数字信号处理和DSP系统
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实时数字信号处理对数字信号处理系统的处理能力提出 了严格的要求，所有运算、处理都必须小于系统可接受的最 大时延。
2020年3月3日
TMS320C55x DSP原理及应用
11
第1章数字信号处理和DSP系 统
典型实时数字信号处理系统的基本部件包括：抗混叠滤波器 （ Anti-aliasing filter ） 、 模 / 数 转 换 器 （ Analog-to-Digital Converter，ADC）、数字信号处理、数/模转换器（Digital-toAnalog Converter，DAC）和抗镜像滤波器（Anti-image filter ），如图1-1所示。其中，抗混叠滤波器将输入的模拟信号中高 于奈奎斯特频率的频率成分滤掉；ADC将模拟信号转换成DSP 可以处理的并行或串行的数字比特流；数字信号处理部分完成 数字号信处理算法；经过处理的数字信号经DAC转换成为模拟 样值之后，再由抗镜像滤波器完成模拟波形的重建。
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第1章数字信号处理和DSP系 统
X86进行实时信号处理的缺点
（1）数字信号处理能力不强：X86系列处理器没有为数字信号处理 提供专用乘法器等资源，寻址方式也没有为数字信号处理进行优化
，实时信号处理对中断的响应延迟时间要求十分严格，通用操作系 统并不能满足这一要求；
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第1章数字信号处理和DSP系 统
针对这些缺点，当前的发展趋势是在通用处理器中内嵌硬 件数字信号处理单元，如很多视频处理器产品都是在 ARM9处理器中嵌入H.264、MPEG4等硬件视频处理模块， 从而取每得条了指较令好可的通处过理片效内果多；功而能另单一元条完路成径取是指在、单译片码中、集取操 成作A数R和M执处行理等器多和个DS步P处骤理，器实，现类多似条的指产令品的如并德行州执仪行器，的从而在 O不M提A高P处系理统器时及钟最频新率的的达条芬件奇下视减频少处每理条器指，令它的们执就行是时在间一。其 个过芯程片如中图集1.2成.3了所一示个。ARM9处理器和一个C55x处理器或一 个C64x处理器。
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第1章 数字信号处理和DSP系统
内容提要
数字信号处理器诞生之时，没有人预料到它竟能给世界带 来巨大的变化。其应用的广度还是深度方面，都在以前所未有 的速度向前发展。
本章首先对实时数字信号技术的发展进行了介绍，分析了 不同实现方法的优缺点；接着针对可编程数字信号处理器应用 领域、内部结构等特点进行了介绍；之后以德州仪器公司的第 三代产品DSP产品为例，介绍了包括C24x和C28系列，C62x 和C64x系列，C67x和C33系列，低功耗16位定点数字信号处 理器C54x和C55x系列的功能、封装、外设资源等特性。接下 来介绍了选择DSP芯片所要考虑的运算速度、算法格式和数据 宽度、存储器类型功耗、以及开发工具等因素。最后给出了开 发DSP应用系统的设计流程。
（2）硬件组成较为复杂：即使是采用最小系统，X86数字信号处理 系统也要包括主板（包括CPU、总线控制、内存等）、非易失存储 器（硬盘或电子硬盘、SD卡或CF卡）和信号输入/输出部分（这部 分通常为AD扩展卡和DA扩展卡），如果再包括显示、键盘等设备 ，系统将更为复杂；
（3）系统体积、重量较大，功耗较高：即使采用紧凑的PC104结构 ，其尺寸也达到96mm×90mm，而采用各种降低功耗的措施，X86 主板的峰值功耗仍不小于5W，高功耗则对供电提出较高要求，则 需要便携系统提供容量较大的电池，进一步增大了系统的重量；
供了专用的数字信号处理单元，这些单元由专用的乘法累加
器组成，所提供的乘法累加器不仅减少了逻辑资源的使用， 其结构也更加适合实现数字滤波器、FFT等数字信号处理算 法。
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第1章数字信号处理和DSP系
统
使用FPGA的缺点如下。
（1）开发需要较深的硬件基础：无论用VHDL还是
理的中间信号量甚至无法引出进行观察，因此FPGA
的更多工作是通过软件仿真来进行验证的，这就需要
编写全面的测试文件，FPGA的软件测试工作是十分
艰巨的。
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第1章数字信号处理和DSP系 统
4．利用数字信号处理器实时实现数字信号处理 数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）是一种专
2020年3月3日
1.1 实时数字信号处理技术的发展
1.2 数字信号处理器的特点 1.3 德州仪器公司的DSP产品 1.4 DSP芯片的选择
1.5 DSP应用系统设计流程
TMS320C55x DSP原理及应用
9
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
数字信号处理器(Digital Signal Processor)
实现数字信号处理算法的微处理器芯片
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第1章数字信号处理和DSP系 统
1.1 实时数字信号处理技术的发展
20世纪60年代以来，随着信息技术的不断进步，数字信 号处理技术应运而生并得到迅速发展。80年代以前，由于方 法的限制，数字信号处理技术处于理论研究阶段，还得不到 广泛的应用。在此阶段，人们利用通用计算机进行数字滤波 、频谱分析等算法的研究，以及数字信号处理系统的模拟和 仿真。而将数字信号处理技术推向高峰的则是实时数字信号 处理技术的高速发展。
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第1章数字信号处理和DSP系 统
3．利用可编程逻辑阵列（FPGA）进行实时数字信号处理 随着微电子技术的快速发展，FPGA的制作工艺已经进入
到45nm时期，这意味在一片集成电路当中可以集成更多的晶 体管，芯片运行更快，功耗更低。其主要优点如下。
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第1章 数字信号处理和DSP系统
知识要点
实时数字信号处理技术的发展
数字信号处理器的特点 德州仪器公司的DSP产品 DSP芯片的选择 DSP应用系统设计流程
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第1章 数字信号处理和DSP系统
通用微处理器的种类多，包括51系列及其扩展系列，德 州仪器公司的MSP430系列，ARM公司的ARM7、ARM9、 ARM10系列，等等，利用通用微处理器进行信号处理的优 点如下。
(1)可选范围广：通用微处理器种类多，使用者可从速度、 片内存储器容量、片内外设资源等各种角度进行选择，许多 处理器还为执行数字信号处理专门提供了乘法器等资源。 （2）硬件组成简单：只需要非易失存储器，A/D、D/A即可 组成最小系统，这类处理器一般都包括各种串行、并行接口 ，可以方便地与各种A/D、D/A转换器进行连接。 （3）系统功耗低，适应环境能力强。
1．利用X86处理器完成实时数字信号处理 随着CPU技术的不断进步，X86处理器的处理能力不断
发展，基于X86处理器的处理系统已经不仅局限于以往的模 拟和仿真，也能满足部分数字信号的实时处理要求，而各种 便携式或工业标准的推出，如PC104、PC104 Plus结构，以 及CPCI总线标准的应用，这些都改善了X86系统的抗恶劣环 境的性能，扩展了X86系统的应用范围。
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第1章数字信号处理和DSP系 统
利用通用微处理器进行信号处理的缺点如下。 （1）信号处理的效率较低：以一个两个数值乘法为 例，处理器需要先用两条指令从存储器当中取值到 寄存器中，用一条指令完成两个寄存器的值相乘， 再用一条指令将结果存到存储器中，这样，完成一 次乘法就花费了4条指令，使信号处理的效率难以提 高。 （2）内部DMA通道较少：数字信号处理需要对大 量的数据进行搬移，如果这些数据搬移全部通过 CPU进行，将极大的浪费CPU资源，但通用处理器 往往DMA通道数量较少，甚至没有DMA通道，这 也将影响信号处理的效率。
（1）适合高速信号处理：FPGA采用硬件实现数字信号处理 ，更加适合实现高速数字信号处理，对于采样率大于100MHz 的信号，采用专用芯片或FPGA是适当的选择。 （2）具有专用数字信号处理结构：纵观当前最先进的FPGA ，如ALTERA公司的Stratix Ⅱ、Ⅲ系列、Cyclone Ⅱ、Ⅲ系 列，Xilinx公司的Virtex-4、Virtex-5系列都为数字信号处理提
如:TMS320DM270 ARM9+TMS320C5909
TMS320DM355 ARM+协处理器 图像硬压缩MPEG4
TMS320DM375 ARM+协处理器 图像硬压缩MPEG4\H.264
TMS320DM3ห้องสมุดไป่ตู้0 ARM+协处理器 图像硬压缩MPEG4\H.264
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第1章数字信号处理和DSP系 利用X86系统进行实时数字信统号处理有下列优点：
（1）处理器选择范围较宽：X86处理器涵盖了从386到奔腾系 列，处理速度从100MHz到几GHz，而为了满足工控等各种应 用，X86厂商也推出了多款低功耗处理器，其功耗远远小于商 用处理器。 （2）主板及外设资源丰富：无论是普通结构，还是基于PC104 和PC104 Plus结构，以及CPCI总线标准，都有多种主板及扩展 子板可供选择，节省了用户的大量硬件开发时间。 （3）有多种操作系统可供选择：这些操作系统包括Windows 、Linux、Win CE等，而针对特殊应用，还可根据需要对操作 系统进行剪裁，以适应实时数字信号处理要求。 （4）开发、调试较为方便：X86的开发、调试工具十分成熟， 使用者不需要很深的硬件基础，只要能够熟练使用VC、CBuild等开发工具即可进行开发。
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教学要求及目的
《DSP技术及应用》这门课要求掌握： 1。 DSP器件的硬件结构 2。 DSP的指令系统 3。 DSP的软件开发工具 4。 DSP的简单汇编程序设计
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（4）抗环境影响能力较弱：便携系统往往要工作于自然环境当中 ，温度、湿度、振动、电磁干扰等都会给系统正常工作带来影响， 而为了克服这些影响，X86系统所需付出的代价将是十分巨大的。
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第1章数字信号处理和DSP系 统
2．利用通用微处理器完成实时数字信号处理
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第1章数字信号处理和DSP系 统
x(t)
抗混叠 滤波器
A/D x(n) 数字信号 y(n) D/A
转换器
处理器
转换器
低通
滤波器 y(t)
典型实时数字信号处理系统框图
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第1章数字信号处理和DSP系 统
DSP技术及应用
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工欲善其事，必先利其器
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课程性质
➢本课程是一门重要的专业选修课程
要求的前导课程: 微机原理, 单片机原理,
数字信号处理、C语言程序设计。
➢ 本课程是一门实践性、应用性很强的学 科 努力学好课堂知识的同时，更要培养动 手能力。
Verilog HDL语言实现数字信号处理功能都需要较多的
数字电路知识，硬件实现的思想与软件编程有着很大
区别，从软件算法转移到FPGA硬件实现存在着很多
需要克服的困难。
（2）调试困难：对FPGA进行调试与软件调试存在很
大区别，输出的信号需要通过示波器、逻辑分析仪进
行分析，或者利用JTAG端口记录波形文件，而很多处
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第1章数字信号处理和DSP系 统
典型实时数字信号处理系统的基本部件包括：抗混叠滤波器 （ Anti-aliasing filter ） 、 模 / 数 转 换 器 （ Analog-to-Digital Converter，ADC）、数字信号处理、数/模转换器（Digital-toAnalog Converter，DAC）和抗镜像滤波器（Anti-image filter ），如图1-1所示。其中，抗混叠滤波器将输入的模拟信号中高 于奈奎斯特频率的频率成分滤掉；ADC将模拟信号转换成DSP 可以处理的并行或串行的数字比特流；数字信号处理部分完成 数字号信处理算法；经过处理的数字信号经DAC转换成为模拟 样值之后，再由抗镜像滤波器完成模拟波形的重建。
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第1章数字信号处理和DSP系 统
X86进行实时信号处理的缺点
（1）数字信号处理能力不强：X86系列处理器没有为数字信号处理 提供专用乘法器等资源，寻址方式也没有为数字信号处理进行优化
，实时信号处理对中断的响应延迟时间要求十分严格，通用操作系 统并不能满足这一要求；
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第1章数字信号处理和DSP系 统
针对这些缺点，当前的发展趋势是在通用处理器中内嵌硬 件数字信号处理单元，如很多视频处理器产品都是在 ARM9处理器中嵌入H.264、MPEG4等硬件视频处理模块， 从而取每得条了指较令好可的通处过理片效内果多；功而能另单一元条完路成径取是指在、单译片码中、集取操 成作A数R和M执处行理等器多和个DS步P处骤理，器实，现类多似条的指产令品的如并德行州执仪行器，的从而在 O不M提A高P处系理统器时及钟最频新率的的达条芬件奇下视减频少处每理条器指，令它的们执就行是时在间一。其 个过芯程片如中图集1.2成.3了所一示个。ARM9处理器和一个C55x处理器或一 个C64x处理器。
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第1章 数字信号处理和DSP系统
内容提要
数字信号处理器诞生之时，没有人预料到它竟能给世界带 来巨大的变化。其应用的广度还是深度方面，都在以前所未有 的速度向前发展。
本章首先对实时数字信号技术的发展进行了介绍，分析了 不同实现方法的优缺点；接着针对可编程数字信号处理器应用 领域、内部结构等特点进行了介绍；之后以德州仪器公司的第 三代产品DSP产品为例，介绍了包括C24x和C28系列，C62x 和C64x系列，C67x和C33系列，低功耗16位定点数字信号处 理器C54x和C55x系列的功能、封装、外设资源等特性。接下 来介绍了选择DSP芯片所要考虑的运算速度、算法格式和数据 宽度、存储器类型功耗、以及开发工具等因素。最后给出了开 发DSP应用系统的设计流程。
（2）硬件组成较为复杂：即使是采用最小系统，X86数字信号处理 系统也要包括主板（包括CPU、总线控制、内存等）、非易失存储 器（硬盘或电子硬盘、SD卡或CF卡）和信号输入/输出部分（这部 分通常为AD扩展卡和DA扩展卡），如果再包括显示、键盘等设备 ，系统将更为复杂；
（3）系统体积、重量较大，功耗较高：即使采用紧凑的PC104结构 ，其尺寸也达到96mm×90mm，而采用各种降低功耗的措施，X86 主板的峰值功耗仍不小于5W，高功耗则对供电提出较高要求，则 需要便携系统提供容量较大的电池，进一步增大了系统的重量；
供了专用的数字信号处理单元，这些单元由专用的乘法累加
器组成，所提供的乘法累加器不仅减少了逻辑资源的使用， 其结构也更加适合实现数字滤波器、FFT等数字信号处理算 法。
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统
使用FPGA的缺点如下。
（1）开发需要较深的硬件基础：无论用VHDL还是
理的中间信号量甚至无法引出进行观察，因此FPGA
的更多工作是通过软件仿真来进行验证的，这就需要
编写全面的测试文件，FPGA的软件测试工作是十分
艰巨的。
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4．利用数字信号处理器实时实现数字信号处理 数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）是一种专
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1.1 实时数字信号处理技术的发展
1.2 数字信号处理器的特点 1.3 德州仪器公司的DSP产品 1.4 DSP芯片的选择
1.5 DSP应用系统设计流程
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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
数字信号处理器(Digital Signal Processor)
实现数字信号处理算法的微处理器芯片
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第1章数字信号处理和DSP系 统
1.1 实时数字信号处理技术的发展
20世纪60年代以来，随着信息技术的不断进步，数字信 号处理技术应运而生并得到迅速发展。80年代以前，由于方 法的限制，数字信号处理技术处于理论研究阶段，还得不到 广泛的应用。在此阶段，人们利用通用计算机进行数字滤波 、频谱分析等算法的研究，以及数字信号处理系统的模拟和 仿真。而将数字信号处理技术推向高峰的则是实时数字信号 处理技术的高速发展。
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第1章数字信号处理和DSP系 统
3．利用可编程逻辑阵列（FPGA）进行实时数字信号处理 随着微电子技术的快速发展，FPGA的制作工艺已经进入
到45nm时期，这意味在一片集成电路当中可以集成更多的晶 体管，芯片运行更快，功耗更低。其主要优点如下。
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第1章 数字信号处理和DSP系统
知识要点
实时数字信号处理技术的发展
数字信号处理器的特点 德州仪器公司的DSP产品 DSP芯片的选择 DSP应用系统设计流程
2020年3月3日
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第1章 数字信号处理和DSP系统
通用微处理器的种类多，包括51系列及其扩展系列，德 州仪器公司的MSP430系列，ARM公司的ARM7、ARM9、 ARM10系列，等等，利用通用微处理器进行信号处理的优 点如下。
(1)可选范围广：通用微处理器种类多，使用者可从速度、 片内存储器容量、片内外设资源等各种角度进行选择，许多 处理器还为执行数字信号处理专门提供了乘法器等资源。 （2）硬件组成简单：只需要非易失存储器，A/D、D/A即可 组成最小系统，这类处理器一般都包括各种串行、并行接口 ，可以方便地与各种A/D、D/A转换器进行连接。 （3）系统功耗低，适应环境能力强。
1．利用X86处理器完成实时数字信号处理 随着CPU技术的不断进步，X86处理器的处理能力不断
发展，基于X86处理器的处理系统已经不仅局限于以往的模 拟和仿真，也能满足部分数字信号的实时处理要求，而各种 便携式或工业标准的推出，如PC104、PC104 Plus结构，以 及CPCI总线标准的应用，这些都改善了X86系统的抗恶劣环 境的性能，扩展了X86系统的应用范围。
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第1章数字信号处理和DSP系 统
利用通用微处理器进行信号处理的缺点如下。 （1）信号处理的效率较低：以一个两个数值乘法为 例，处理器需要先用两条指令从存储器当中取值到 寄存器中，用一条指令完成两个寄存器的值相乘， 再用一条指令将结果存到存储器中，这样，完成一 次乘法就花费了4条指令，使信号处理的效率难以提 高。 （2）内部DMA通道较少：数字信号处理需要对大 量的数据进行搬移，如果这些数据搬移全部通过 CPU进行，将极大的浪费CPU资源，但通用处理器 往往DMA通道数量较少，甚至没有DMA通道，这 也将影响信号处理的效率。
（1）适合高速信号处理：FPGA采用硬件实现数字信号处理 ，更加适合实现高速数字信号处理，对于采样率大于100MHz 的信号，采用专用芯片或FPGA是适当的选择。 （2）具有专用数字信号处理结构：纵观当前最先进的FPGA ，如ALTERA公司的Stratix Ⅱ、Ⅲ系列、Cyclone Ⅱ、Ⅲ系 列，Xilinx公司的Virtex-4、Virtex-5系列都为数字信号处理提
如:TMS320DM270 ARM9+TMS320C5909
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第1章数字信号处理和DSP系 利用X86系统进行实时数字信统号处理有下列优点：
（1）处理器选择范围较宽：X86处理器涵盖了从386到奔腾系 列，处理速度从100MHz到几GHz，而为了满足工控等各种应 用，X86厂商也推出了多款低功耗处理器，其功耗远远小于商 用处理器。 （2）主板及外设资源丰富：无论是普通结构，还是基于PC104 和PC104 Plus结构，以及CPCI总线标准，都有多种主板及扩展 子板可供选择，节省了用户的大量硬件开发时间。 （3）有多种操作系统可供选择：这些操作系统包括Windows 、Linux、Win CE等，而针对特殊应用，还可根据需要对操作 系统进行剪裁，以适应实时数字信号处理要求。 （4）开发、调试较为方便：X86的开发、调试工具十分成熟， 使用者不需要很深的硬件基础，只要能够熟练使用VC、CBuild等开发工具即可进行开发。
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教学要求及目的
《DSP技术及应用》这门课要求掌握： 1。 DSP器件的硬件结构 2。 DSP的指令系统 3。 DSP的软件开发工具 4。 DSP的简单汇编程序设计
2020年3月3日
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2020年3月3日
（4）抗环境影响能力较弱：便携系统往往要工作于自然环境当中 ，温度、湿度、振动、电磁干扰等都会给系统正常工作带来影响， 而为了克服这些影响，X86系统所需付出的代价将是十分巨大的。
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2．利用通用微处理器完成实时数字信号处理
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x(t)
抗混叠 滤波器
A/D x(n) 数字信号 y(n) D/A
转换器
处理器
转换器
低通
滤波器 y(t)
典型实时数字信号处理系统框图
2020年3月3日
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13
第1章数字信号处理和DSP系 统
DSP技术及应用
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工欲善其事，必先利其器
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课程性质
➢本课程是一门重要的专业选修课程
要求的前导课程: 微机原理, 单片机原理,
数字信号处理、C语言程序设计。
➢ 本课程是一门实践性、应用性很强的学 科 努力学好课堂知识的同时，更要培养动 手能力。
Verilog HDL语言实现数字信号处理功能都需要较多的
数字电路知识，硬件实现的思想与软件编程有着很大
区别，从软件算法转移到FPGA硬件实现存在着很多
需要克服的困难。
（2）调试困难：对FPGA进行调试与软件调试存在很
大区别，输出的信号需要通过示波器、逻辑分析仪进
行分析，或者利用JTAG端口记录波形文件，而很多处