DSP(数字信号处理器)原理及应用绪论
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n 0
N 1
N 1
Discrete Fourier Transform
X (k )
Discrete Cosine Transform
F u
c(u ). f ( x).cos u 2 x 1 2N x 0
27
乘加运算的代码实现-µ P
使 用P C 、通用 的C代码编译器。例
3
本章主要内容及重点
主要内容： 1. 课程介绍 2. DSP基础概念 3. DSP开发系统 4. DSP实例 重点： 1. DSP分类，定点/浮点 2. 微处理器的总线结构 3. DSP开发系统组成
4
1.1 课程介绍
教材 参考书 知识网站 基础知识
5
教材
TMS320X281x DSP原理及C程序 开发
苏奎峰、吕强、常天庆、张
永秀 编著
北京航空航天大学出版社
2008年2月第1版，2010年4月
第3次印刷。
6
主要参考书
苏奎峰，吕强，耿庆峰，陈圣俭 电子工业出版社
万山明 北航出版社
谢青红，张筱荔 电子工业出版社
7
知识网站——电子资料
www.iask.com
29
30
乘加运算的代码实现-DSP
使用DSP硬件平台
以及Ti的C编译器 来实现。
31
32
新概念：数字信号控制器 (DSC)
DSC：以数字信号处理器(DSPs)为内核，片内集
成多种外设的单芯片微型计算机
DSPs的高速运算处理能力、微控制器的丰富外设
接口、增强的中断管理相结合，获得了高效的嵌 入式实时处理和实时控制解决方案
东北大学电气工程及其自动化专业系列规划课程
数字信号处理器（DSP） 原理及应用
张云洲 博士 副教授 zhangyunzhou@mail.neu.edu.com
1
为什么要学习DSP?
一、科学技术发展 1.工程科学进步需要发展数字信号处理
2.计算机技术、微处理技术等发展
二、与本专业密切关系 1.电力电子系统（逆变器、整流器、换流器等） 2.电力系统（微机保护、智能变电站等） 3.工业交流传动（变频调速）
25
特殊的DSP指令
DMOV——延迟操作
LTD ——单周期完成3条指令，含LT、
DMOV、APAC
MACD—— LT、DMOV、MPY、APAC RPTK——重复执行
26
1.2.2 DSP与uP对比
Algorithm Finite Impulse Response Filter Equation
一个浮点数a由两个数m和e来表示：a = m ×
b^e。
在计算机中表示一个浮点数：
尾数部分(定点小数) 阶码部分(定点整数)
或： 数符± 尾数m 阶符± 阶码e
40
定点数
计算机中采用的一种数的表示方法。参
与运算的数的小数点位置固定不变。
定点DSP以成本低见长，浮点DSP以速度
快见长。
曹铁勇编著，电子工业出版社，2000
DSP基础与应用系统设计，王念旭编著，北京航
空航天大学出版社，2001
www.ti.com.cn www.21ic.com
12
基础知识： 计算机芯片的简单分类
微处理器(µ P)
例如：DSPs
微控制器(µ C)
例如：单片机
13
基础知识：微控制器 (µ C)
DSC –Example: Ti C2000系列DSPs,
Freescale MC56F8006
33
DSP选型的考虑因素
系统特点 算法格式：定点或浮点
系统精度
处理速度 功耗 性能价格比 多处理器支持 系统开发难易度
34
补充：数字信号处理的实现方法对比
实现方法 PC机 高级语言 编程 速度 中等 快 慢 应用场合 非嵌入式 非嵌入式 嵌入式 适应性 复杂算法 复杂算法 简单算法 性价比 较好 中等 较好
8
知识网站——论坛a
9
www.hellodsp.com
知识网站——论坛b
http://bbs.eetzone.com/forum-23-1.html
10
知识网站——论坛c
www.61ic.com
11
其它参考书与相关网址
数字信号微处理器的原理与开发，天津大学出版
社，2004
DSP芯片的原理与开发应用（第2版），张雄伟，
PC机＋高 速处理
单片机
硬件＋ 专用指令
汇编语言 编程
通用DSP
专用DSP
专用指令
硬件＋ 专用指令
较快
快
嵌入式
嵌入式
复杂算法
复杂算法
好
中等
35
1.2.3 DSP的优缺点
优点：大规模集成性、 稳定性好 精度高 可编程性 高速性能 可嵌入性 接口和集成方便 缺点：成本较高 高频时钟的高频干扰 功率消耗较大等 DSP技术更新速度快，开发和调试工具不尽完善
不同浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样。有
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MC96002、FUJITSU公司MB86232等。
39
浮点数
浮点数由一个整数或定点数（即尾数）乘以某个
基数（计算机中通常是2）的整数次幂得到。
AD公司的ADSP2101，ADSP2111, ADSP2171,
ADSP21000等系列；Motorola公司的MC56001， MC96002等
43
DSP芯片的发展趋势
系统级集成 DSP与微处理器融合，比如DSC DSP与FPGA融合 可编程DSP是主导产品 更高的运算速度 定点是主流 更多管脚、更密集封装
36
1.2.4 DSP分类
按基础特性： 静态 一致性（兼容性）
按数据格式：
定点（Fixed）
浮点（Floating） 通用
按用途：
专用
37
静态Vs一致性
静态：若在某时钟频率范围内的任何时钟频率
上，DSP芯片都能正常工作，除计算速度有变 化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称 为静态DSP芯片。例如，日本OKI 电气公司的 DSP芯片、TI公司的TMS320C2XX系列芯片属 于这一类。 一致性：若有2种或2种以上的DSP芯片，它们 的指令集和相应的机器代码机管脚结构相互兼 容，则这类DSP芯片称为一致性DSP芯片。例 如，TMS320C54X就属于这一类。
用来实现实时控制的计算机芯片
集成CPU以及输入、输出接口
在嵌入式应用中具有较高的性价比
传统意义上的µ C片内没有硬件乘法器
2种总线结构 (Von Neumann 和Harvard) 广泛应用
于 Microcontrollers
相对而言，运算能力较弱，接口能力较强
14
基础知识：嵌入式系统的发展历程
38
定点Vs浮点
数据以定点格式工作的DSP芯片称为定点DSP。如
TMS320C1X/C2X、C2XX/C5X、C54X/C62XX系列， AD公司ADSP21XX系列，Motolora公司MC56000等。
以浮点格式工作的称为浮点DSP。如AD公司的
ADSP21XXX系列， TMS320C3X/C4X/C8X，Motolora 公司MC96002等。
DSP芯片
是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理 器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理 算法
21
DSPs基本特点
改进的哈佛总线结构：多总线访问机制 流水线操作
专用的硬件乘法器(MPY)
特殊的DSP指令
快速的指令周期
结论：DSPs追求快速、实时的数据处理能力 和数据传输能力。
16
冯· 诺曼（Van Neuman）结构
控制命令 程序存储器 地址线
CPUቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
数据存储器
数据线
17
哈佛结构
控制命令 地址线 程序总线 程序存储器
CPU
控制命令 地址线 数据总线
数据存储器
18
哈佛Vs冯· 诺曼，及改进的哈佛结构
哈佛结构：独立空间，双总线，数据的吞吐率提高一倍。 冯· 诺曼：同一存储器，统一编址，数据吞吐率低。 改进的哈佛结构：
41
通用Vs专用
按照DSP的用途来分，可分为通用型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芯片是为特定的DSP运算而设计的，
更适合特殊的运算，如数字滤波、卷积和FFT， 如Motorola公司的DSP56200，Zoran公司的 ZR34881等。
如Visual Studio
Net实现，代码实 例。
28
µP——6个基本操作
CPU将要执行的操作?
1. 设置指针1指向data[0] 2. 设置指针2指向coeff[0] 3. 读data[i] 到内核 4. 读coeff[i] 到内核 5. MPY data[i]*coeff[i] 6. 做加法运算 7. 修改指针1 8. 修改指针2 9. 自增; 10. 如果i<3 , 返回第三步重复执行 3到8 被称作“6 Basic Operations of a DSP” DSP能够单周期执行完这6个基本操作
DSP概念
基本特点
DSP与uP对比
DSP发展简介
主要应用领域
20
1.2.1 DSP的一般概念
数字信号处理（Digital Signal Processing）
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
数字信号处理器（Digital Signal Processor）
4.生活
…
2
主要内容
第01章 绪论 第02章 CCS软件应用基础 第03章 C/C++程序编写基础 第04章 TMS320X28xx系列DSP综述 第05章 双供电DSP电源设计 第06章 TMS320F2812的时钟及看门狗 第07章 可编程数字量通用I/0 第08章 中断系统及其应用 第09章 事件管理器及其应用 第10章 SPI接口及其应用 第11章 eCAN总线及其应用 第12章 SCI接口应用 第13章 A/D转换单元 第14章 存储器应用及Boot引导模式 第15章 交、直流电机的DSP控制 第16章 电力电子系统的DSP控制 第17章 DSP与Matlab联合应用 第18章 DSP2812指令系统
y ( n)
a
k 0
M k 0
M
k
x(n k )
Infinite Impulse Response Filter
y ( n)
a
N k 0
k
x ( n k )
b y (n k )
k k 1
N
Convolution
y ( n)
x ( k ) h( n k ) x(n) exp[ j(2 / N )nk]
为提高运行速度和灵活性，TMS320 系列DSP 芯片在基本哈 佛结构的基础上作了改进：
(1)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； (2) 指令存储在高速缓冲器Cache中，当执行此指令时，不 需再从存储器中读取指令，节约一个指令周期的时间。
19
1.2 DSP基础
架构方式： 单片机＋逻辑电路 单片机＋CPLD DSP＋CPLD 单片机＋DSP＋CPLD FPGA＋DSP ASIC SOIC
15
基础知识：µ C--总线结构 P/µ
2种基本的总线结构: Von Neumann- 冯.诺依曼 Harvard – 哈弗 Von Neumann: 数据、代码共享内存空间 数据、代码共享内存总线 Example: Intel‘s x86 Pentium Processor family Harvard: 数据、代码独立存储空间 数据、代码独立存储总线 Example: TMS320F系列DSP
22
流水线
流水线深度从2~6级不等
多个指令重叠进行，理想情况下，K 段流水能
在 K+N-1个周期内，处理 N 条指令
23
多级流水线
24
专用的硬件乘法器
在通用的微处理器中，乘法指令是由一
系列加法来实现的，故需许多个指令周 期来完成
DSP具有专用的硬件乘法器，乘法可在一
个指令周期内完成
42
1.2.5 DSP芯片的发展历史
世界上第一个单片 DSP 芯片应当是1978年 AMI
公司发布的 S2811
1980 年，日本 NEC 公司推出的μPD7720是第
一个具有乘法器的商用 DSP 芯片
美国德州仪器（Texas Instruments）公司为世
界上最大的 DSP 芯片供应商，其DSP市场份额 占全世界份额近 50％。
N 1
N 1
Discrete Fourier Transform
X (k )
Discrete Cosine Transform
F u
c(u ). f ( x).cos u 2 x 1 2N x 0
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乘加运算的代码实现-µ P
使 用P C 、通用 的C代码编译器。例
3
本章主要内容及重点
主要内容： 1. 课程介绍 2. DSP基础概念 3. DSP开发系统 4. DSP实例 重点： 1. DSP分类，定点/浮点 2. 微处理器的总线结构 3. DSP开发系统组成
4
1.1 课程介绍
教材 参考书 知识网站 基础知识
5
教材
TMS320X281x DSP原理及C程序 开发
苏奎峰、吕强、常天庆、张
永秀 编著
北京航空航天大学出版社
2008年2月第1版，2010年4月
第3次印刷。
6
主要参考书
苏奎峰，吕强，耿庆峰，陈圣俭 电子工业出版社
万山明 北航出版社
谢青红，张筱荔 电子工业出版社
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知识网站——电子资料
www.iask.com
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30
乘加运算的代码实现-DSP
使用DSP硬件平台
以及Ti的C编译器 来实现。
31
32
新概念：数字信号控制器 (DSC)
DSC：以数字信号处理器(DSPs)为内核，片内集
成多种外设的单芯片微型计算机
DSPs的高速运算处理能力、微控制器的丰富外设
接口、增强的中断管理相结合，获得了高效的嵌 入式实时处理和实时控制解决方案
东北大学电气工程及其自动化专业系列规划课程
数字信号处理器（DSP） 原理及应用
张云洲 博士 副教授 zhangyunzhou@mail.neu.edu.com
1
为什么要学习DSP?
一、科学技术发展 1.工程科学进步需要发展数字信号处理
2.计算机技术、微处理技术等发展
二、与本专业密切关系 1.电力电子系统（逆变器、整流器、换流器等） 2.电力系统（微机保护、智能变电站等） 3.工业交流传动（变频调速）
25
特殊的DSP指令
DMOV——延迟操作
LTD ——单周期完成3条指令，含LT、
DMOV、APAC
MACD—— LT、DMOV、MPY、APAC RPTK——重复执行
26
1.2.2 DSP与uP对比
Algorithm Finite Impulse Response Filter Equation
一个浮点数a由两个数m和e来表示：a = m ×
b^e。
在计算机中表示一个浮点数：
尾数部分(定点小数) 阶码部分(定点整数)
或： 数符± 尾数m 阶符± 阶码e
40
定点数
计算机中采用的一种数的表示方法。参
与运算的数的小数点位置固定不变。
定点DSP以成本低见长，浮点DSP以速度
快见长。
曹铁勇编著，电子工业出版社，2000
DSP基础与应用系统设计，王念旭编著，北京航
空航天大学出版社，2001
www.ti.com.cn www.21ic.com
12
基础知识： 计算机芯片的简单分类
微处理器(µ P)
例如：DSPs
微控制器(µ C)
例如：单片机
13
基础知识：微控制器 (µ C)
DSC –Example: Ti C2000系列DSPs,
Freescale MC56F8006
33
DSP选型的考虑因素
系统特点 算法格式：定点或浮点
系统精度
处理速度 功耗 性能价格比 多处理器支持 系统开发难易度
34
补充：数字信号处理的实现方法对比
实现方法 PC机 高级语言 编程 速度 中等 快 慢 应用场合 非嵌入式 非嵌入式 嵌入式 适应性 复杂算法 复杂算法 简单算法 性价比 较好 中等 较好
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知识网站——论坛a
9
www.hellodsp.com
知识网站——论坛b
http://bbs.eetzone.com/forum-23-1.html
10
知识网站——论坛c
www.61ic.com
11
其它参考书与相关网址
数字信号微处理器的原理与开发，天津大学出版
社，2004
DSP芯片的原理与开发应用（第2版），张雄伟，
PC机＋高 速处理
单片机
硬件＋ 专用指令
汇编语言 编程
通用DSP
专用DSP
专用指令
硬件＋ 专用指令
较快
快
嵌入式
嵌入式
复杂算法
复杂算法
好
中等
35
1.2.3 DSP的优缺点
优点：大规模集成性、 稳定性好 精度高 可编程性 高速性能 可嵌入性 接口和集成方便 缺点：成本较高 高频时钟的高频干扰 功率消耗较大等 DSP技术更新速度快，开发和调试工具不尽完善
不同浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样。有
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MC96002、FUJITSU公司MB86232等。
39
浮点数
浮点数由一个整数或定点数（即尾数）乘以某个
基数（计算机中通常是2）的整数次幂得到。
AD公司的ADSP2101，ADSP2111, ADSP2171,
ADSP21000等系列；Motorola公司的MC56001， MC96002等
43
DSP芯片的发展趋势
系统级集成 DSP与微处理器融合，比如DSC DSP与FPGA融合 可编程DSP是主导产品 更高的运算速度 定点是主流 更多管脚、更密集封装
36
1.2.4 DSP分类
按基础特性： 静态 一致性（兼容性）
按数据格式：
定点（Fixed）
浮点（Floating） 通用
按用途：
专用
37
静态Vs一致性
静态：若在某时钟频率范围内的任何时钟频率
上，DSP芯片都能正常工作，除计算速度有变 化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称 为静态DSP芯片。例如，日本OKI 电气公司的 DSP芯片、TI公司的TMS320C2XX系列芯片属 于这一类。 一致性：若有2种或2种以上的DSP芯片，它们 的指令集和相应的机器代码机管脚结构相互兼 容，则这类DSP芯片称为一致性DSP芯片。例 如，TMS320C54X就属于这一类。
用来实现实时控制的计算机芯片
集成CPU以及输入、输出接口
在嵌入式应用中具有较高的性价比
传统意义上的µ C片内没有硬件乘法器
2种总线结构 (Von Neumann 和Harvard) 广泛应用
于 Microcontrollers
相对而言，运算能力较弱，接口能力较强
14
基础知识：嵌入式系统的发展历程
38
定点Vs浮点
数据以定点格式工作的DSP芯片称为定点DSP。如
TMS320C1X/C2X、C2XX/C5X、C54X/C62XX系列， AD公司ADSP21XX系列，Motolora公司MC56000等。
以浮点格式工作的称为浮点DSP。如AD公司的
ADSP21XXX系列， TMS320C3X/C4X/C8X，Motolora 公司MC96002等。
DSP芯片
是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理 器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理 算法
21
DSPs基本特点
改进的哈佛总线结构：多总线访问机制 流水线操作
专用的硬件乘法器(MPY)
特殊的DSP指令
快速的指令周期
结论：DSPs追求快速、实时的数据处理能力 和数据传输能力。
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冯· 诺曼（Van Neuman）结构
控制命令 程序存储器 地址线
CPUቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
数据存储器
数据线
17
哈佛结构
控制命令 地址线 程序总线 程序存储器
CPU
控制命令 地址线 数据总线
数据存储器
18
哈佛Vs冯· 诺曼，及改进的哈佛结构
哈佛结构：独立空间，双总线，数据的吞吐率提高一倍。 冯· 诺曼：同一存储器，统一编址，数据吞吐率低。 改进的哈佛结构：
41
通用Vs专用
按照DSP的用途来分，可分为通用型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芯片是为特定的DSP运算而设计的，
更适合特殊的运算，如数字滤波、卷积和FFT， 如Motorola公司的DSP56200，Zoran公司的 ZR34881等。
如Visual Studio
Net实现，代码实 例。
28
µP——6个基本操作
CPU将要执行的操作?
1. 设置指针1指向data[0] 2. 设置指针2指向coeff[0] 3. 读data[i] 到内核 4. 读coeff[i] 到内核 5. MPY data[i]*coeff[i] 6. 做加法运算 7. 修改指针1 8. 修改指针2 9. 自增; 10. 如果i<3 , 返回第三步重复执行 3到8 被称作“6 Basic Operations of a DSP” DSP能够单周期执行完这6个基本操作
DSP概念
基本特点
DSP与uP对比
DSP发展简介
主要应用领域
20
1.2.1 DSP的一般概念
数字信号处理（Digital Signal Processing）
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
数字信号处理器（Digital Signal Processor）
4.生活
…
2
主要内容
第01章 绪论 第02章 CCS软件应用基础 第03章 C/C++程序编写基础 第04章 TMS320X28xx系列DSP综述 第05章 双供电DSP电源设计 第06章 TMS320F2812的时钟及看门狗 第07章 可编程数字量通用I/0 第08章 中断系统及其应用 第09章 事件管理器及其应用 第10章 SPI接口及其应用 第11章 eCAN总线及其应用 第12章 SCI接口应用 第13章 A/D转换单元 第14章 存储器应用及Boot引导模式 第15章 交、直流电机的DSP控制 第16章 电力电子系统的DSP控制 第17章 DSP与Matlab联合应用 第18章 DSP2812指令系统
y ( n)
a
k 0
M k 0
M
k
x(n k )
Infinite Impulse Response Filter
y ( n)
a
N k 0
k
x ( n k )
b y (n k )
k k 1
N
Convolution
y ( n)
x ( k ) h( n k ) x(n) exp[ j(2 / N )nk]
为提高运行速度和灵活性，TMS320 系列DSP 芯片在基本哈 佛结构的基础上作了改进：
(1)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； (2) 指令存储在高速缓冲器Cache中，当执行此指令时，不 需再从存储器中读取指令，节约一个指令周期的时间。
19
1.2 DSP基础
架构方式： 单片机＋逻辑电路 单片机＋CPLD DSP＋CPLD 单片机＋DSP＋CPLD FPGA＋DSP ASIC SOIC
15
基础知识：µ C--总线结构 P/µ
2种基本的总线结构: Von Neumann- 冯.诺依曼 Harvard – 哈弗 Von Neumann: 数据、代码共享内存空间 数据、代码共享内存总线 Example: Intel‘s x86 Pentium Processor family Harvard: 数据、代码独立存储空间 数据、代码独立存储总线 Example: TMS320F系列DSP
22
流水线
流水线深度从2~6级不等
多个指令重叠进行，理想情况下，K 段流水能
在 K+N-1个周期内，处理 N 条指令
23
多级流水线
24
专用的硬件乘法器
在通用的微处理器中，乘法指令是由一
系列加法来实现的，故需许多个指令周 期来完成
DSP具有专用的硬件乘法器，乘法可在一
个指令周期内完成
42
1.2.5 DSP芯片的发展历史
世界上第一个单片 DSP 芯片应当是1978年 AMI
公司发布的 S2811
1980 年，日本 NEC 公司推出的μPD7720是第
一个具有乘法器的商用 DSP 芯片
美国德州仪器（Texas Instruments）公司为世
界上最大的 DSP 芯片供应商，其DSP市场份额 占全世界份额近 50％。