DSP芯片的原理及开发应用

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1、书名：DSP芯片的原理与开发应用（第2版）作者：张雄伟曹铁勇页数：306页开木：16开字数：480千字出版日期:2000年9月书号:7-5053-6127-9内容简介：町编程DSP芯片是一种应用非常广泛的微处理器。本书全而系统地介绍了 DSP 芯片的基本原理、开发和应用。首先，介绍了冃前丿泛使用的DSP芯片的基本结构和特 征，定点和浮点DSP处理中单一些关键问题。然后j对用C语言和IATLAB语言埠行 DSP於法的模拟进行了介绍接着.以II前应用最广的TI DSP芯片为例介绍了曹乂和 i辿pSP芯丿;的软ftHT法.DSP芯片的C诰二耐1编你、i的丿I发方法以及DSPjf 丽并发I八及使用，并

2、以1个应用系药的设计为例：介绍了嬴环孚2： DSP芯片的开 发过程。锻后,介绍了数字滤波器和FFT等常用数字信号处理算法的DSP实现。本书旨在使读者在了解DSP芯片基本原理的某础上.能较快地学握DSP芯片的系统 设计和软硬件开发方法。本书的特点是：举例丰富，内容新颖，实用性强。本帖町供通信和电子等领域从事DSP芯片开发应用的广人科技人员和教师阅读参 考.也町作为相关专业研究生和高年级木科生的教材。http:/www.21 您永远的朋友！欢迎经常光顾!1-1弓I 言数了信号处理（D诚talSi巴alPn）竺ssing,简称DSP）足一门涉及许多学科而又广泛应J吁 世J旳域低皿&，心L从制丄伸小曲

3、仏，工苗IMM迖打术M K速蕊 嘉少伫 号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在过玄的二I乡年时间里，数字信号处理已经在 通信等领域得到极为广泛的应用。数字信号处理是利用计算机或专用处理设处 以数宁形式对信号进行采集、变换、滤波、 估俏、增强、床缩.识别等咎理/以得到符合人们需要的信号形式。数了借号处理是围绕着数处理的理论、实现和应用等几个方面发展起來的。数字信 号处理在理论上的发展推动了数字信号处理用用的发展。反过来，数字信号处理的丿卫用乂 促进了数了信号处理理论的捉高、而数字挡勺处理的实现则是理论和应用Z间的桥梁/ 竺值上缈是痕多学理理玲萝他的它脸輕的范哋J如至 例如.在数学文 减窗际?昭细

4、|7砸过？6（f丽T亦阪页沛本1JI，与网络理 论、信兮与系东控帀通信理论、故障诊断等也密切相关。近来新兴的一些学科，如 人工智能、模式识别、神经网络等,都与数字信号处理密不可分。可以说,数字信号处理 是把许多经典的理论体系作为自己的理论甚础，同时又使自己成为一系列新兴学科的理论 基础。数字信号处理的实现方法一般有以下几种：3加通用的计算机（如PC机）上用软件（如Fortran、C语言）实现：9 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现；3 用通用的单片机（如MCS-51、96系列等）实现，这种方法可用J：一些不A复朵的数 字信号处理，泌竺控制笠i上初通用的盯编程DSP芯片实现。与单片机相比

5、，DSP芯片只令更加适合数字信号处 理的软件和硕件资源，可用丁复杂.（汐H专用的DSP芯片实现。在一些特殊的场合，耍求的信号处理速度极高，用通用DSP Ft亟啟现，例如专用T FFT.数了滤波、卷枳、相关等算法的DSP芯丿门这种芯片将 相应的信号处理算法在芯片内部用磧件实现，无需进行编程。在上述几种方法屮，第1种方法的缺点是速度较慢，-般町用TDSP算法的模拟；笫2 种和第5种方法专用性强，应用受到很人的限制，第2种方法也不便系统的独龙运行： 第3种方法只适用于实现简单的DSP算法:只有第4种方法才使数字信号处理的应用打 开了新的局面。虽然数字信号处理的理论发展迅速，但在20世纪80年代以前，

6、由J：实现方法的限制，数 字信号处理的理论还得不到广泛的应用。直到20世纪70年代末80年代初世界上第一片 单片可编程DSP芯片的诞生,才将理论研究结果广泛应用到低成本的实际系统中,并且 推动了新的理论和2用领域的发展。可以它不令张地说，DSP芯片的诞牛及发展对近20 年来通信.计算机.控制等领域的扌1.2 DSP系统1.2.1 DSP系统构成图1.1所示为一个典型的DSP系统。图中的输入信号可以有各种各样的形式。例如，它可 以是麦克风输出的语音信号或是电话线來的已调数据信号，可以是编码后在数字链路上传输或心储在计算机里的摄像机图像缶勺等。IVI 1.1典型的DSP系统输入信号首先进行带限滤波

7、和抽样，然后进行AQ (Analog to Digital)变换将信号变换成 数字比特流。型据卷奎斯特抽样定理.为保证信息不去火，抽样频率至少必须是输入帯阻 信号最高频率岛必LDSP芯片的输入是皿变换h:得到的以抽样形式丧八的数们 ；,DSP芯片对输入的数 字信号进行某种形式的处理，如进行-系列的乘累加操作(MAC)。数字处理是DSP的 关键，这与其他系统(如电话交换系统)仃很人的不同.在交换系统中,处理器的作用是 进行路由选择，它并不対输入数据进行修改。因此虽然两者都是实时系统，但两者的实时 约束条件却佇很人的不同。最后经过处理后的数字样值再经D/A (Digital to Analog)变

8、 换转换为模拟样值，Z后再进彳亍I硕S和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。兰须指出的是.上面给出的DSP系型型是一个典吃模型但并不是所仃的DSP系筑都 茴和机即卩的所刃制fl。如:祐U血系统在输出端并不是逻纟戚忒卞是识从闍 西 如数字、攻京等；冇些输入信号本身就是数字信兮(如CD： Compact Disk)，因此 迦I必进行桦数変加了。1.2.2 DSP系统的特点数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此H令数字处理的全部优点：5 接II方便。DSP系统与其他以现代数字技术为皋础的系统或设备都是相互兼容的，与 这样的系统接11以实现某种功能耍比模拟系统与这些系统接11要容易得多：4 编程方便

9、。dsp系统屮的可编程DSP芯片町使设计人员在开发过程中灵活方便地对软 件进行修改和升级；9/总定性好。dsp系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，町靠性 高；9尸梢度高。16位数字系统町以达到IO”的梢度；町觅复性好模灵系统的性能近觀T参数件能变化比较応 而数字系统基木不受影 响屮此数字系统便于测就和血丄宀 集成方便；dsp系统中的数字邮件冇高度的规范性,便丁人规模集成。当然.数字信号处理也存在一定的缺点。例如，对J简单的信号处理任务.如与模拟交换 线的电话接I丨 C出DSP则使成本增加。DSP系统的窩速时钟111能帯來萬和扰和 电磁泄漏等问题.而HDSP系统消耗的功率也技人。

10、此外 DSP義术更新的速度快麵 孕知识亜求名，开发和调试工II还不尽完善。虽然DSP系统存在着一吐缺点但其突出的优点已经使Z在通信、语音、图像、雷达、 生物医学、工业控制.仪器仪农等许多领域得到越來越广泛的应用。1.2.3 DSP系统的设计过程总的來说.DSP系统的设计还没有非常好的止规设计方法。图1.2所示是DSP系统设计的一般过程。图1.2 DSP系统的设计流程在设计DSP系统Z前，首先必须根据应用系统的冃标确定系统的性能指标、信号处理的 耍求，通常可用数据流程图、数学运算序列、止式的符号或自然语言來描述。第 步兄根据系统的耍求进行窩级 W 的模拟。一般來说，为了实现系统的垃终I丨标.还

11、耍对输入的仁号进行适”1的处刖，血处理方法的不同会导致不同的系统件能，要紂到垠住 妙他性能L就必须在这步确宦最佳的处理方広即数了愷兮处理的舁広(Algorithm),内此这一步也称算法模拟阶段。例如，语音斥缩编码算法就是耍在确定的 压缩比条件下,获得最佳的合成语音。算法模拟所用的输入数据工实际信号经采集而获得的.通常以计算机文件的形式心储为数据文件。如语音丿七缩编码算法模拟时所用的语音信 号就是实际采集而获得并存储为计算机文件形式的语音数据文件。仃些算法模拟时所用的 输入数据并不一定耍是实际采集的信号数据，只耍能够验证算法的町行性，输入假设的数据也是可以的。住完成第二步Z后.接卜來就町以设计实

12、时DSP系统.实时DSP系统的设计包括破件设计和软件设计两个方面。映件设计首先耍根据系统运算量的人小、对运算精度的耍求、系统成本限制以及体枳、功耗等要求选择介适的DSP芯片。轶后设计DSP芯片的外Ihhl册 及贯他电路。软fT设讣和编川I缨粮出索统些求和和选的3sp芯片编写相应的DSP汇编 一祁序.若系统运畀试不A riff高级语言编译器支持.也町用高级语言(如c语言)编桿山J规仃的打级语聖编译器的效率还比不上匚匸编釘汇编语冷的效率，内此在实你丿卫用系 统中常常采用諾级语言和汇编语言的混介编用方汰，即在算强算量大的地方，用手工编 匕的力沙語冋汀编也凡 mii厶亚贾/、人的地力则米用衙级沿山。來

13、用这种力広，既町缩feT 软件开发的周期.提高程序的町读性和可移植性，又能满足系统实时运算的耍求。d退fe吐I型钦f段计完成后,就蛊耍进行feHT和软件的调试。欽件的调试一般借助J psp Wrn7时第果与模拟结果的方法.、DS等。调试DSP算法时-般采用比较实果实时科序和模拟科序的输入相同则两者的输出皿该一致。应用系统的it他软件可以根据实际情况进行调试。唤件调试-般采用硕件仿真器进行 调试.如果没有相丿卫的硬件仿真器，1硬件系统不是十分复杂，也町以借助一般的匸其进行调试。弼的软件和破件分别调试完成后，就可以将软件脱离开发系统而宜接在应用系统匕运 存。当然,DSP系统的 特别是软件开发是一个

14、需耍反复进行的过程,虽然通过算法 恢拟皋本上叫以知道实时系统的性能.但实际匕模拟环境不可能做到均实时系统坏境完全 一致，而II将模拟算法移植到实时系统时必须考总算法是否能够实时运彳亍的问题。如果算 法运算炭太人不能在帔件上实时运行.则必须币:新修改或简化算法。1.3.1什么是DSP芯片DSP芯片，也称数字信号处理器，是-种特别适合J：进行数字信号处理运算的微处理器 It主耍应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的耍求，DSP芯片一般具何如卜主要特点:3 在一个指令周期内町完成一次乘法和一次加法；（4）忍有低开销或无开销循环及跳转的駛件支持; 快速的中断处理和硕件I/O支持；

15、T其有在单周期内操作的多个破件地址产牛器;0和序和数据空间分开，町以同时近问指令和数据； py片内口仃快速ram,通和y通过为girj坡拥尼衣右屈坝小bJ时彷呵XJ可以并行执行多个操作;3支持流水线操作.使取指、译码和执行等操作可以币證执行。 当然，与通用微处理器和比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。1.3.2 DSP芯片的发展世界上第一个单片DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的S2811, 1979年美国Intel 公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的-个主耍里程碑。这两种芯片氏部都洪右 现代DSP兮片西必须有的単周期乘法器。1980年，II本NEC公诃推出的IPD772

16、0是第 二个尺仃乘法器的商用DSP芯片。在这Z后，最成功的DSP芯片当数美国德州仪器公司（Texas Instniments简称TI）的一 系列产品o TI公司在1982年成功推出K笫代DSP芯片TMS32010及英系列产品 TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C 16/C 17 等，Z后相辱推出了第二彳弋 DSP 芯也 TMS32020、TNIS320C25/C26/C28,第三代 DSP 芯片 TNis3i0C30/C31；C32 , j画弋 DSP 芯片TMS320C40/C44，第fi代DSP芯衍MS320C5X/C54X,第二代DSP，丽的改进熨 TMS320C2X

17、X,集匕片DSP芯片 体“尬性能DSP芯片TMS320C8X以1山ii朿丿辿: 的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等.TI将常用“J DSP芯片归纳为三大系列， J即：TMS320C2000 系列（包括 TMS320C2X/C2XX）、TMS320C5000 系列（包括TMS320C5X/C54X/C55X）、TMS320C6000 系列（TMS320C62X/C67X）。如今，TI 公司 的一系列DSP产品已经成为当今世界上垠仃影响的DSP芯片。TI公司也成为世界上垠人 的DSP芯片供应商，其DSP市场份额占全世界份额近50%。、X/第-个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片的是

18、U本的Hitachi公司，它JT982年推出了 浮点DSP芯片。1983年口* Fujitsu公司推出的MB8764,其指令周期为120ns且貝 有双内部总线，从而使处理吞吐駁发生了一个人的E跃。而第一个高性能严点。巴毡片 应是AT&T公司于1984年推出的DSP32。与其他公司相比.Motorola公诃在推出DS虫芯八川加相汕蛉验 2“ 加.&处订1#山口 了定兰处理器 MC560011990年，推出了与IEEE 湼山格式廉容的存山 DSP 芯丿;相继推出了一系列其右自己特点的DSP芯片，其定点DSP芯ASDP2111/2115. ADSP2161/2162/2164 以及 ADSP2171

19、/2181,送4LDSP 芯片仃ADSP21000/21020、ADSP21060/21062 等。_ 一n 1980年以来,DSP芯片得到了突飞狂进的发展,DSP芯片的应用越来越广泛.从运算 速度来看，穽丞兰里加?空 时m里经从纪8?年代初的40gns QaiTN徑理0厂麵琢逾亜口可亍“莎OQg茫TS*QC6辰G乂等）处创竈力捉 石旳匚p倍。丘pW片内前吴孫的乘法器前FAH930 丽占模片区（die area）的40% 左右卜降到5%以匚 片内RAM数彊增加一个数彊级以上。从制造工艺來看，1980年采用4wn的N沟道MOS （NMOS）匸艺，而现在则普遍采川亚微米（Micron） CMOS工

20、 艺。DSP芯片的引脚数鼠从1980年的最多64个増加到现在的200个以上引脚数晴的增 加，意味着结构灵活性的增加，如外部存储器的扩展和处理器间的通借等此外，DSP芯 片的发展使DSP系统的成木、体积、觅帚和功耗都仃很人程度的卜-降.表11是TI公司 DSP芯片1982年、1992年、1999年的比较表。表1.2则是世界上主要DSP芯片供应商的 代表芯片的一些数据。1.1 TI DSP芯片发展比较表（典型值）年份1982 年1992 年1999 :制造工艺4 (.an NMOS0.8pm CMOS0 3pm CMOSMIPS5N0PS40flPS100MIPSMHz20XfHz80MHz100

21、MHz内部RAM144字IK ?32K7内部ROM1.5K 字4K字16K字价格S150.00$15.00S5.00425.00功耗250mVMIPS125mWMIPS0.45mW/MIPS荣成晶体符敬50K500K表1.2单片可编程DSP芯片公司DSP芯片推出时何（年XfACMJ期(ns)定点位数浮点位数AMIS2811197830012/16NECHPD7720UPD7723019801985250150163232TMS32O1O19823901632TMS3202019872001632TMS32OC2519891001632TMS320C3019896024/3232/40TITMS

22、320C401992403240TMS320C501990351632TMS32OC2O3199612.51632TMS320LC5491996101632TMS32OC62X199751632MC5600119867524MotorolaMC9600219905032/6432/44MC5600219915024/48DSP32C19888016 或 2432/40AT&TDSP16A1988251636DSP321O1992602432/40AHADSP210119906016AVADSP210201991403232/40DSP芯片可以按照下列三种方式进行分类。彳按基础特性分这是根据DS

23、P芯片的I作时钟和指令类型來分类的。如果在某时钟频率范用内的任何时 钟频率上，DSP芯片都能正常工作，除计算速度冇变化外，没仃性能的卜降,这类DSP 芯片一般称为静态DSP芯片。例如 I本OKI电气公司的DSP芯片、TI公司的 TMS320C2XX系列芯片甌卞这_类。如果有两种或两种以上的DSP芯片，它们的指令集和相闷的机器代码机管脚结构相耳兼 容，则这类DSP芯片称为-致性DSP芯片。例如，类国TI公司的TMS320C54X就屈丁 这一类。L按数据格式分这是根据DSP芯片工作的数据格式來分类的。数据里怎也格式丄作的DSP芯八称九山占 DSP 芯片，如 TI 公司的 TN1S320C1X/C2

24、X. TMS32OC2XX/C5X、TMS320C54X/C62XX 系 列.AD 公司的 ADSP21XX 系列,AT&T 公司的 DSP16/16A, Motolora 公司的 MC56000 等。以浮点格式匚作的称为浮点DSP芯片,如TI公祠的TMS320C3X/C4X/C8X, AD公 司的 ADSP21XXX 系列，AT&T 公司的 DSP32/32C, Motolora 公诃的 MC96002 等。 不同浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样，仃的DSP芯片采用自定义的浮点格 式,如TMS320C3X,而有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式,如Motorola公司的 MC9

25、6002、FUJITSU 公司的 MB86232 和 ZORAN 公司的 ZR35325 等。按KHDSP的用途來分，町分为通用型DSP芯片和专用型DSP芯片。通用型DSP芯片适 合普通的DSP应用,如TI公司的一系列DSP芯片属于通用型DSP芯片。专用DSP芯片 定为特总的DSP运算而设i|的，更适0特殊的运算，如数7滤波、卷积和FFT,如 Motorola 公司的 DSP56200, Zoran 公司的 ZR3488E Inmos 公司的 INISA100 等就属 F专 用型DSP芯片。本书主要讨论通用型DSP芯片。DSP总片的选择二设计DSP应用系统，选择DSP芯片是IF常重要的一个环节

26、。只仃选定了 DSP芯片，才能 进一步设计其外用电路及系统的其他电路。总的來说，DSP芯片的选择应根据实际的血用 系统需要而确定.不同的DSP应用系统由于应用场合、应用H的等不尽相同，对DSP芯 片的选择也是不同的。一般来说.选择DSP芯片时应考电到如卜诸多因素。1. DSP芯片的运算速度。运算速度是DSP芯片的一个最重要的性能指标，也是选择DSP 芯片时所石要考虑的一个主要因素。DSP芯片的运算速度对以用以卜儿种性能指标来衡(1)指令周期：即执行一条指令所需的时间.通常以ns (纳秒)为单位。如 TMS320LC549-80在主频为80MHz时的指令周期为12.5ns：MAC时间：即一次乘法

27、加匕一次加法的时间。人部分DSP芯片町在一个指令周期内完 成次乘法和加法操作,如TMS320LC54480的MAC时间就& 12.5ns；(3)FFT执行时间：即运行一个N点FFT程序所需的时间。由于FFT运算涉及的运算在数 字信号处理中很有代表性，因此FFT运算时间常作为衡彊DSP芯片运算能力的一个指 标；NOPS：即每秘执行门力条抬令。如TMS320LC549-80的处理能力为80 MIPS.即何秒 可执行八千力条指令；(5) MOPS：即每秒执行白力次操作。如TMS320C40的运算能力为275 MOPS；MFLOPS：即每秒执行帀力次浮点操作。如TMS32OC31在主频为40MHz时的

28、处理能 力为 40 MFLOPS；(7) BOPS：即每秒执行H乙次操作。如TMS320C80的处理能力为2 BOPS。2. DSF芯片的价格DSP芯片的价格也是选择DSP芯片所岛考虑的一个币:要因素。如果采用价格昂贵的DSP芯片，即使性能再高，其应用范用疔定会受到一定的限制，尤其是 民用产品。I大I此根据实际系统的丿卫用情况.需确定一个价格适屮的DSP芯片。当然.由 T DSP芯片发展迅速，DSP芯片的价格往往卜降较快，因此在开发阶段选用某种价格稍 贵的DSP芯片，等到系统开发完毕其价格可能已经卜降一半共至更多。一 _DSP芯片的映fl變源。丕同的DSP芯片所提供的破件资源是不相冋的，如片内

29、RAM ROM的数比 外部可扩展的程序和数据空间.总线接II. O接II等。即使是同 系列的DSP芯片(如TI的TMS320C54X系列),系列中不同DSF芯片也具有不同的 内部駛件资源，可以适应不同的需要。4, DSP芯片的运灯粘丿般的圧山DSP芯片的I；半为16位I TMS320系列。但仃 的公司的定点芯片为24位，如Motorola公司的N1C56OO1等。浮左芯片-的F：长 傲为3_2 m睪丿hi愿九40 八5. DSP芯片的开发TAo在DSP系统的开发过程中.开发工具是必不可少的。如果没冇开发工真的支持，要想开发 个复杂的DSP系统儿乎是不町能的。如果仃功能强人的开 发丁真的支持如C

30、语言支持，则开发的时间就会大人缩短。所以，在选择DSP芯片的 同时必须注意其开发工具的支持情况，包括软件和硕件的开发工具。6DSP芯片的功好：=某此DgP W用场介,功耗也是一个需要特别注意的问题。如便携 式的DSP设备、手持设备、野外应用的DSP设备等都对功耗有特殊的要求。目前,3.3V 供电的低功耗高速DSP芯片已人量使用。/ 7兀他。除了 I述因索外,选择DSP芯片还威考虑到封装的形式、质最标准、供货情 况、生命周期等。仃的DSP芯片可能仃DIP、PGA、PLCC、PQFP等多种封装形式。 些DSP系统町能最终耍求的是匸业级或军用级标准，在选择时就岛要注意到所选的芯片 是否仃工业级或军用

31、级的同类产品。如杲所设计的DSP系统不仅仅是一个实验系血 是盂耍批盲牛产并町能仃儿年共至十儿年的牛命周期.那么需要考虑所选的DSP芯片供 货情况如何，是否也有同样甚至吐的生型期等。在I逵谥多因索匚般而言 恋DSP坊的价格较便宜功耗较低.但运算精度稍 低。CEDspgKj优点是1亦TOTWc际编程调试方便，但价格稍贵，功耗 也较人。例如TI的TMS320C2XX/C54X系列屈定点DSP芯片，低功耗和低成本是苴主 要的特点。而TMS320C3X/C4X/C67X属J浮点DSP芯片，运算粘度臥川C语肓编程方 便.开发周期短，但同时其价格和功耗也相对较高。DSP应用系统的运算量是确定选用处理能力为多

32、大的DSP芯片的基础。运算盘小则可以 选用处理能力不是很强的DSP芯片从而町以降低系统成本。相反，运算碗人的DSP系 统则必须选用处理能力强的DSP芯片，如果DSP芯片的处理能力达仆到系统耍求,则必 须用多个DSP芯片并行处理。那么仙何确t DSP系统的运徒晴以i先择DSP芯片呢？卜而 我们來考庶两种宿况 丄.按样山孙理所谓按样山孙FI!紺泉DSP tr汰対a 个输入样占循环次。数字波沖献是这种怙况。在 数字滤波器中，通常厉冠对每一个输入样点计算一次。例如，一个采用LMS算法的256 抽头的自适1. FIR滤波器，假定毎个抽头的计算碍嘤3个MAC周期，则256抽头计算盂 要256X3 = 76

33、8个MAC周期。如果采样频率为8kHz,即样点Z间的间隔为125ps, DSP 芯片的MAC周期为20011s,则768个MAC周期需耍153.6ps的时间，显然无法实时处 理,需要选用速度更高的DSP芯片。表L3示出了两种信号带宽对三种DSP芯片的处理 要求,三种DSP芯片的MAC周期分别为200ns. 50ns和25ns。从表中可以看出,对话带 的应用，后两种DSP芯片可以实时实现,对声频应用,只有第三种DSP芯片能够实时处 理。为然.在这个例子中.没冇考虑其他的运算杲。表1.3用DSP芯片实现数宇淀液血用 领域采样半(kHz)采样周期(MS256抽头LMS池波 运第h； QIAC散每样点

34、允许MAC 指令数制造T艺片内程庁ROM （字片内程序EPROM（字）片内 ftclU RAM （字）片外程序（字）TMS32O1O200NMOS1.5K1444KTMS32010-25160NMOS1.5K1444KTMS32010-14280NMOS1.5K1444KTMS32011200NMOS1.5K144TMS320C10200CMOS1.5K1444KTMS32OC1O-25160CMOS1 5K1444KTX1S320C15200CMOS4K2564KTMS32OC15-25160CMOS4K2564KTMS320E15200CMOS4K2564KTX1S320C17200CMO

35、S4K256TMS32OC17-25160CMOS4K256TMS320E17200CMOS4K2562.3.2 TMS320C2X第二代 TMS320 DSP 芯片包括 TMS32020. TMS320C25/E25、TMS320C26 及 TMS320C28。在这些芯片中，TMS32020是一个过渡的产品，其指令周期为200ns,与 TMS32010相当，而其硬件结构则与TMS320C25 一致。在第二代DSP芯片屮.TMS320C25是 个典型的代农，H他芯片都是山TMS320C25派生出来的。其中 TMS320E25将内部4K字的ROM改为EPROM； TNIS320C26去掉了内部的

36、4K字ROM,而将片内RAM增加到1.5K ?： TMS320C28则将内部ROM增加到8K字。由 TNIS320C25的典型性，卜面就讨论TMS320C25的碁本特征和结构。23.2.1 TMS320C25的基本特征指令周期：TMS320C25： 100ns. TMS320C25-33： 120ns, TMS32OC25-5O： 80ns片内掩膜ROM： 4K字片内RAM: 544宇，分B0、B1和B2三块程序和数据空间均为64K字具有8级硕件堆栈、8个辅助帘存器具有全静态双缓冲串行口，可与许多串行器件直接接口与低速片外存储器通信的等待状态插入采用HOLD操作的DMA FFT变换用的比特反转

37、寻址扩展精度算术和自适应滤波支持从外部存储器全速执行的MAC/MACD指令H 旳在餌处理器Z间进行同步的能力，支持幺处理器共享心储器 1.8 mil CMOS 工艺，68 脚 PGA 或 PLCC 封装23.2.2 TMS320C25 的结构TMS320C25是第二代TMS320屮与TMS32020管脚全兼容的CMOS版本，但指令执行速 度是TNIS32020的2倍，且增加了硬件和软件资源。指令集是TMS32010和TMS32020的 超集,在源代码级与它们兼容。此外,在代码级与TMS32020兼容,因此,TMS32020的 程序可不用修改直接在TMS320C25上运行。100ns的拆令周期对

38、提供较强的运算能力。山丁人部分指令在个指令周期内执行，处理 器在1秒内对执行1000力条指令（10RIIPS） o运算能力的增加主耍得益乘累加指令(MAC)和带数据移位的乘累加指令(MACD)、具有专用算术单元的8个辅助寄存器、 适合丁自适应滤波和扩展楕度运算的指令集支持、比特反转寻址、快速的O支持等。 指令集中提供在两个存储空间屮进行数据移动的指令。在外部，程序和数据存储空间在同 一总线上复用，从而使得在尽灵减少芯片引脚的情况卜最人程度地扩人两个空间的地址范 在内部 TMS320C25结构通过保持程序和数据总线结构分离以使指令全速执行来获 得最人的处理能力。芯片内部的程序执行采用三级流水线形

39、式。流水线対用户来说是透明的。但是，在某些情 况卜流水线町能被打断(如跳转指令)，在这种请况厂 指令执行时间耍考世流水线必须 清空和匝新填充。两块人的片内RAM在系统设计时提供了很人的灵活性，其中一块既町 配置为程序存储器也町配置为数据存储器。片外64K?的数据空间町口接3址，从而使 DSP算法实现更为方便。片内4K字的掩膜ROM iif用來降低系统成札 若程序不超过4K 字，可使TMS320C25不用扩展片外程序存储器。剩下的64K字程序空间在片外,大量的 程序町在片外存储器中全速运行。程序也町从片外慢速EPROM中装入到片内高速RAM 中全速运行。此外,还有唤件定时器、串行口和数据块搬移功

40、能。卜面介绍TMS320C25的存储器分配、中央算术逻辑单元(CALU)、硬件乘法器、控制 操作、串行LI和I/O接口。1. 存储器分配TMS320C25 J 4K字的片内程序ROM和544字的片内RAM RAM分为三块:B0 Bl、B2。苴中，B0块(256字)既可配置为数据存储器(用CNFD指令)，也可配置为 程序存储器(用CNFP指令)。其余288字(B1和B2块)只能是数据心储器。544字的 片内RAM nJ使C25能处理512字的数据阵列，如可进行256点复数FFT运算，且尚冇 32字用作屮间结果的皆仏TMS320C25提供片外町直接寻址的程序和数据空间各64K 字。寄心器组包含8个

41、辅助寄存器(AR0AR7),它们可用作数据存储器的间接寻址和暂 存，从而增加芯片的灵活性和效率。这些寄存器既可用指令直接寻址，也可用3比特的辅 助寄存器指针(ARP)间接寻址。辅助寄存器和ARP既可从数据存储器装数,也可装入 立即数。寄存器的内容也可存入数据存储器屮。辅助寄存器组与辅助寄存器算术单元(ARAU)相连接，用ARAU访问信息表无 CALU参与地址操作，这样町让CALU进 行其他操作。2. 屮央算术逻辑单元CALU包含一个16位的定标移位器(Scaling), 一个16X16位的并行乘法器,一个32 位的累加器和一个32位的算术逻输单元(ALU) o移位器根据指令要求提供0到16位的

42、 数据左移。累加器和乘法器输出端的移位器适介数值的归一化、比特提取、扩展粘度算 术和溢出保护。典型的ALU指令实现包含以卜三步：(1) 数据在数据总线上从RAM屮获取；数据移交给完成算术运算的泄标移位器和ALU：(3)结果送回累加器。32位累加器可分为2个16位以进行数据存储:SACH (高16位)和ACCL (低16 位)O累加器有一个进位位可方便加法和减法的多精度运算。3. 硬件乘法器TMS320C25 JT仃一个16X16位的破件乘法器，它能在一个指令周期内计算一个32位乘 枳。何两个寄存器与乘法器相关：16位暂存寄存器TR.用保存乘法器的一个操作 数：32位乘积寄存器PR,用丁保存乘积

43、。乘积寄存器的输出町左移1位或4位.这对实现小数算术运算或调整小数乘枳很白用。 PR的输出也可右移6位,这样可连续执行128次乘/加而无溢出。无符号乘(MPYU)指 令可方便扩展精度乘法。4. O接口I/O空间由16个输入口和16个输出I 1组成。这些I I叮提供全16位并行I/O接口。输入 (IN)和输出(OUT)操作典型的是2个周期，但若用巫复指令，町变成单周期指令。O器件映射到I/O地址空间，苴方式与存储器映射方式和同。与不同速度的存储器或LO器竹接I I采川READY线完成。TMS320C25也支持外部程序/数据存储器的DMA.苴他处理器通过置HOLD为低后可完 全控制TMS320C2

44、5的外部存储器，使C25将H地址、数据和控制线呈高阻状态。外部处 理器和C25的通信可通过屮断來完成。TMS320C25芯片提供两种DMA方式，一种是加 上HOLD后停止执行；另一种是C25继续执行，但执行是在片内ROM和RAM屮进行， 这可大大提高性能。2.323TMS320C25 的软件TMS320C25的指令总共有133条，其中97条是单周期指令。在另外36条指令中,21条 包括跳转、调用、返回等，这些指令需晅新装入程序计数器，使执行流水线中断。另外7 条指令是双字和长立即数指令。剩卜的8条指令(IN. OUT, BLKD, BLKP, TBLR, TBLW, MAC, MACD)支持LO操作、存储器Z间的数据交换或提供处理器内部额外的 并行操作，而且这8条指令与重复计数器配介使用时町成为单周期抬令。这主耍利用了处 理器的并行机制，使得复杂的计算可用很少的儿条指令来完成。由于大多数指令用单16位字编码故町在一个周期内完成。存储器寻址方式何三种:直 接寻址