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第1章 dsp发展概述


DSP原理与应用技术
第1章 绪论

1.1 DSP系统及DSPs芯片的特点
? 1.1.1 DSP技术的发展 ? 1. 信号处理 ? 信号处理本质上是对自然界中的物理过程或系 统进行变换、分析或设计,目的是从中获取感 兴趣的信息。 ? 传统的信号处理或系统分析采用模拟技术进行, 其处理设备和器件均为模拟器件,包括电阻、 电容和运算放大器

等。

1.1 DSP系统及DSPs芯片的特点
? 2. 数字信号处理技术 ? 20世纪60年代以来,随着大规模集成电路、数 字计算机等信息技术的飞速发展,数字信号处 理技术应用而生并得到快速发展。 ? 数字信号处理DSP (Digital Signal Processing) 技术是指数字信号处理理论的应用实现技术, 它以数字信号处理理论、硬件技术、软件技术 为基础和组成,研究数字信号处理算法及其实 现方法。

数字信号处理软 件技术 在特定的开 发环境下编 写、调试应 用程序,并 存储在存储 器中。

数字信号处理硬件技术 以微电子技术为基础,研究 完成数字信号处理算法的专 用处理器结构、提高处理器 速度的技术方法、数字信号 处理系统设计与实现方法等

数字信号处理算法 以数学为基础和工具, 研究数字信号处理的 数值计算实现方法, 包括算法结构、数值 特性。

? ? ? ? ?

3. 数字信号处理的应用 (1)信号处理(2)图像处理 (3)仪器(4)声音/语言 (5)控制(6)军事应用 (7)电信(8)无线电

通信 72% ,计算机 12% 军品 4%,工业 3%,仪器 2% 消费类 2%,办公自动化 2%

1.1 DSP系统及DSPs芯片的特点
? 4. 数字信号处理器 DSPs (Digital Signal Processor) 是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器芯 片,其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理 算法 特点: ? 针对数字信号处理运算特点设计 ? 与通用处理器相比,在寻址和计算方面作了扩充和增 强 ? 在相同频率和芯片集成度下,比通用微处理器快几个 数量级

1.1 DSP系统及DSPs芯片的特点
? 1.1.2 DSP系统的构成及特点 ? 1. DSP系统的构成
输入

输入信号 处理 A/D DSP

输出信号 处理 D/A 通讯及 人机接口

输出

存储器

1.1 DSP系统及DSPs芯片的特点
? 2.特点 ? 优点:(1)大规模集成性、 稳定性好 (2) 精度高 (3)可编程性 (4)高速性能 (5)可嵌入性 (6) 接口和集成方便 ? 缺点:(1)成本较高 (2)软件代价较大

1.1 DSP系统及DSPs芯片的特点
? 1.1.3 DSPs芯片的基本特点 ? 为了快速地实现DSP运算,DSPs芯片一般都采 用特殊的软硬件结构。下面以TMS320系列 为 例介绍DSPs芯片的基本特点。 ? (1)哈佛总线结构 ? (2)流水线 ? (3)专用的硬件乘法器 ? (4)特殊的DSP指令 ? (5)快速的指令周期

1.1 DSP系统及DSPs芯片的特点
? 1.改进的哈佛总线结构
两种基本的总线结构: ? Von Neumann- 冯.诺依曼 ? Harvard – 哈佛

指令与数据存储在同一 存储器中,统一编址。 (1)冯.诺依曼总线结构 依靠指令计数器提供的 ? 数据、代码共享内存空间 地址来区分是指令、数 ? 数据、代码共享内存总线 据还是地址,取指令和 ? Example: Intel’s x86 Processor family 取数据都访问同一存储 器,数据吞吐率较低。 控制命令 地址总线

1.1 DSP系统及DSPs芯片的特点

程序存储器

CPU

数据总线

数据存储器

? (2)哈佛总线结构 ? 数据、代码独立存储空间 ? 数据、代码独立存储总线
控制命令 地址总线 程序总线 程序存储器 数据吞吐率 提高一倍!!! 数据存储器

CPU

控制命令 地址总线 数据总线

1.1 DSP系统及DSPs芯片的特点
? TMS320系列DSPs芯片在基本哈佛结构的基础上做了改 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,当执行指令 时,不需要在从存储器中读取指令,节约了一个指令 周期的时间。

1.1 DSP系统及DSPs芯片的特点
? 2. 流水线操作 ? TMS320系列DSPs的流水线深度从2~8级不 等。 ? 第一代TMS320系列DSPs采用2级流水线 ? 第二代TMS320系列DSPs采用3级流水线 ? 第三代TMS320系列DSPs采用4级流水线 ? TMS320F2812采用8级流水线

结论:对于程序块来说,平均每条指令只需要1个时 钟周期
4级流水线 CLKOUT 取指令 指令译码 读操作数 执行
第 N 条指令 第 N+1 条指令 第 N+2 条指令 第 N+2 条指令

T1

T2

T3

T4

第 N-1 条指令 第 N 条指令 第 N+1 条指令 第 N+2 条指令

第 N-2 条指令 第 N-1 条指令 第 N 条指令 第 N+1 条指令

第 N-2 条指令 第 N-2 条指令 第 N-1 条指令 第 N 条指令

1.1 DSP系统及DSPs芯片的特点
? 3. 专用的硬件乘法器: ? 具有硬件连线的高速“与或”运算器(乘法器 和加法器) ? 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

1.1 DSP系统及DSPs芯片的特点
? 4.特殊的DSP指令: ? 在DSPs指令系统中,有许多指令具有多功 能,一条指令完成多个不同的操作; ? 例如:XMACD — 带有数据移动、相乘且 累加指令

1.1 DSP系统及DSPs芯片的特点
? 5. 快速的指令周期
? 哈佛总线结构、流水线操作、专用的硬件乘法 器、特殊的DSPs指令,再加上集成电路的优化 设计,大大缩短了DSPs芯片的指令周期。 ? 目前,TMS320系列多数处理器的指令周期已 经降到了10ns以下。 ? 快速的指令周期使得DSPs芯片满足了高实时性 场合的需要。

1.2 DSPs芯片的类别和使用选择
? 1.2.1 DSPs芯片的分类 ? 1.按数据格式分:定点和浮点DSPs芯片 ? 数据以定点格式工作的DSPs芯片,称为定 点DSPs。(采用软件来完成浮点运算) ? 例如:TMS320C1X/2X, TMS320C2XX/5X ? 数据以浮点 格式工作的DSPs芯片,称为浮 点DSPs。(采用硬件来完成浮点运算)

1.2 DSPs芯片的类别和使用选择
? 2.按用途分:通用型、专用型DSP芯片 ? 通用型DSPs芯片适合普通的DSP应用 ? 专用型DSPs芯片是为了特定的DSP 运算而 设计的,更适合特殊的运算,如数字滤波、 卷积和快速傅里叶变换等。

1.2 DSPs芯片的类别和使用选择
? 3. 按生产厂家分
? ? ? ? ? DSPs的四大厂商 Texas Instruments (德州仪器)公司 Agere,即Lucent Technologies(朗讯技术)公司 Analog Devies(模拟设备)公司 Motorola(摩托罗拉)公司

? 大约还有80家DSPs产商

1.2 DSPs芯片的类别和使用选择
? ? ? ? 1.2.2 DSPs芯片的选择 选择DSPs芯片时应考虑的主要因素: 1. DSPs芯片的运算速度 运算速度是DSPs芯片最重要的性能指标, 也是选择DSPs芯片时所需要考虑的主要因 素。

1.2 DSPs芯片的类别和使用选择
? (1)指令周期: 执行一条指令所需的时间,通 常以ns(纳秒)为单位。 ? (2)MAC(Multiplier Accumulator)时间: 一次乘法加上一次加法的时间。 ? (3)FFT(Fast funnier Transform)执行时间: 运行一个N点FFT程序所需要的时间。 ? (4) MIPS(Million Instruction Per Second) 每秒执行百万条指令: ? 如80MIPS,即每秒可执行8千万条指令

1.2 DSPs芯片的类别和使用选择
? (5)MOPS(Million Operations Per Second)
每秒执行百万次操作: ? (6)MFLOPS (Million Floating Operation PerSecond) 每秒执行百万次浮点操作时间 ? (7)BOPS(Billion Operations Per Second ) ? 每秒执行十亿次操作。

1.2 DSPs芯片的类别和使用选择
? 2. DSPs芯片的价格 ? DSPs芯片的价格也是选择DSPs芯片所需要考虑 的一个重要因素。 ? 量大价格便宜,厂家主推的产品,价格便宜。 ? 商业级 :一般应用,适用于实验室等环境 较好场合; ? 工业级 :可靠性好,适用于工业现场等环 境恶劣场合; ? 军品 :可靠性高,适用于各种恶劣场合; ? 宇航级 :可靠性很高,适用于特殊场合;

1.2 DSPs芯片的类别和使用选择
? 3. DSPs芯片的硬件资源 ? 内存:RAM、ROM、Flash等 ? 寄存器:通用、特殊功能 ? I/O数量:单向、双向 ? 寻址能力:直接、间接 ? 定时器、计数器: ? 通讯接口:SCI、eCAN接口 ? 内置功能单元:A/D、D/A等

1.2 DSPs芯片的类别和使用选择
? 4. DSPs芯片的运算精度 ? 定点DSPs芯片的数据长度通常为16位、32位。 ? 浮点DSPs芯片的数据长度为32位,累加器为40 位。

1.2 DSPs芯片的类别和使用选择
? 5. DSPs芯片的开发工具 ? 选择DSPs芯片时,必须考虑其开发工具的支持 情况

? 6. DSPs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。 ? 如便携式的DSP设备、手持设备、野外应用 的DSP设备等都对功耗有特殊的要求。

1.2 DSPs芯片的类别和使用选择
? 7. 其他
? ? ? ? 封装的形式:BGA、PGA、LQFP 质量标准: 供货情况: 生命周期:

1.3 DSPs芯片开发应用现状与前景
? ? ? 发 ? 展 ? ? ? ? 1.3.1 DSPs芯片开发应用现状 第一代:1980年左右,哈佛结构,硬件乘法器 Texas Instrument(TI)公司:TMS32010 Intel公司:2920,AMI公司 S28H; NEC upd7720; 日立公司:61810 第二代:1985年左右,功能、速度、内存有突破 TI:TMS320C20; AD:ADSP2100; NEC:upd77230;Motorola:DSP5600

1.3 DSPs芯片开发应用现状与前景
? 第三代:1987年左右,浮点,能用高级语言。 TI:TMS320C30;AD: ADSP21000; ? Motorola: DSP96002 ? 发 第四代:近几年的DSP芯片。多处理器并行工作,多处 展 理器系统,特殊指令,有单独的DMA总线和控制器 ? TI公司:TMS320C2XX/C5X/C54X, TMS320C62XX/C67XX/C8X ; ? AD公司:ADSP210XX/211XX

1.3 DSPs芯片开发应用现状与前景
? ? ? 定 ? 点 芯 ? 片 ? ? TI系列产品 TMS320C2000系列 √ TMS320C20X: C203, F206 √ TMS320C24X: LF2407 √ TMS320C28X: F2810, F2812 TMS320C5000系列: C5402, C5410, C5509 TMS320C6000: C6204, C6416, C6455

1.3 DSPs芯片开发应用现状与前景
浮 TMS320C3X: C30, C31, C32, VC33 ? 点 TMS320C4X: C40, C44 ? 芯 ? TMS320C67XX: C6701, C6711, C6712 片 多处理芯片 TMSC8X: C80, C82

1.3 DSPs芯片开发应用现状与前景
? DSP的应用几乎遍及电子学每一个领域。 ? 1. TMS320C2000系列DSPs 应? C2000是具有高性能集成外设的32位微处理 器,包括24x和28x系列芯片。可执行多种复 用 杂的控制算法。 ? 主要面向工业控制应用,构成高性能的工业 测控系统。

1.3 DSPs芯片开发应用现状与前景
? 2. TMS320C5000低功耗DSPs ? C5000系列DSPs提供了业界最低的待机功耗 应 和先进的自动电源管理,适用于个人和便携 式产品,包括消费类电子、通讯、医疗、安 用 保产品。

1.3 DSPs芯片开发应用现状与前景
? 3. TMS320C6000 DSPs ? 具有高性能、高性价比的浮点DSPs。 应? 一般应用于高性能复杂的通信系统和其他高 端应用,如语音识别、图像处理和网络系统 用 等。

1.3 DSPs芯片开发应用现状与前景
? 通用数字信号处理器:自适应滤波,卷积,相关,数 字滤波,FFT, 希尔伯特变换,波形生成,窗函数等等。 ? 语音信号处理:语音增强、识别、合成、编码、信箱 应 等,文字/语音转换 ? 图形/图像处理:三维动画,图象鉴别/增强/压缩/传输, 用 机器人视觉等等图 ? 特殊应用数字信号处理:振动和噪声分析与处理,声 纳和雷达信号处理,通信信号处理, 地震信号分析与处 理,汽车安全及全球定位,生物医学工程等等。在医 疗、军事、汽车等行业,以及通信市场、消费类电子 产品等中具有广阔的市场前景。

1.3 DSPs芯片开发应用现状与前景
? 提高性能:应用性能、处理速度、集成度。 ? 降低功耗:已从3.3V降到1.2V,电压低于1V 前 的产品也在研发。 ? 加强融合:DSP与MCU(微控制器)融合 景 是大势所趋。 ? 降低价格:近大批量应用导致价格下降。 ? 拓宽应用:Internet\Audio\Video\3G\B3G等 领域将大量应用。

1.3 DSPs芯片开发应用现状与前景

? Different families and sub-families exist to support different markets.
C6000
C5000 C2000

Efficiency
Lowest Cost
Control Systems ? Motor Control ? Storage ? Digital Ctrl Systems Best MIPS per Watt / Dollar / Size ? Wireless phones ? Internet audio players ? Digital still cameras ? Modems ? Telephony ? VoIP

Performance & Best Ease-of-Use
?

?
? ? ? ? ?

Multi Channel and Multi Function App's Comm Infrastructure Wireless Base-stations DSL Imaging Multi-media Servers Video

TM

C2000 Digital Signal Controllers Combine The Power of DSP and the Simplicity of MCU
High Natural Migration
Control Code Efficiency
?
? ?

An MCU with the powerful processing core of a DSP C2000 Digital Signal Controller
? Simple system control ? Integration for system

MCU
Control savvy core Flash memory Flexible, robust peripherals Analog integration

efficiency and low cost
? High DSP performance

Low

?

Low

Algorithmic processing power ? Dedicated hardware for math intensive functions Math Code Efficiency
?

DSP

High

Digital Motor Control

Digital Power Supplies

Advanced Sensing

? Industrial Drives ? Servo Control ? Home appliances ? Electric Power Steering

? Commercial, Industrial, & Consumer UPS ? Multi-channel DC/DC converters ? Solar & Wind inverters ? Hybrid Vehicles

? 3-phase metering with PLC ? Torque, pressure, liquid flow, or gas sensors ? Automotive Radar ? Subwoofers

Fast, high resolution signal processing Peripheral suite optimized for control applications

C2000 Control Applications

C2000 Roadmap
Device Production Sampling Development Future

C28xxx Delfino F283xx F282xx
300 MFLOPS DMA 600 MFLOPS 16-bit ADC

F281x
150 MIPS

150 MIPS DMA

C28xxx Piccolo Piccolo
60 MIPS VREG, COMP

F280xx
60 -100 MIPS

40 MIPS VREG, COMP

1.4 TMS320F2812的主要特点
? 1. TI公司DSPs芯片命名的含义
TMS 320 前缀 TMX:实验器件 TMP:样品器件 TMS:合格器件 F 2812 PGF A 温度范围 A: -40~+85℃ S: -40~+125 ℃ 封装类型 GHH:179脚BGA封装 PGF: 176脚LQFP封装 器件 PBK: 128脚LQFP封装 2810 2812

器件系列
技术

F:Flah C:ROM

1.4 TMS320F2812的主要特点
? 2. TMS320F281x系列芯片的主要性能 (1)采用高性能静态CMOS制造工艺 --主频150MHZ (时钟周期6.67ns) --低功耗(核心电压1.9V, I/O口电压3.3V) --Flash 编程电压为3.3V (2)支持JTAG 边沿扫描 --支持片上调试

1.4 TMS320F2812的主要特点
(3)高性能32位CPU --16位×16位和32位×32位乘和累加操作 --16位×16位双乘和累加器 --程序和数据空间分开寻址(哈佛总线结构)

--快速中断响应和处理 --统一寄存器编程模式 --可达4M的线性程序地址 --可达4M的线性数据地址 --高效的代码转换能力(支持C/C++和汇编语言)

1.4 TMS320F2812的主要特点
? (4) 片内存储器 --128K×16位的Flash存储器 -- 1K×16位的OTP ROM(固定淹膜ROM) -- 18K×16位的RAM *L0和L1:两块4K×16位SRAM *H0:8K×16位RAM *M0和M1:两块1K×16位RAM -- 可外扩1M×16位存储器 *256K的RAM *256K的Flash

1.4 TMS320F2812的主要特点
? (5) 4K×16位引导ROM (Boot ROM):存 放出厂时固化程序 ? 带有软件的Boot模式 ? 标准的数学表 ? (6)外部存储器接口 ? 有多达1.5M×16位的寻址空间 ? 三个独立的片选端

1.4 TMS320F2812的主要特点
? (7)时钟与系统控制 ? 支持动态的改变锁相环(PLL)的频率 ? 片上振荡器 ? 看门狗定时器模块 ? (8)三个外部中断
? 可屏蔽中断,非屏蔽中断

? (9)外部中断扩展(PIE)模块
? 支持96个外部中断,当前仅使用了45个外部中 断

1.4 TMS320F2812的主要特点
? (10)128位的密钥/锁(Security Key/Lock)
? 保护Flash/OTP ROM和L0/L1 SRAM ? 防止固化在ROM中的程序被盗

? (11)3个32位的CPU定时器 ? (12)马达(电机)控制外围设备
? 2个时间管理器(EVA,EVB)

1.4 TMS320F2812的主要特点
? (13)串行外围设备
? 串行外部设备接口SPI (Serial Peripheral Interface) ? 2个串行通信接口SCI (Serial Communication Interface) ? 改进的局域网络eCAN(用于汽车电器,抗干扰 能力较强 ? 多通道缓冲串行接口(McBSP)和串行外围接 口模式

1.4 TMS320F2812的主要特点
? (14)12位的ADC,有16通道
? ? ? ? 2个8通道的输入多路选择器 两个采样保持器 单个的转换时间200ns 单路转换时间60ns

? (15)多达56个独立的可编程、多用途通用 输入/输出( GPIO)引脚
? 单片机仅为32个,DSP430为48个

1.4 TMS320F2812的主要特点
? (16)高级的仿真特性
? 分析和设置断点的功能 ? 实时的硬件调试

? (17)开发工具
? ? ? ? ? ? ANSI C/C++编译器/会变程序连接器 支持TMS320C24x的指令 代码编辑集成环境 DSP/BIOS JTAG扫描控制器,与仿真器连接 硬件评估板

1.4 TMS320F2812的主要特点
? (18)低功耗模式和节能模式
? 支持空闲模式、等待模式、挂起模式 ? 停止单个外围的时钟

? (19)封装方式
? 带外部存储器接口的179脚的球形触点BGA封装 ? 带外部存储器接口的176脚的脚PGF LQFP封装 ? 没有外部存储器接口的128脚 LQFP封装 ? BGA-Ball Grid Array 球形栅格阵列 ? PGF LQFP –Low-profile Quad Flatpack 低剖面四边扁平 ? PBK LQFP

1.4 TMS320F2812的主要特点
? 信号引脚分类:176个引脚
? ? ? ? ? ? ? (1)地址总线:19条 (2)数据总线:16 条 (3)读写、片选、外部保持等信号:10 条 (4)JTAG信号:14 条 (5) ADC输入信号: 31 条 (6)电源引脚:30 条 (7) GPIO 或事件管理器信号:56 条

本章小结:
? 1. 了解DSPs芯片的基本结构特点、应用开 发前景及应用场合 ? 2. 了解TI公司DSPs芯片型号的含义 ? 3. 理解TMS320F2812的性能参数、封装形 式

谢 谢! 祝学习愉快!


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