构和高性能的浮点运算，扩大）结构和高性能的浮点运算，扩大了数据处理的动态范围。了数据处理的动态范围。25dsp原理及应用概论l DSP技术的发

21、展趋势 uDSP的内核结构将进一步改善uDSP和微控制器的融合 uDSP和高档CPU的融合 uDSP 和FPGA的融合 u实时操作系统RTOS与DSP的结合 uDSP的并行处理结构 u功耗越来越低 26dsp原理及应用概论三 DSP芯片的基本结构(1)(1)哈佛结构；哈佛结构；Von Neumann-Von Neumann-冯冯.诺依曼诺依曼Harvard Harvard 哈佛哈佛Von Neumann:Von Neumann:数据、代码共享内存空间数据、代码共享内存空间数据、代码共享内存总线数据、代码共享内存总线Example:IntelExample:Intels x86 Pentium

22、Processor familys x86 Pentium Processor familyHarvard:Harvard:数据、代码独立存储空间数据、代码独立存储空间数据、代码独立存储总线数据、代码独立存储总线Improve Improve Harvard:Harvard:允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用增强了芯片的灵活性增强了芯片的灵活性指令存储在高速缓冲器中，当执行此指令时，不需要再从存指令存储在高速缓冲器中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间

23、27dsp原理及应用概论(2)(2)流水线流水线 TMS320系列处理器的流水线深度从2-6级不等，也就是说，处理器可以并行处理2-6条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段。例如在一个三级流水线操作中，取指，译码和执行操作可以独立地处理，这可使指令执行能够完全重叠。这样就增强了处理器的处理能力。28dsp原理及应用概论(3)(3)专用硬件乘法器专用硬件乘法器 在一般形式的FIR滤波器中，乘法是DSP的重要组成部分。在TMS320系列中，由于具有专用的硬件乘法器，乘法可以在一个指令周期内完成。这样可以大量降低FIR的计算时间。29dsp原理及应用概论(4)(4)特殊特殊DSPDSP指令指令;在T

24、MS320系列中有一些特殊的DSP指令，它们在一个指令周期内用一条指令就可以实现普通需要几条指令才可以实现功能，如MAC指令，它可以在一个指令周期中完成一次乘法和一次加法运算。这样即节省了时间，又提高了编程的灵活性。并行、跳转、延迟指令30dsp原理及应用概论四 DSP芯片的分类定点和浮点 定点：结构简单、速度快、精度低，动态范围小 TI：C1X、C2X、C5X Motorola:MC56000 AD:ADSP21xx 浮点：数据动态范围大，运算精度高，实时性好 TI：C3X、C4X、C8X Motorola:MC96001 AT&T:DSP32/32C31dsp原理及应用概论四 DSP芯片的

25、分类通用和专用 通用普通DSP芯片 TI：TMS320系列 专用特定DSP芯片，数字滤波、卷积和FFT Motorola:DSP5620032dsp原理及应用概论四 DSP芯片的分类静态和一致性（工作时钟和指令类型）静态在时钟频率范围内任何时钟频率上，DSP均 正常工作，除速度外，性能不变。TI：TMS320C2x 一致性多种DSP处理器的指令系统和相应的机器代码及引脚结构相互兼容。TI：TMS320C54x33dsp原理及应用概论五 DSP芯片的选择设计DSPDSP应用系用系统，选择DSPDSP芯片是非常重芯片是非常重要的一个要的一个环节。只有只有选定了定了DSPDSP芯片才能芯片才能进一步

26、一步设计其外其外围电路及系路及系统的其它的其它电路。路。选择原则：选择原则：根据实际应用系统需要、应用根据实际应用系统需要、应用场合、目的，场合、目的，选择满足所需功能、成本低、选择满足所需功能、成本低、耗电小、使用方便、有技术支持、升级方便耗电小、使用方便、有技术支持、升级方便的芯片。的芯片。34dsp原理及应用概论1 1TITI公司的公司的DSPDSP芯片芯片 TITI公司常用的公司常用的DSPDSP芯片可以芯片可以归纳为三大系列：三大系列：（1 1）TMS320C2000TMS320C2000系系列列，称称为为DSPDSP控控制制器器，集集成成了了flashflash存存储储器器、高高速

27、速A/DA/D转转换换器器以以及及可可靠靠的的CANCAN模模块块及及数数字字马马达达控控制制的的外外围围模模块块，适适用用于于三三相相电电动动机机、变变频频器器等等高高速速实实时时工工控控产产品品等等需需要要数数字字化化的的控控制制领领域。域。（2 2）TMS320C5000TMS320C5000系系列列，这这是是1616位位定定点点DSPDSP。主主要要用用于于通通信信领领域域，如如IPIP电电话话机机和和IPIP电电话话网网关关、数数字字式式助助听听器器、便便携携式式声声音音/数数据据/视视频频产产品品、调调制制解解调调器器、手手机机和和移移动动电电话话基基站站、语语音音服服务务器器、数

28、数字字无无线线电、小型办公室和家庭办公室的语音和数据系统。电、小型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35dsp原理及应用概论（3 3）TMS320C6000TMS320C6000系系列列DSPDSP 采采用用新新的的超超长长指指令令字字结结构构设设计计芯芯片片。其其中中20002000年年以以后后推推出出的的C64xC64x，在在时时钟钟频频率率为为1.1GHz1.1GHz时时，可可达达到到8800MIPS8800MIPS以以上上，即即每每秒秒执执行行9090亿亿条条指指令令。其其主要应用领域为：主要应用领域为：1 1）数数字字通通信信 完完成成FFT

29、FFT、信信道道和和噪噪声声估估计计、信道纠错、干扰估计和检测等。信道纠错、干扰估计和检测等。2 2）图图像像处处理理 完完成成图图像像压压缩缩、图图像像传传输输、模模式式及及光光学学特特性性识识别别、加加密密/解解密密、图图像像增增强等。强等。36dsp原理及应用概论2 2ADAD公司的公司的DSPDSP芯片芯片 特点：系统时钟一般不经分频直接使用。特点：系统时钟一般不经分频直接使用。定定点点DSPDSP芯芯片片的的程程序序字字长长为为2424位位，数数据据字字长长为为1616位位。一一般般具具有有2 2个个串串行行口口、1 1个个内内部部定定时时器器和和3 3个个以以上上的的外外部部中中断

30、断源源，此此外外还还提提供供8 8位位EPROMEPROM程序引导方式。程序引导方式。浮浮点点DSPDSP芯芯片片，程程序序存存储储器器为为4848位位，数数据据存存储储器器为为4040位位，支支持持3232位位单单精精度度和和4040位位扩扩展展精精度度的的IEEEIEEE浮浮点点格格式式，内内部部具具有有32483248位位的的程序程序CacheCache，有，有3 3至至4 4个外部中断源。个外部中断源。37dsp原理及应用概论AD的的BLACKFIN ADSP-2153538dsp原理及应用概论3 3AT&TAT&T公司的公司的DSPDSP芯片芯片 定定点点DSPDSP芯芯片片的的程程

31、序序和和数数据据字字长长均均为为1616位位，有有2 2个个精精度度为为3636位位的的累累加加器器，具具有有1 1个个深深度度为为1515字字的的指指令令CacheCache，片片内内具具有有2K2K字字的的程程序序ROMROM和和512512字的数据字的数据RAMRAM。浮点浮点DSPDSP芯片芯片，80/100ns80/100ns的指令周期，片的指令周期，片内具有内具有3 3个个512512字的字的RAMRAM块，或块，或2 2个个512512字的字的RAMRAM块加块加1 1个个4K4K字的字的ROMROM块。可以寻址块。可以寻址4M4M字的外部字的外部存储器。具有存储器。具有4 4个

32、个4040位精度的累加器和位精度的累加器和2222个个通用寄存器。通用寄存器。39dsp原理及应用概论LUCENT用用STARCORE开发的新开发的新DSP40dsp原理及应用概论4 4MotorolaMotorola公司的公司的DSPDSP芯片芯片定点定点DSPDSP芯片芯片程序和数据字长为程序和数据字长为2424位，有位，有2 2个精度为个精度为3636位的累加器。位的累加器。浮点浮点DSPDSP芯片芯片，累加器精度达，累加器精度达9696位，可支位，可支持双精度浮点数，该芯片的指令周期为持双精度浮点数，该芯片的指令周期为50/60/74ns50/60/74ns。内部具有。内部具有1010

33、个个9696位或位或3232位基于位基于寄存器的累加器。寄存器的累加器。适合于自适应滤波的专用定点适合于自适应滤波的专用定点DSPDSP芯片，芯片，程序字长和数据字长分别为程序字长和数据字长分别为2424位和位和1616位，累位，累加器精度为加器精度为4040位。位。41dsp原理及应用概论42dsp原理及应用概论5 5其他公司其他公司NECNEC公司的公司的PD77C25PD77C25、PD77220PD77220定点定点DSPDSP芯片和芯片和PD77240PD77240浮点浮点DSPDSP芯片等。芯片等。LUCENTLUCENT的的DSP1600DSP1600等，等，INTELINTEL

34、也有自己的也有自己的DSPDSP产品。品。INTEL&AD 的新的新DSP CORE43dsp原理及应用概论1 1DSPDSP芯片的运算速度芯片的运算速度 MACMAC时时间间：一一次次乘乘法法和和一一次次加加法法的的时时间间。大大部部分分DSPDSP芯芯片片可可在在一一个个指指令令周周期期内内完完成成一一次次乘乘法法和和一一次次加法操作。加法操作。FFTFFT执执行行时时间间：运运行行一一个个N N点点FFTFFT程程序序所所需需时时间间。由由于于FFTFFT运运算算在在数数字字信信号号处处理理中中很很有有代代表表性性，因因此此FFTFFT运运算算时时间间常常作作为为衡衡量量DSPDSP芯芯

35、片片运运算算能能力力的的一一个个指指标。标。MIPSMIPS：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44dsp原理及应用概论2 2DSPDSP芯片的价格芯片的价格 如如果果采采用用价价格格昂昂贵贵的的DSPDSP芯芯片片，即即使使性性能能再再好好，其其应应用用范范围围也也受受到到一一定定限限制制，尤尤其其是是民民用产品。用产品。3 3DSPDSP芯片的硬件资源芯片的硬件

36、资源 不不同同DSPDSP芯芯片片所所提提供供的的硬硬件件资资源源不不同同，如如片片内内RAMRAM、ROMROM的的数数量量，外外部部可可扩扩展展的的程程序序和和数数据空间，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 一一般般的的定定点点DSPDSP芯芯片片字字长长为为1616位位，少少数数2424位位。浮点芯片的字长一般为浮点芯片的字长一般为3232位，累加器为位，累加器为4040位。位。45dsp原理及应用概论5 5DSPDSP芯片的开发工具芯片的开发工具 在在DSPDSP系系统统的的开开发发过过程程中中，如如果果没没有有开开发

37、发工工具具的的支支持持，要要想想开开发发一一个个复复杂杂的的DSPDSP系系统统几几乎乎是是不不可可能能的的。功功能能强强大大的的开开发发工工具，可使开发时间大大缩短。具，可使开发时间大大缩短。6 6DSPDSP芯片的功耗芯片的功耗 便便携携式式的的DSPDSP设设备备、手手持持设设备备、野野外外应应用的用的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 除除了了上上述述因因素素外外，还还要要考考虑虑到到封封装装形形式、质量标准、供货情况、生命周期等。式、质量标准、供货情况、生命周期等。46dsp原理及应用概论一般地讲：一般地讲：定定点点DSPDSP芯芯

38、片片的的价价格格较较便便宜宜，功功耗耗较较低低，但运算精度稍低。但运算精度稍低。浮浮点点DSPDSP芯芯片片的的优优点点是是运运算算精精度度高高，用用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应应用用系系统统的的运运算算量量是是确确定定选选用用DSPDSP芯芯片片处处理理能能力力的的基基础础。运运算算量量小小，则则可可选选用用处处理理能力不是很强的能力不是很强的DSPDSP芯片，降低系统成本。芯片，降低系统成本。如如果果单单片片DSPDSP芯芯片片达达不不到到要要求求，则则需需选选用用多个多个DSPDSP芯片并行处理。芯片并行处理。47d

39、sp原理及应用概论六六 DSP DSP芯片的应用芯片的应用据预测，据预测，2007年年MPU/MCU/DSP总计销售额总计销售额达到达到564亿美元，预计亿美元，预计2011年达到年达到845亿美元亿美元规模规模。2007年年MCU单元出货量预计大幅增长单元出货量预计大幅增长21%，销售收入将达销售收入将达140亿美元，比亿美元，比2006年的年的124亿亿美元增加美元增加13%。2008年，预计年，预计MCU销售将再销售将再次增长次增长13%，达到，达到158亿美元。数字信号处理亿美元。数字信号处理器，预计年增长率为器，预计年增长率为9%，DSP销售额为销售额为79亿亿美元，预计美元，预计2

40、008年年DSP市场规模达到市场规模达到89亿美亿美元，增长率达到元，增长率达到13%。48dsp原理及应用概论49dsp原理及应用概论50dsp原理及应用概论DSPDSP芯片的主要应用领域芯片的主要应用领域 目前目前DSPDSP的应用主要包括如下方面：的应用主要包括如下方面：（1 1）信号处理）信号处理 如数字滤波、自适应如数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、希尔伯特变换、滤波、快速傅里叶变换、希尔伯特变换、小波变换、相关运算、谱分析、卷积、小波变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等。模式匹配、加窗、波形产生等。51dsp原理及应用概论（2 2）通信）通信 如调制解调器、

41、自适应均如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话、个人通信系统、移动码、可视电话、个人通信系统、移动通信、个人数字助手（通信、个人数字助手（PDAPDA）、）、X.25X.25分分组交换开关等。组交换开关等。（3 3）语语音音 如如语语音音编编码码、语语音音合合成成、语语音音识识别别、语语音音增增强强、说说话话人人辨辨认认、说说话话人人确确认认、语语音音邮邮件件、语语音音存存储储、扬声器检验、文本转语音等。扬声器检验、文本转语音等。52dsp原理及应用概论消费电子正在全

42、面数字化，现在音频广消费电子正在全面数字化，现在音频广播，电视广播也在向数字化迈进，播，电视广播也在向数字化迈进，HDTV接收机、接收机、SDTV电视机、机顶盒及数字广播电视机、机顶盒及数字广播收音机等已经或都将进入市场。收音机等已经或都将进入市场。MP3播放播放机方兴未艾。在国外，电子产品约占整车机方兴未艾。在国外，电子产品约占整车费用的费用的30%，在中国目前只占到整车费用，在中国目前只占到整车费用的的15%-20%。汽车电子包括汽车上的娱乐。汽车电子包括汽车上的娱乐装置，远程信息处理和自动控制装置，这装置，远程信息处理和自动控制装置，这些设备都离不开些设备都离不开DSP。53dsp原理及

43、应用概论（4 4）军军事事 如如保保密密通通信信、雷雷达达处处理理、声声纳纳处处理理、图图像像处处理理、射射频频调调制制解解调调、导航、导弹制导等。导航、导弹制导等。（5 5）图图形形与与图图像像 如如二二维维和和三三维维图图形形处处理理、图图像像压压缩缩与与传传输输、图图像像增增强强、动动画画与与数数字字地地图图、机机器器人人视视觉觉、模模式式识别、工作站等。识别、工作站等。（6 6）仪仪器器仪仪表表 如如频频谱谱分分析析、函函数数发发生生、锁锁相相环环、地地震震处处理理、数数字字滤滤波波、模式匹配、暂态分析等。模式匹配、暂态分析等。54dsp原理及应用概论（7 7）自自动动控控制制 如如引

44、引擎擎控控制制、声声控控、机机器器人人控控制制、磁磁盘盘控控制制器器、激激光光打打印印机机控控制制、电动机控制等。电动机控制等。（8 8）医医疗疗 助助听听器器、超超声声设设备备、诊诊断断工工具具、病人监护、胎儿监控、修复手术等。病人监护、胎儿监控、修复手术等。（9 9）家家用用电电器器 如如高高保保真真音音响响、音音乐乐合合成成、音音调调控控制制、玩玩具具与与游游戏戏、数数字字电电话话与与电视、电动工具、固态应答机等。电视、电动工具、固态应答机等。（1010）汽汽车车 如如自自适适应应驾驾驶驶控控制制、防防滑滑制制动动器器、发发动动机机控控制制、导导航航及及全全球球定定位位、振振动分析、防撞

45、雷达等。动分析、防撞雷达等。55dsp原理及应用概论DSP产业链产业链 DSP的发展己有的发展己有25年历史了，年历史了，DSP芯片己达芯片己达到相当高的水平，现在国际上已形成包括到相当高的水平，现在国际上已形成包括DSP芯片设计、制造，芯片设计、制造，DSP开发工具研制生产、应开发工具研制生产、应用和咨询共同组成的产业链。用和咨询共同组成的产业链。全球有全球有5万多客户选用万多客户选用TI定制的软件开发环定制的软件开发环境，使他们能非常容易地将境，使他们能非常容易地将DSP结合到他们的结合到他们的系统中去。围绕系统中去。围绕DSP周边的业务就由许许多多周边的业务就由许许多多的称为第三方的称为

46、第三方(T hird Party)的小公司承担，的小公司承担，TI的的 Third Party 有有650多家公司，他们生产多家公司，他们生产数千种基于数千种基于DSP的产品。的产品。56dsp原理及应用概论DSP产业链产业链围绕围绕DSP芯片产业化可以成立公司的业务很多，芯片产业化可以成立公司的业务很多，概括起来有以下一些：概括起来有以下一些：DSP开发工具：开发工具：如各种仿真软件、调试软件、硬如各种仿真软件、调试软件、硬件仿真器、评估板、初学者实验套件、教学套件等。件仿真器、评估板、初学者实验套件、教学套件等。DSP应用软件：应用软件：符合各种国际和区域性标准的语符合各种国际和区域性标准

47、的语音、图像、视频、数据通信等音、图像、视频、数据通信等DSP软件。例如不少公软件。例如不少公司从事司从事 ITU-T G.系列语音压缩编码标准的系列语音压缩编码标准的DSP编程，编程，如如 G.711、G.722、G.726、G.728、G.723、G.729 等。音频编码有等。音频编码有MPEG1，2，4的的MP3、AAC，Dolb y 的的AC-3等。图像编码有等。图像编码有JPEG、J PEG2000、H.261、H.263、H.264。数据通信，如各种传输。数据通信，如各种传输速率的速率的 Modem、xDSL、Cable Modem，回声抵消、，回声抵消、DTMF等都有很大的市场。

48、等都有很大的市场。57dsp原理及应用概论DSP产业链产业链DSP电路板卡电路板卡：在实际应用中需要专门的：在实际应用中需要专门的DSP硬硬件电路板卡，利用这些板卡可以进行二次应用开发。件电路板卡，利用这些板卡可以进行二次应用开发。例如很多语音信箱供应商就是购买例如很多语音信箱供应商就是购买DSP语音压缩卡做语音压缩卡做的产品，很多为广播电台提供音频工作站的供应商就的产品，很多为广播电台提供音频工作站的供应商就要购买要购买DSP音频压缩卡，如做视频监控系统的就必须音频压缩卡，如做视频监控系统的就必须购买购买DSP图像压缩卡等等。图像压缩卡等等。DSP应用系统开发：应用系统开发：GSM手机、手机

49、、MP3播放机、数播放机、数码相机、空调、无线局域网、蓝牙、码相机、空调、无线局域网、蓝牙、PDA等。等。DSP咨询：咨询：国外有一些国外有一些DSP的咨询公司，他们起的咨询公司，他们起到到DSP用户和用户和DSP芯片供应商、芯片供应商、DSP第三方之间的桥第三方之间的桥梁作用，也会为客户提供设计、提供软件和硬件及出梁作用，也会为客户提供设计、提供软件和硬件及出版资料图书，有些还办培训班。版资料图书，有些还办培训班。58dsp原理及应用概论DSP产业链产业链中国电子信息产品市场对中国电子信息产品市场对DSP的需求稳定增长，的需求稳定增长，今后五年我国今后五年我国DSP市场销售额仍会保持年平均市

50、场销售额仍会保持年平均28%以以上的复合增长率，中国已成为了上的复合增长率，中国已成为了DSP芯片的最大市场，芯片的最大市场，数码相机、数码相机、IP电话和手持电子设备的热销带来了对电话和手持电子设备的热销带来了对DSP芯片的巨大需求。芯片的巨大需求。目前，中国目前，中国DSP市场的主要应用集中在移动电话市场的主要应用集中在移动电话领域，然而随着领域，然而随着DSP对数字信号高速运算与同步处理对数字信号高速运算与同步处理能力的提高，能力的提高，DSP的应用领域将逐渐扩展到新型数字的应用领域将逐渐扩展到新型数字消费类产品领域。消费类产品领域。DSP芯片在数字消费类产品中主要芯片在数字消费类产品中

51、主要从事图像压缩与传输等图像信号的处理，语音的编码、从事图像压缩与传输等图像信号的处理，语音的编码、合成、识别及高保真等语音信号的处理及通信信号的合成、识别及高保真等语音信号的处理及通信信号的调制解调、加密、多路复用、扩频、纠错编码等处理。调制解调、加密、多路复用、扩频、纠错编码等处理。59dsp原理及应用概论 2.3 DSP2.3 DSP的开发的开发 DSP DSP系统的设计思路系统的设计思路输输入入 抗混叠滤波器A/DD/ADSP芯片平滑滤波器输输出出典型的典型的DSPDSP系统系统60dsp原理及应用概论1.1.总体方案设计总体方案设计 DSP应用应用定义系统性能指标定义系统性能指标选择

52、选择DSP芯片芯片软件编程软件编程硬件设计硬件设计软件调试软件调试硬件调试硬件调试系统集成系统集成系统调试系统调试DSPDSP系统设计前：系统设计前：明确设计任务明确设计任务 给出设计任务书给出设计任务书 功能描述准确功能描述准确 功能描述清楚功能描述清楚 描述的方式描述的方式 人工语言人工语言 流程图流程图 算法描述算法描述 将设计任务书转化为量化的技术指标。将设计任务书转化为量化的技术指标。61dsp原理及应用概论技术指标的确定技术指标的确定 系统采样系统采样频率频率 信号信号频率频率 最复杂的算法最复杂的算法所需最大时间所需最大时间 对实时程对实时程度的要求度的要求 片内、外片内、外RA

53、MRAM的容量的容量 数量及程序数量及程序的长短的长短1616、3232位位定点、浮点运算定点、浮点运算 系统所要求的精度系统所要求的精度输入输出输入输出端口要求端口要求计算、控制计算、控制选定选定DSPDSP芯片芯片型号型号 62dsp原理及应用概论成本成本供供货能力能力技技术支持支持开开发系系统体体积功耗功耗工作工作环境温度境温度DSPDSPA/DA/DD/AD/ARAMRAM性能指性能指标其它因素的考虑其它因素的考虑63dsp原理及应用概论总体体设计 算法算法仿真仿真高级语言高级语言MatlabMatlab最佳算法最佳算法初步参数初步参数软件软件系统初步分工系统初步分工硬件硬件64dsp

54、原理及应用概论2.2.软件设计阶段软件设计阶段 源程序源程序汇编器汇编汇编器汇编目标文件目标文件链接器连接链接器连接 调试器调试调试器调试代码转换代码转换C C语言语言汇编语言汇编语言混合语言混合语言代码写入代码写入EEPROMEEPROM可执行文件可执行文件软件仿真软件仿真反反复复 65dsp原理及应用概论3.3.硬件设计阶段硬件设计阶段 硬件实现方案硬件实现方案确定最优硬件实现方案确定最优硬件实现方案画出硬件系统框图画出硬件系统框图性能指标性能指标工期工期成本等成本等器件的选型器件的选型DSPDSP芯片、芯片、A/DA/DD/AD/A、内存、电、内存、电源、逻辑控制、源、逻辑控制、通信、人

55、机接通信、人机接口、总线等口、总线等66dsp原理及应用概论DSPDSP芯片芯片 根据是用于控制还是计根据是用于控制还是计算目的，选择：算目的，选择：不同的厂商不同的厂商不同系列不同系列不同工作频率不同工作频率不同工作电压不同工作电压不同工作温度不同工作温度采用定点或浮点型芯片采用定点或浮点型芯片 器件的选型原则器件的选型原则67dsp原理及应用概论A/DA/D变换变换 根据采根据采样频率、精度率、精度：确定确定A/DA/D型号型号是否要求片上自是否要求片上自带采采样保持器保持器多路器多路器基准基准电源等。源等。器件的选型原则器件的选型原则D/AD/A变换根据信号根据信号频率、精度率、精度：是

56、否要求基准是否要求基准电源源多路器多路器输出运放等。出运放等。68dsp原理及应用概论存储器存储器RAMRAM、EPROMEPROM（或或EEPROMEEPROM、Flash MemoryFlash Memory），主要考虑：），主要考虑：工作频率工作频率内内存存容容量量位位长长（8 8位位/16/16位位/32/32位）位）接口方式（串行接口方式（串行/并行）、并行）、工作电压（工作电压（5V/3.3V5V/3.3V或其他）。或其他）。器件的选型原则器件的选型原则69dsp原理及应用概论逻辑控制逻辑控制先先 确确 定定 所所 用用 器器 件件，如如 PLDPLD、EPLDEPLD或或FPGA

57、FPGA；再再根根据据自自己己的的特特长长和和公公司司芯芯片片的的特特点点决决定定采采用用哪哪家家公公司司的的哪哪一一系列产品；系列产品；最最后后根根据据DSPDSP芯芯片片的的频频率率决决定定芯芯片片的的工工作作频频率率，并并以以此此来来确确定定使用的芯片。使用的芯片。器件的选型原则器件的选型原则70dsp原理及应用概论通信接口通信接口根根据据与与其其他他系系统统通通信信的的速速率率决决定定采采用用的的通信方式：通信方式：串口串口并口并口总线总线器件的选型原则器件的选型原则71dsp原理及应用概论总线选择总线选择根根据据使使用用场场合合、数数据据传传输输速速率率的的高高低低（总总线线宽宽度度

58、、频频率率高高低低、同同步步方式等）选择：方式等）选择：PCIPCIISAISA现场总线现场总线器件的选型原则器件的选型原则72dsp原理及应用概论人机接口人机接口可可以以通通过单片片机机构构成成通通信信，也也可可在在DSPDSP的的基基础上直接构成。上直接构成。键盘显示器等示器等 器件的选型原则器件的选型原则电源源选取取主主要要考考虑电压的的高高低低和和电压的大小。的大小。电压高低要匹配高低要匹配电流容量要足流容量要足够73dsp原理及应用概论必必须清清楚楚了了解解器器件件的的使使用用和和系系统的的开开发，对于关于关键环节要做仿真。要做仿真。原理图设计原理图设计 PCBPCB板设计板设计 要

59、要求求DSPDSP系系统设计人人员既既要要熟熟悉悉系系统工工作作原理，又要清楚布原理，又要清楚布线工工艺和系和系统结构构设计。软、硬件调试软、硬件调试 借借助助仿仿真真工工具具或或开开发发工工具具进进行行软软、硬硬件件仿仿真调试时，往往要反复多次调试。真调试时，往往要反复多次调试。74dsp原理及应用概论4.4.系统集成系统集成 系统集成：系统集成：是将软硬件结合起来，并是将软硬件结合起来，并组合成样机，在实际系统中运行，进行组合成样机，在实际系统中运行，进行系统测试。系统测试。如果系统测试结果符合设计指标，则如果系统测试结果符合设计指标，则样机设计完毕。样机设计完毕。但由于在软硬件调试阶段调

60、试的环境但由于在软硬件调试阶段调试的环境是模拟的，因此在系统测试时往往会出是模拟的，因此在系统测试时往往会出现一些问题，应找出原因，不断改进。现一些问题，应找出原因，不断改进。75dsp原理及应用概论 DSP DSP应用系统的开发工具应用系统的开发工具 开开发发工工具具的的好好坏坏对对代代码码的的长长度度、代代码码的的执执行行速速度度起起着着关关键键的的作作用用，开开发发工工具具的的功功能能是是否否齐齐全全，使使用用是是否否方方便便，在在很很大大程程度度上上将将影影响响DSPDSP系系统统的的开开发发周周期期以以及及产产品品上上市市时间。时间。由由于于不不同同厂厂商商、不不同同系系列列的的DS

61、PDSP都都有有自自己己的的开开发发工工具具，因因此此开开发发工工具具的的选选择择也也是是重重要的一环。要的一环。76dsp原理及应用概论代代码码产产生生工工具具 对对用用户户开开发发的的高高级级语语言言或或汇汇编编语语言言源源代代码码进进行行编编译译，生生成成可可以以在在目目标标DSPDSP上运行的可执行代码。上运行的可执行代码。代代码码调调试试工工具具 根根据据调调试试者者的的命命令令观观察察DSPDSP的的状状态态，控控制制DSPDSP代代码码的的执执行行，进进行行结结果果显显示示，对用户的代码进行调试或性能测试。对用户的代码进行调试或性能测试。DSPDSP的开发工具的开发工具77dsp

62、原理及应用概论1.1.代码产生工具代码产生工具 （1 1）TMS320TMS320优优化化C C编编译译器器（Optimizing Optimizing ANSI ANSI C C CompilersCompilers）C C编编译译器器的的输输入入是是C C语语言言源源代代码码，输输出出为为TMS320TMS320汇汇编编代代码码，它它用用于于把把符符合合ANSIANSI标标准准的的C C代代码码转转换换为为目目标标DSPDSP汇汇编编代代码码，使使用用户户可可以以用用C C语语言言编编写写代代码码。并并且且，配配套套的的代代码码调调试试工工具具支支持持C C代代码码的的源源码码调调试试。T

63、ITI公公司司的编译器支持除的编译器支持除TMS320C1xTMS320C1x外的所有外的所有DSPDSP产品。产品。TITI公司的开发工具公司的开发工具78dsp原理及应用概论（2 2）TMS320TMS320汇汇编编器器、连连接接器器（AssemblerAssembler、LinkerLinker）汇汇编编器器和和连连接接器器用用于于把把汇汇编编代代码码转转换为可在目标换为可在目标DSPDSP上运行的可执行目标代码。上运行的可执行目标代码。支支持持宏宏汇汇编编和和目目标标库库，产产生生的的目目标标代代码码可可重重新新定位，在程序地址空间中的具体地址可变。定位，在程序地址空间中的具体地址可变

64、。其其中中汇汇编编器器用用于于把把汇汇编编语语言言文文件件转转换换成成机机器器语语言言的的目目标标文文件件。连连接接器器用用于于把把多多个个目目标标文文件件连连接接成成可可执执行行的的目目标标代代码码。在在连连接接过过程程中中，连连接接器器完完成成目目标标代代码码的的定定位位、解解决决符符号号的的外外部部引引用用等。等。79dsp原理及应用概论（3 3）TMS320TMS320系系统统调调试试和和评评价价工工具具 TMS320TMS320有有一一系系列列系系统统调调试试工工具具用用于于代代替替或或协协助助目目标标系系统统进行软件评价和开发。进行软件评价和开发。现有的产品有：现有的产品有：DSK

65、DSK初学者开发套件初学者开发套件（DSP Starter KitDSP Starter Kit）EVMEVM软件评估模块软件评估模块（Evaluation ModuleEvaluation Module）XDS510XDS510硬硬 件件 仿仿 真真 器器（Extend Extend Development Development Support EmulatorsSupport Emulators）。）。TITI公司还提供集成开发工具公司还提供集成开发工具CCSCCS（Code Code Composer StudioComposer Studio），），CCSCCS可从网上下载，可进可从

66、网上下载，可进行软、硬件仿真和系统分析，受到广泛应用。行软、硬件仿真和系统分析，受到广泛应用。80dsp原理及应用概论1.DSP1.DSP系统有何特点？系统有何特点？2.2.设计一个设计一个DSPDSP系统应考虑哪些问题？系统应考虑哪些问题？3.3.选择选择DSPDSP芯片的依据是什么？芯片的依据是什么？4.4.试列举试列举DSPDSP芯片的特点。芯片的特点。5.DSP5.DSP芯片有哪些分类？芯片有哪些分类？6.6.在在你你接接触触到到的的问问题题中中，哪哪些些可可用用DSPDSP来来解解决决？7.7.开发开发DSPDSP系统可用哪些开发工具？系统可用哪些开发工具？思考题思考题81dsp原理及应用概论82dsp原理及应用概论