电子教案《数字信号处理》(第2版_陈树新)第7章 数字信号处理的硬件实现

(2)编程方便。系统中的可编程芯片可使设计人员 在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。
(3)稳定性好。系统以数字处理为基础，与模拟系 统相比受环境温度以噪声的影响较小，可靠性高。
(4)可重复性好。数字系统便于测试、调试和大规 模生产。
(5)集成方便。系统中的数字部件具有高度的规范
性，便于大规模集成。
1980年，NEC公司推出的μPD7720成为第一个具 有乘法器电路的商用DSP芯片。
1982年，日本的Hitachi 公司推出第一个采用 CMOS工艺生产浮点DSP芯片。
在DSP芯片市场中，最成功的是美国德克萨斯仪
器公司（Texas Instruments，简称TI）。
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TI公司从1982年推出其产品： 第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品包括 TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等； 第二代，TMS32020、TMS320C25/C26/C28等； 第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32； 第四代DSP芯片TMS320C40/C44； 第五代DSP芯片TMS320C50/C51/C52/C53以及集 多个DSP于一体的高性能DSP芯片TMS320C80/C82等。 目前TI公司常用的DSP芯片为以下三大系列，即 TMS320C2000，TMS320C5000；TMS320C6000。
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7.1 DSP技术的概念及其发展
7.1.1 DSP系统的基本概念
典型的实时信号处理系统
抗混
输
叠带
入
限滤
波器
பைடு நூலகம்
A/D
DSP 芯片
D/A
平滑
滤波
输
器
出
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DSP系统的优越性主要表现在以下几个方面：
(1)接口方便。系统接口与其它数字系统或设备的 接口是相互兼容的，这样便于信息的交换与传输。
(3)设计DSP系统，DSP系统的设计包括硬件设 计和软件设计两个方面。
硬件设计选择合适的DSP芯片，然后设计DSP 芯片的外围电路及其它电路。
软件设计和编程 。
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7.1.2 DSP芯片的选择
一般来说，选择DSP芯片时考虑以下诸多因素。 1、 DSP芯片的运算速度 DSP芯片的运算速度可以用以下几种性能指标来 衡量： (1)指令周期。就是执行一条指令所需要的时间， 通常以ns为单位。 (2) MAC时间。即一次乘法和一次加法的时间。 (3) FFT执行时间。
目前使用的DSP芯片都采用了改进的哈佛结构。
程序存储器
数据存储器
程序/数据存储器
数据存储器
程序高速 缓冲器
(a)
程序 存储器
数据 存储器
程序/数 据存储器
(b)
数据 存储器
数据 存储器
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7.2.2 硬件乘法器和特殊的DSP指令
考虑到数字信号处理算法中存在着大量的乘加
1、C编译器的主要特点
(1)完全符合ANSI C标准。
(2)编译器软件包内带有一个完整的运行支持库。
(3)该编译器能够作高水平的优化，使用多种先进
技术实现从C源代码到高效汇编代码的转换。
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(4)归档器公用程序(Archiver Utility)，将文件归 入单一的文档或库中，可以对库作文件的添加、删 除、替换，也可以将目标文件库作为连接器的输入。
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7.3.3 TMS320C6000系列DSP
该系列是TI公司从1997年开始推出的新型DSP系 列。采用TI的专利技术VeloiTI、VeloiTI2和新的超长 指令字(VLIW)结构，使该系列DSP的性能达到很高 的水平。该系列的第一款芯片C6201，在200 MHz钟 频时，达到1600MIPS。而2000年以后推出的C64x， 在钟频1.1GHz时，可以达到8800MIPS以上，即每秒 执行近90亿个指令。在钟频提高的同时，VeloiTI和 VeloiTI2充分利用结构上的并行性，可以在每个周期 内完成更多的工作。
本章将以TI公司的TMS320系列DSP芯片为例， 简要介绍目前使用得比较广泛的开发环境和工具。
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Macro Source
files
Archiver
Macro Library
Archiver
Library of Object files
C Source files
C Compiler
TMS320 DSP
Simulator
XDS Emuletor with Debugger
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7.4.1 C编译器
TI公司为TMS320系列DSP芯片提供了系列的C 编译器。这些标准C编译器，可以将标准C语言源文 件编译成为相应芯片种类的汇编语言源代码文件，进 而汇编和连接，产生可执行的目标文件。
第7章 数字信号处理的硬件实现
7.1 DSP技术的概念及其发展 7.2 DSP处理器的主要结构特点 7.3 TI系列DSP 7.4 DSP的开发环境
数字信号处理技术主要实现途径：
1、信号处理软件包 缺点是软件实时处理较差，因此，多用于教学与 科研当中。 2、专用的数字信号处理机 方便、经济，但是它的灵活性和适应性都较差。 3、采用单片信号处理器(Chip Digital Signal Processor通常简称为DSP) 把设计师的精力从繁杂的布线和烦琐的调试等硬 件设计中转向软件设计。
1、TMS320C54x系列DSP
TMS320C54x系列DSP适应远程通信等实时嵌入 式应用的需要，具有很好的操作灵活性和很高的运 行速度。
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2、TMS320C55x系列DSP
C55x是从C54x发展起来的，并与之原代码兼容， 以便保护用户在C54x上的投资。C55x工作在0.9V时， 功耗低至0.005mW/MIPS。工作在400MHz钟频时， 可达800MIPS。与120MHz的C54x相比，300 MHs 的C55x性能提高5倍，功耗降为1/6。因此，C55x非 常适合个人的和便携式的应用，以及数字通信设施 的应用。
3、DSP芯片的硬件资源
主要包括：片内RAM和ROM的数量，外部可扩 展的程序和数据空间，总线接口，I/O接口等。
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4、DSP芯片的运算精度
定点DSP芯片的字长为16位或32位，浮点芯片 的字长一般为32位，累加器为40位。
5、DSP芯片的开发工具
在选择DSP芯片的同时必须注意其开发工具的 支持情况，包括软件和硬件的开发工具。
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(4) MIPS。即每秒执行百万条指令。 (5) MOPS。即每秒执行百万次操作。 (6) MFLOPS。即每秒执行百万次浮点操作。 (7) BOPS。即每秒执行十亿次操作。 2、DSP芯片的价格 开发阶段选用某种价格稍贵的DSP芯片，等到系 统开发完毕，其价格可能已经下降一倍甚至更多。
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7.2 DSP处理器的主要结构特点
7.2.1 哈佛结构
冯·诺曼结构将指令、数据、地址存储在同一存 储器中，统一进行编址，靠指令计数器提供的地址来 区别取出的是数据、地址还是指令。
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哈佛结构则将数据和程序分别存储在不同的存储 器当中，即程序存储器(PM)，数据存储器(DM)，它们 各自独立单独编址，独立访问。与此相对应，系统中 还设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据 的吞吐率提高了一倍。
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7.3.1 TMS320C2000系列DSP
TMS320C2000系列DSP控制器，具有很好的性 能，集成了Flash存储器、高速A/D转换器，以及可 靠CAN模块，主要应用于数字化的控制系统当中。
1、TMS320C24x系列DSP
TMS320C24x系列所达到的20MIPs，可以应用 自适应控制、Kalman滤波、状态控制等先进的控制 算法，C24x与早先的C2x系列原代码兼容，向上与 C5x的原代码兼容。
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(7)可以生成多种列表文件；
(8)用户可以使用C编译器软件包所提供的建库 公用程序(Library-Build Utility)，通过不同的选择 来建立自己运行支持库；
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DSP系统的设计的一般过程如图
DSP应用 定义系统性能指标
DSP芯片选择
软件编程 软件调试
硬件设计 硬件调试
系统集成
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系统调试与测试
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针对上图个部分处理的过程
(1)根据应用系统的目标确定系统的性能指标， 以及信号处理的要求。
(2)根据系统的要求进行高级语言的模拟，通常 使用C语言或MATLAB语言。
运算，因而几乎所有的DSP芯片都设置了硬件乘法
器，以及相应的MAC(乘法并累加)一类的指令。
N 1
yn hm xn m
例如利用TMS3m200 10实现上式给出的FIR滤波器，
每个抽头需要重复执行下属指令256次：
LT
；装乘数到T寄存器
DMOV ；在存储器中移动数据以实现延迟
MPY ；相乘
APAC ；将乘法结果加到ACC中
6、DSP 芯片的功耗
在某些DSP应用场合，功耗也是一个需要特别 注意的问题。
7、其他
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7.1.3 DSP发展
1978年，AMI公司研发世界上第一个单片DSP芯 片是研制的S2811；
1979年Intel公司，展示的商用可编程器件 Intel2920成为DSP芯片发展的一个重要的里程碑；
Assembler Source
Assembler
COFF Object files
Linker
Runtime Library
EVM with Debugger
Hex Conversion
Utility
Executable COFF files
EPROM Programmer
Absolute lister
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1、应用领域 （1）通信信号处理；（2）图像视频多媒体 2、硬件结构 3、TMS320C62x和TMS 320C64x 4．TMS320C67x 5、DM64x数字媒体处理器
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7.4 DSP的开发环境
对于DSP工程师来说，除了需要熟悉和掌握DSP 本身的结构和技术指标，而且还需要学习使用其开发 工具和环境。下图给出了一个DSP的软件开发流程图。
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如果是第二代DSP芯片TMS320C25每个抽头的 运算时间将条降为1条，即：
RPT 255 ；重复执行下条指令256次 MACD ；LT、DMOV、MPY和APAC
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7.2.3 指令系统的多级流水线
与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用指令流水 线以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理 能力。 TMS320系列处理器的流水线深度从二到四 级不等。下面是一个三级流水线操作的例子。
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2、TMS320C28x系列DSP
TMS320C28x是高性能32bit定点DSP。它和 C27x原代码和目标代码兼容。凡是使用C2xLP CPU 编写的代码，都可以重新编译后在C28x上运行。
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7.3.2 TMS320C5000系列DSP
C5000是16bit定点DSP系列，当前广泛使用的主 流为TMS320C54X系列芯片，以及TI较晚推出的 TMS320C55X系列芯片。其主要应用目标是手持通 信系统，例如，手机、PDA和GPS SOHO(小型办公 室和家庭办公室)的语音和数据系统等。
CLKOUT1
取指 译码 寻址 取数 运算 存储 取指 译码 寻址 取数 运算 存储 取指 译码 寻址 取数 运算 存储
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7.2.4 其它特点
1、独立直接存储器访问(DMA)总线及其控制器 2、数据地址发生器(DAG) 3、丰富的外设
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7.3 TI系列DSP
在TI公司提供的产品系列当中，使用较为广泛的 定点DSP芯片有三大系列，即用于数字控制系统的 TMS320C2000系列产品，用于功耗低、便携式的无 线通信终端的TMS320C5000系列产品，以及高性能 32位的TMS320C62XX等系列的产品。
(5)公用目标文件格式(COFF：Common Object File Format)使用户能够在连接时定义自己系统的存 储器映射，将C源代码和数据连接到特定的存储区 域，从而最大限度地改善其性能。
(6)该编译器包内有一个外壳程序只用一个命令， 就可以编译、汇编和连接，直接从C源文件产生可 执行的COFF文件。