1第一章 数字信号处理和DSP系统

1.4 德州仪器公司的DSP产品
实验实训中心
德州仪器公司主推的三大DSP平台
TMS320C2000™
TMS320C5000™
TMS320C6000™
Most ControlOptimized
DSPs in the World
LowestPower/MIPS DSPs in the World
HighestPerformance DSPs in the World
如果采用哈佛结构处理器处理以上同样的2条指令，由于取指令和存
取数据分别经由不同的存储空间和不同的总线，使得各条指令可以重叠 执行，这样，也就克服了数据流传输的瓶颈，提高了运算速度。
哈佛结构强调了总的系统速度以及通讯和处理器配置方面的灵活性。
数字信号处理一般需要较大的运算量和较高的运算速度，为了提高数据 吞吐量，在数字信号处理器中大多采用哈佛结构。
FFT执行时间：完成N点FFT所需的时间。FFT运算是数字信号
处理中的典型算法且应用广泛，因此该指标常用于衡量DSP芯片 的运算能力。
1.5 DSP芯片的选择
实验实训中心
算法格式和数据宽度
DSP算法格式主要分为定点算法和浮点算法两种。
定点DSP芯片价格较便宜，功耗较低，但运算精度稍低。
定点DSP芯片的数据宽度可以为16位、20位、24位或32位。
利用通用微处理器实现实时数字信号处理
可选范围广
硬件组成简单 系统功耗低，适应环境能力强
优点
信号处理的效率较低 内部DMA通道较少
缺点
1.1 实时数字信号处理技术的发展
实验实训中心
利用可编程逻辑阵列（FPGA）实现实时数字信号处理
适合高速信号处理 具有专用数字信号处理结构
优点
开发需要较深的硬件基础 调试难度相对大
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1.3 数字信号处理器的特点
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存储器结构
存储器结构分为两大类 冯·诺依曼（Von Neumann）结构 哈佛（Harvard）结构
CPU
Memory PC
CPU
Data
冯·诺依曼结构—处理器使用同一个存储器，经由同一个总线传
输。特点为：必须有一个存储器；必须有一个控制器；必须有一个 运算器，用于完成算术运算和逻辑运算；必须有输入和输出设备， 用于进行人机通信。
数字信号处理器
¾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，实现对信号的某种处理。
¾数字信号处理器是一种专门为实时、快速实现各种数字信号
处理算法而设计的具有特殊结构的微处理器
我们所学习与研究的是属于这一层概念，所涉及内容为如何
利用DSP芯片进行数字信号的处理。研究的内容为DSP芯片的结
1.3 数字信号处理器的特点 存储器结构
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实用哈佛（Harvard）结构
地址总线
CPU
操作数 存储器
程序存 储器
数据总线
使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模
块都不允许指令和数据并存，以便实现并行处理；
具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用公用地址
总线访问两个存储模块（程序存储模块和数据存储模块），公用数 据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数 据传输；
理器时钟频率以降低功耗。
外围控制——一些DSP器件允许程序中止系统暂时不使用的外
围电路功能。
1.6 DSP应用系统设计流程
确定系统性能指标
核心算法模拟和验证
选择DSP芯片及其系统组件
硬件设计和调试
软件设计和测试
系统测试、集成、样例生产
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1.6 DSP应用系统设计流程
实验实训中心
确定系统性能指标——根据应用目标对系统进行任务划分，进行采样
1.3 数字信号处理器的特点
实验实训中心
硬件乘法累加单元
DSP任务包含大量的乘法累加操作，DSP处理器使用专门的硬件来实
现单周期乘法，并使用累加器寄存器来处理多个乘积的累加。
零开销循环
DSP算法的特点之一是主要的处理时间用在程序中的循环结构中，
因此多数DSP都有专门支持循环结构的硬件。所谓“零开销”（Zero Overhead）是指循环计数、条件转移等循环机制由专门硬件控制，而 处理器不用花费任何时间。
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DSP实习创新设计
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gcsxzx.hbut.edu.cn
推荐教材及学习网站 实验实训中心
推荐教材
《TMS320C55X 系列DSP 指令系统、开发工具与编程指南》 译：李海森 清华大学出版社
《TMS320C55X DSP 原理及应用》 主编：汪春梅 电子工业出版社
学习网站
www.ti.com www.ti.com.cn www.seeddsp.com www.61ic.com
实验实训中心
程序存 储器
CPU
操作数 存储器
与冯·诺依曼结构处理器比较，哈佛结构处理器有两个明显的特点
1、使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储
模块都不允许指令和数据并存。
2、使用独立的两条并行总线，分别作为CPU与每个存储器之间的
专用通信路径，而这两条并行总线之间毫无关联。
改进之后的哈佛结构（Modified Harvard）
构和特点，如何通过程序编写，实现对数字信号的处理。
1.2 数字信号处理器的应用
目前DSP系统的主要应用
基本信号处理 —滤波器 、FFT 、窗函数等 通信—调制解调 、数据加密 、多路复用等 语音—语音编码 、合成 、识别、增强等 图形图像—图像压缩、机器人视觉等 军事—雷达信号处理 、导弹制导等 仪器仪表—频谱分析 、锁相环等 控制 —自动驾驶 、磁盘控制等 医疗 —助听、超声设备、患者监护等 家用电器—智能玩具 、数字电话、数字电视等
缺点
1.1 实时数字信号处理技术的发展
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利用数字信号处理器实现实时数字信号处理
DSP的两种含义 Digital Signal Processing
数字信号处理技术
¾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许多领域的新兴学科。
Digital Signal Processor
冯·诺依曼主要贡献是提出并实现了“存储程序”的概念。由于
指令和数据都是二进制码，指令和操作数的地址又密切相关，因此， 最初选择这种结构是自然的。但是，这种指令和数据共享同一总线 的结构，使得信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈，影响了数 据处理速度的提高。
1.3 数字信号处理器的特点 存储器结构 哈佛（Harvard）结构
采用了增强型超长指令字结构，改进了流水线结构，支持32位
或64位宽度存储器访问，最高处理能力已经达到9600MIPS
TMS320C67x系列和C33系列
浮点数字信号处理器系列
TMS320C54x系列和C55x系列
低功耗16位定点数字信号处理器
1.5 DSP芯片的选择
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运算速度（常见运算速度指标）
TI公司网站 TI公司中国网站 合众达公司网站 论坛
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第1章 数字信号处理和DSP系统
肖飞
授课内容
一、实时数字信号处理技术的发展 二、数字信号处理器的应用 三、数字信号处理器的特点 四、德州仪器公司的DSP产品 五、DSP芯片的选择 六、DSP应用系统设计流程 七、DSP软件开发流程
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1.1 实时数字信号处理技术的发展
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典型实时数字信号处理系统的基本部件
A 抗混叠 A
D 数字信 D
A 抗镜像 A
输入 滤波器
ADC
号处理
DAC
滤波器 输出
DAC 数/模转换器（Digital-to-Analog Converter） ADC 模/数转换器（Analog-to-Digital Converter） 抗混叠滤波器 （Anti-aliasing filter） 抗镜像滤波器 （Anti-image filter）
两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。
1.3 数字信号处理器的特点 存储器结构
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分析
时钟
指令1
指令2
取指令 译码 执行 取指令 译码 取执指行令 译码 执行
在典型情况下，完成一条指令需要3个步骤，即：取指令、指令译码
和执行指令。对冯·诺依曼结构处理器，由于取指令和存取数据要从同 一个存储空间存取，经由同一总线传输，因而它们无法重叠执行，只有 一个完成后再进行下一个。
1.3 数字信号处理器的特点
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流水线
流水线结构将指令的执行分解为取指令、译码、取操作数和执行等
几个阶段。
TMS320C54xx DSP 采用6级流水线。 TMS320C6xxx DSP 采用8级流水线。 TMS320C55xx DSP 的流水线分为：
指令流水线。 执行流水线。
C6000
(C62x/64x/67x)
‘C3x ‘C4x ‘C8x
高性能
多通道和多功能应用 电信基础设备 无线基础设备 xDSL 成像处理 多媒体服务器 视频处理
1.4 德州仪器公司的DSP产品
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TMS320C24x系列和C28x系列
主要用于电机控制领域
TMS320C62x系列和C64x系列
浮点DSP芯片的优点是运算精度高，但价格稍贵，功耗较大。
浮点DSP的数据宽度一般为32位。
大多数DSP处理器使用定点算法。
对于相同算法格式的DSP，数据宽度越大，精度越高。但是，数
据宽度与DSP尺寸、引脚数及存储器等有直接关系。数据宽度越宽， DSP尺寸越大，引脚越多，存储器要求也越高。
1.5 DSP芯片的选择
1.4 德州仪器公司的DSP产品
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按照应用领域，DSP器件可以分为三类
应用于工业控制领域：要求DSP工作稳ຫໍສະໝຸດ Baidu、可靠、集成度高。 低成本嵌入式应用系统：如手机、MP3播放器等。 需要用复杂算法对大量数据进行处理的应用：如声呐、地
震探测等。
德州仪器公司的主流DSP产品
TMS320C2x—主要用于控制电机转速（强电） TMS320C5x—主要用于处理声音信息（弱电） TMS320C6x—主要用于处理图像信息（弱电）
1.4 德州仪器公司的DSP产品
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德州仪器公司三大DSP平台常用器件及性能比较
C2000
(C20x/24x/28x)
‘C1x ‘C2x
低成本
控制系统应用 电机控制 存储 数控系统
C5000
(C54x/55x)
‘C5x
高效、低功耗
无线电话 网络音频播放器 数字相机 Modems 电信 VoIP
因为这不仅关系到系统的性能和成本，而且决定着外部存储器、各种接 口、ADC、DAC、电平转换器、电源管理芯片等其它系统组件的选择。
指令周期：执行一条指令所需的最短时间，数值等于主频的倒
数；指令周期常以纳秒（ns）为单位。
MIPS：每秒百万条指令数。
MOPS：每秒百万次操作数。
MFLOPS：每秒百万次浮点操作数。
BOPS：每秒十亿次操作数。
MAC时间：一次乘法累加操作花费的时间。大部分DSP芯片可
在一个指令周期内完成MAC操作。
率、信号通道数、程序大小的确定。
核心算法模拟和验证——用C语言等高级语言或 MATLAB、System
View等开发工具模拟待选的或拟定的信号处理核心算法（Algorithm）， 进行功能验证、性能评价和优化，以确定最佳的信号处理方法。
选择DSP芯片及其系统组件——选择一片合适的DSP芯片是至关重要的，
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存储器
DSP芯片内部都集成一定数量的存储器，并且可以通过外部总
线进行存储器扩展。
DSP内部存储器通常包括Flash存储器、RAM存储器等。 Flash存储器通常用来存储程序及重要的数据，Flash存储器是一
种非易失存储器，系统掉电后还能保留所存储的信息，Flash存储 器的缺点是读写速度较慢。
RAM存储器是DSP中最重要的存储器。
1.5 DSP芯片的选择
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功耗
低工作电压——目前DSP的工作电压有5V、3.3V、2.5V、1.8V
等多种。
“休眠”或“空闲”模式——大多数处理器具有关断处理器部
分时钟的功能以降低功耗。
可编程时钟分频器——有的DSP可以在运行时动态编程改变处
1.1 实时数字信号处理技术的发展
利用X86处理器实现实时数字信号处理
选择范围较宽
主板及外设资源丰富 多种操作系统可供选择
优点
开发、调试较为方便
数字信号处理能力不强
硬件组成较为复杂 系统体积、重量较大，功耗较高
缺点
抗环境影响能力较弱
实验实训中心
1.1 实时数字信号处理技术的发展
实验实训中心