dsp技术原理及应用
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1、数字信号处理的实现方法：
①在通用的计算机上用软件实现。 ②在通用计算机系统上加上专用的加速处理机实现。 ③用通用的单片机实现。 ④用通用的可编程DSP芯片实现。 ⑤用专用的DSP芯片实现。 ⑥用/CPLD/FPGA实现。
2、数字信号处理系统的一般组成
抗混叠 X(t)
滤波
A/D 转换 X(n) DSP 芯片 Y(n) D/A转换
程序地址总线
控制总线
冯
控制总线 存 储 器 指
诺
CPU
令和数据
曼
共用
CPU
程序存储器
数据存储器
基本哈 佛结构
结
构
数据总线
程序数据总线 数据数据总线
程序/数据
数据
程序/数据
数据
高速缓存
改进哈佛 结构
⑵多总线结构 DSP主要特点续
对DSP来说，总线越多，可以完成的功能就越复杂。
⑶流水线结构
时钟 取指
N N+1 N+2 N+3
⑸特殊的DSP指令 DSP主要特点续
在 DSP 的 指 令 系 统 中 ， 设 计 了 一 些 特 殊 的 DSP 指 令 。 例 如 TMS320C54x中的FIRS和LMS指令，则专门用于系数对称的FIR 滤波器和LMS算法。 ⑹指令周期短
DSP广泛采用亚微米CMOS制造工艺，如TMS320C54x，其运行 速度可达200MIPS。 TMS320C55x，其运行速度可达400MIPS。 TMS320C6414T的时钟为1GHz，运行速度达到8000 MIPS。
⑺运算精度高
DSP的字长有16位、24位、32位。为防止运算过程中溢出，累加 器 达 到 40 位 。 此 外 ， 一 批 浮 点 DSP ， 例 如 TMS320C3x 、 TMS320C4x、 TMS320C67x、 TMS320F283x、 ADSP21020等， 则提供了更大的动态范围。
DSP主要特点续
3、DSP的选择
选择DSP芯片时应考虑如下几个因素：
⑴DSP芯片的运算速度：运算速度可以用以下几种性能指标来衡量； ① 指令周期：即执行一条指令所需要的时间，通常以ns为单位。 ② MAC时间：即完成一次乘法和一次加法时间。 ③FFT执行时间：即运行一个N点FFT程序所需时间。 ④ MIPS：每秒执行百万条指令。 ⑤ MOPS：每秒执行百万次操作。 ⑥MFLOPS：每秒执行百万次浮点操作。 ⑦ BOPS：每秒执行十亿次操作。
如四级流水线的操作图： 译码
N-1
N
N+1 N+2
取操作数
N-2 N-1
N
N+1
执行
N-3 N-2 N-1 N
利用这种流水线结构，加上执行重复操作，保证了数字信号处 理中用得最多的乘法累加运算可以在单个指令周期内完成。
⑷多处理单元
DSP 内 部 一 般 都 包 括 有 多 个 处 理 单 元 ， 如 算 术 逻 辑 运 算 单 元 (ALU)、辅助寄存器运算单元(ARAU)、累加器(ACC)以及硬件乘 法器(MULT)单元等。它们可以在一个指令周期内同时进行运算。
⑵ DSP芯片的硬件资源；
⑶ DSP芯片的运算精度：参加运算的数据字长越长精度越高。
⑷ DSP芯片的功耗；
⑸ DSP芯片的开发工具；
⑹ DSP芯片的价格；DSP芯片发展迅速，价格下降也很快。
DSP技术原理及应用
第一章绪论
DSP有两种理解：
一、广义的理解：digital signal processing—数字信号处理
二、狭义的理解：digital signal processor—数字信号处理器 1.1数字信号处理：
他是利用计算机或专用处理设备，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，得到符合需 要的信号形式。
平滑滤波
Y(t)
抗混叠滤波器将输入信号X(t)中比主要频率高的信号分量滤除， 避免产生信号频谱的混叠现象。
A/D——将输入的模拟信号转换为DSP芯片可接收的数字信号。
DSP芯片——对A/D输出的信号进行某种形式的数字处理。
D/A——经过DSP芯片处理的数字样值经D/A转换为模拟量，然 后进行平滑滤波得到连续的模拟信号。
⑻硬件配置强
新一代DSP的接口功能愈来愈强，片内具有定时器、串行口、主机 接口(HPI)、DMA控制器、软件控制的等待状态产生器、锁相环时 钟产生器、A/D转换以及实现在片仿真符合IEEE 1149.1标准的测试 仿真接口，使系统设计更易于完成。另外，许多DSP芯片都可以工 作在省电方式，大大降低了系统功耗。
2、DSP的分类（续）
⑵ 按数据格式分：DSP对数据的处理有两种格式：定点数据格式 和浮点数据格式。
①定点DSP芯片：数据以定点格式参加运算。 ②浮点DSP芯片：数据以浮点格式参加运算。不同浮点DSP所 采用的浮点格式可能不同。
⑶按用途分： ①通用型：适合普通的DSP应用。 ②专用型：为特定的功能、运算而设计的。如数字滤波、卷 积、FFT等。如TDSP56200专用于数字滤波。
3、数字信号处理系统的一般设计过程
DSP 应用要求 定义系统性能指标
选择 DSP 芯片
软件编程 软件调试
系统集成
硬件设计 硬件调试
系统测试和调试
1.2 数字信号处理器—DSP
DSP: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。
1.DSP的主要特点： ⑴哈佛结构 ：
2、DSP的分类
DSP的分类有三种方式：按基础特性分、按数据格式分、按用途分
⑴按基础特性分：DSP芯片的工作时钟（主频） 和指令类型
①静态DSP芯片：该类型在某时钟频率范围内都能 正常工作，除计算速度有变化外，没有性能上的下 降。如日本OKI电器公司的DSP和TI公司的 TMS320C2XX系列； ②一致性DSP：两种或更多的DSP芯片，其指令集、 机器代码及管脚结构相互兼容。如美国TI公司的 TMS320C54X。
冯．诺曼结构：将指令、数据存储在同一个存储器中，统一编址，译稿指
令计数器提供的地址来区分是指令还是数据。取指令和取数据都访问统一 存储器，数据吞吐率低。
基本哈佛结构：程序和数据存储在不同的存储空间，程序存储空间和数据 存储空间是两个相互独立的存储空间，每个存储空间独立编址，独立访问。
地址总线
数据地址总线
①在通用的计算机上用软件实现。 ②在通用计算机系统上加上专用的加速处理机实现。 ③用通用的单片机实现。 ④用通用的可编程DSP芯片实现。 ⑤用专用的DSP芯片实现。 ⑥用/CPLD/FPGA实现。
2、数字信号处理系统的一般组成
抗混叠 X(t)
滤波
A/D 转换 X(n) DSP 芯片 Y(n) D/A转换
程序地址总线
控制总线
冯
控制总线 存 储 器 指
诺
CPU
令和数据
曼
共用
CPU
程序存储器
数据存储器
基本哈 佛结构
结
构
数据总线
程序数据总线 数据数据总线
程序/数据
数据
程序/数据
数据
高速缓存
改进哈佛 结构
⑵多总线结构 DSP主要特点续
对DSP来说，总线越多，可以完成的功能就越复杂。
⑶流水线结构
时钟 取指
N N+1 N+2 N+3
⑸特殊的DSP指令 DSP主要特点续
在 DSP 的 指 令 系 统 中 ， 设 计 了 一 些 特 殊 的 DSP 指 令 。 例 如 TMS320C54x中的FIRS和LMS指令，则专门用于系数对称的FIR 滤波器和LMS算法。 ⑹指令周期短
DSP广泛采用亚微米CMOS制造工艺，如TMS320C54x，其运行 速度可达200MIPS。 TMS320C55x，其运行速度可达400MIPS。 TMS320C6414T的时钟为1GHz，运行速度达到8000 MIPS。
⑺运算精度高
DSP的字长有16位、24位、32位。为防止运算过程中溢出，累加 器 达 到 40 位 。 此 外 ， 一 批 浮 点 DSP ， 例 如 TMS320C3x 、 TMS320C4x、 TMS320C67x、 TMS320F283x、 ADSP21020等， 则提供了更大的动态范围。
DSP主要特点续
3、DSP的选择
选择DSP芯片时应考虑如下几个因素：
⑴DSP芯片的运算速度：运算速度可以用以下几种性能指标来衡量； ① 指令周期：即执行一条指令所需要的时间，通常以ns为单位。 ② MAC时间：即完成一次乘法和一次加法时间。 ③FFT执行时间：即运行一个N点FFT程序所需时间。 ④ MIPS：每秒执行百万条指令。 ⑤ MOPS：每秒执行百万次操作。 ⑥MFLOPS：每秒执行百万次浮点操作。 ⑦ BOPS：每秒执行十亿次操作。
如四级流水线的操作图： 译码
N-1
N
N+1 N+2
取操作数
N-2 N-1
N
N+1
执行
N-3 N-2 N-1 N
利用这种流水线结构，加上执行重复操作，保证了数字信号处 理中用得最多的乘法累加运算可以在单个指令周期内完成。
⑷多处理单元
DSP 内 部 一 般 都 包 括 有 多 个 处 理 单 元 ， 如 算 术 逻 辑 运 算 单 元 (ALU)、辅助寄存器运算单元(ARAU)、累加器(ACC)以及硬件乘 法器(MULT)单元等。它们可以在一个指令周期内同时进行运算。
⑵ DSP芯片的硬件资源；
⑶ DSP芯片的运算精度：参加运算的数据字长越长精度越高。
⑷ DSP芯片的功耗；
⑸ DSP芯片的开发工具；
⑹ DSP芯片的价格；DSP芯片发展迅速，价格下降也很快。
DSP技术原理及应用
第一章绪论
DSP有两种理解：
一、广义的理解：digital signal processing—数字信号处理
二、狭义的理解：digital signal processor—数字信号处理器 1.1数字信号处理：
他是利用计算机或专用处理设备，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，得到符合需 要的信号形式。
平滑滤波
Y(t)
抗混叠滤波器将输入信号X(t)中比主要频率高的信号分量滤除， 避免产生信号频谱的混叠现象。
A/D——将输入的模拟信号转换为DSP芯片可接收的数字信号。
DSP芯片——对A/D输出的信号进行某种形式的数字处理。
D/A——经过DSP芯片处理的数字样值经D/A转换为模拟量，然 后进行平滑滤波得到连续的模拟信号。
⑻硬件配置强
新一代DSP的接口功能愈来愈强，片内具有定时器、串行口、主机 接口(HPI)、DMA控制器、软件控制的等待状态产生器、锁相环时 钟产生器、A/D转换以及实现在片仿真符合IEEE 1149.1标准的测试 仿真接口，使系统设计更易于完成。另外，许多DSP芯片都可以工 作在省电方式，大大降低了系统功耗。
2、DSP的分类（续）
⑵ 按数据格式分：DSP对数据的处理有两种格式：定点数据格式 和浮点数据格式。
①定点DSP芯片：数据以定点格式参加运算。 ②浮点DSP芯片：数据以浮点格式参加运算。不同浮点DSP所 采用的浮点格式可能不同。
⑶按用途分： ①通用型：适合普通的DSP应用。 ②专用型：为特定的功能、运算而设计的。如数字滤波、卷 积、FFT等。如TDSP56200专用于数字滤波。
3、数字信号处理系统的一般设计过程
DSP 应用要求 定义系统性能指标
选择 DSP 芯片
软件编程 软件调试
系统集成
硬件设计 硬件调试
系统测试和调试
1.2 数字信号处理器—DSP
DSP: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。
1.DSP的主要特点： ⑴哈佛结构 ：
2、DSP的分类
DSP的分类有三种方式：按基础特性分、按数据格式分、按用途分
⑴按基础特性分：DSP芯片的工作时钟（主频） 和指令类型
①静态DSP芯片：该类型在某时钟频率范围内都能 正常工作，除计算速度有变化外，没有性能上的下 降。如日本OKI电器公司的DSP和TI公司的 TMS320C2XX系列； ②一致性DSP：两种或更多的DSP芯片，其指令集、 机器代码及管脚结构相互兼容。如美国TI公司的 TMS320C54X。
冯．诺曼结构：将指令、数据存储在同一个存储器中，统一编址，译稿指
令计数器提供的地址来区分是指令还是数据。取指令和取数据都访问统一 存储器，数据吞吐率低。
基本哈佛结构：程序和数据存储在不同的存储空间，程序存储空间和数据 存储空间是两个相互独立的存储空间，每个存储空间独立编址，独立访问。
地址总线
数据地址总线