DSP 技术及应用

DSP技术及应用 陈金鹰教授(博士) 信息工程学通信工程系

主要内容 第一章 DSP技术概述第二章 DSP芯片结构介绍第三章 DSP指令系统及特点第四章 DSP软件开发过程第五章汇编语言编程举例

第一章 DSP技术概述 第一节 DSP系统概述第二节 DSP芯片技术的发展第三节 DSP芯片的选择第四节 DSP芯片的主要优点与应用领域第五节 DSP应用系统的开发工具

第一节 DSP系统概述 模拟系统 DSP系统模拟信号数字信号实时处理强调控制运算过程模拟器件 FPGA/CPLD DSP芯片

一、DSP系统的特点 1. 精度高模拟网络元件（R、L、C等）精度10-3 难模拟网络系统 DSP、D/A 17位字长精度10-3 数字系统

2.可靠性强 放大器A A、B结果可能不同信号放大器B 计算机A A、B结果果相同信号计算机B 只要误差不超过0、1判决电平

3.集成度高 DSP系统开发 ASIC芯片 DSP CPLD FPGA 压缩体积降低成本表面贴装

4. 接口方便 以现代数字技术为基础的系统或设备都是兼容的，系统接口方便。 5.灵活性好不同的功能改变软件 DSP系统硬件更简单 DSP CPLD FPGA 可编程可编程可编程 DSP系统开发周期大大缩短

6.保密性好 保密性能几乎无懈可击 DSP系统隐蔽内部总线地址变化 DSP CPLD FPGA 做成ASIC 保密性好可编程可编程

7.时分复用 信道n 信道2 信道1 系统1 信号的采样频率与DSP系统的运算速度相比较低的场合。系统2 应用场合 DSP系统系统n 实时性要求不高的场合。

二、DSP系统的设计思路 输入输出抗混叠滤波器平滑滤波器 DSP芯片 A/D D/A 典型的DSP系统

DSP应用 定义系统性能指标选择DSP芯片软件编程硬件设计软件调试硬件调试系统集成系统调试 1.总体方案设计 • DSP系统设计前： • 明确设计任务 • 给出设计任务书 • 功能描述准确 • 功能描述清楚 • 描述的方式 • 人工语言 • 流程图 • 算法描述 • 将设计任务书转化为量化的技术指标。

技术指标的确定 系统采样频率最复杂的算法所需最大时间片内、外 RAM的容量对实时程度的要求数量及程序的长短信号频率输入输出端口要求选定DSP芯片型号 16、32位定点、浮点运算计算、控制系统所要求的精度

其它因素的考虑 成本供货能力技术支持开发系统体积功耗工作环境温度 DSP A/D D/A RAM 性能指标

总体设计 初步参数算法仿真最佳算法高级语言Matlab 软件系统初步分工硬件

2. 软件设计阶段 源程序 C语言汇编语言混合语言汇编器汇编目标文件链接器连接可执行文件软件仿真调试器调试代码写入 EEPROM 反复代码转换

3. 硬件设计阶段 硬件实现方案器件的选型 DSP芯片、A/D D/A、内存、电源、逻辑控制、通信、人机接口、总线等性能指标工期成本等确定最优硬件实现方案画出硬件系统框图

器件的选型原则 根据是用于控制还是计算目的，选择：不同的厂商不同系列不同工作频率不同工作电压不同工作温度采用定点或浮点型芯片 DSP芯片

器件的选型原则 根据采样频率、精度：确定A/D型号是否要求片上自带采样保持器多路器基准电源等。 A/D变换根据信号频率、精度：是否要求基准电源多路器输出运放等。 D/A变换

器件的选型原则 RAM、EPROM（或EEPROM、Flash Memory），主要考虑：工作频率内存容量位长（8位/16位/32位）接口方式（串行/并行）、工作电压（5V/3.3V或其他）。存储器

器件的选型原则 先确定所用器件，如PLD、EPLD或FPGA；再根据自己的特长和公司芯片的特点决定采用哪家公司的哪一系列产品；最后根据DSP芯片的频率决定芯片的工作频率，并以此来确定使用的芯片。逻辑控制

器件的选型原则 根据与其他系统通信的速率决定采用的通信方式：串口并口总线通信接口

器件的选型原则 根据使用场合、数据传输速率的高低（总线宽度、频率高低、同步方式等）选择： PCI ISA 现场总线总线选择

器件的选型原则 可以通过单片机构成通信，也可在DSP的基础上直接构成。键盘显示器等人机接口主要考虑电压的高低和电压的大小。电压高低要匹配电流容量要足够电源选取

原理图设计 必须清楚了解器件的使用和系统的开发，对于关键环节要做仿真。 PCB板设计要求DSP系统设计人员既要熟悉系统工作原理，又要清楚布线工艺和系统结构设计。软、硬件调试借助仿真工具或开发工具进行软、硬件仿真调试时，往往要反复多次调试。

4. 系统集成 系统集成：是将软硬件结合起来，并组合成样机，在实际系统中运行，进行系统测试。如果系统测试结果符合设计指标，则样机设计完毕。但由于在软硬件调试阶段调试的环境是模拟的，因此在系统测试时往往会出现一些问题，应找出原因，不断改进。

第二节 DSP芯片技术的发展 1978年，AMI公司生产的S2811； 1979年美国Intel公司的商用可编程器件2920；这两种是DSP芯片的一个主要里程碑。特点：没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。 1980年，日本NEC公司推出μPD7720。特点：是第一片具有乘法器的商用DSP芯片。

1982年，美国德州仪器公司（Texas Instruments——TI）推出第一代DSP TMS320010及其系列产品，目前已发展到第六代。 TI公司的系列DSP产品已经成为了当今世界最有影响的DSP芯片，其DSP市场占有量占全世界份额的近50%，成为世界上最大的DSP芯片供应商。

1982年，日本东芝公司推出浮点DSP芯片。 1984年，AT&T公司推出DSP32，是较早的具备较高性能的浮点DSP芯片。 1986年，Motorola公司推出了定点DSP MC56001。1990年，推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC96002。美国模拟器件公司（Analog Devices—AD）相继推出了定点DSP芯片ADSP21xx系列，浮点DSP芯片ADSP210xx系列。

20多年来，DSP芯片得到了迅猛发展，主要体现在如下方面：20多年来，DSP芯片得到了迅猛发展，主要体现在如下方面： 1. 在生产工艺上采用1µm以下的CMOS制造工艺技术和砷化镓集成电路制造技术，使集成度更高，功耗更低，从而使高频、高速的DSP处理器得到更大的发展。 2.基本结构上以RISC结构、单片并行计算机结构为主导，脉冲阵列和数据流阵列也将成为并行处理器的主要体系结构。设计、测试简单，易模块化，易于实现流水线操作和多处理器结构。

3. 模拟/数字混合上 集滤波、A/D、D/A及DSP处理于一体，将成为DSP发展的主要方向，是DSP厂商的主要增长点。 4. DSP技术与ASIC技术融合上在DSP芯片中嵌入ASIC模块，进一步扩大DSP逻辑控制功能。 5. 代码兼容性上将推出更新的、更强大的优化C编译器来适应不同型号的DSP代码生成，各种DSP的开发、加速、并行处理插件板也将大量涌现。

第三节 DSP芯片的选择 设计DSP应用系统，选择DSP芯片是非常重要的一个环节。只有选定了DSP芯片才能进一步设计其外围电路及系统的其它电路。选择原则：根据实际应用系统需要、应用场合、目的，选择满足所需功能、成本低、耗电小、使用方便、有技术支持、升级方便的芯片。

一、主要的DSP芯片种类 1．TI公司的DSP芯片 TI公司常用的DSP芯片可以归纳为三大系列：（1）TMS320C2000系列，称为DSP控制器，集成了flash存储器、高速A/D转换器以及可靠的CAN模块及数字马达控制的外围模块，适用于三相电动机、变频器等高速实时工控产品等需要数字化的控制领域。（2）TMS320C5000系列，这是16位定点DSP。主要用于通信领域，如IP电话机和IP电话网关、数字式助听器、便携式声音/数据/视频产品、调制解调器、手机和移动电话基站、语音服务器、数字无线电、小型办公室和家庭办公室的语音和数据系统。

（3）TMS320C6000系列DSP采用新的超长指令字结构设计芯片。其中2000年以后推出的C64x，在时钟频率为1.1GHz时，可达到8800MIPS以上，即每秒执行90亿条指令。其主要应用领域为：（3）TMS320C6000系列DSP采用新的超长指令字结构设计芯片。其中2000年以后推出的C64x，在时钟频率为1.1GHz时，可达到8800MIPS以上，即每秒执行90亿条指令。其主要应用领域为： 1）数字通信完成FFT、信道和噪声估计、信道纠错、干扰估计和检测等。 2）图像处理完成图像压缩、图像传输、模式及光学特性识别、加密/解密、图像增强等。

2．AD公司的DSP芯片 特点：系统时钟一般不经分频直接使用。定点DSP芯片的程序字长为24位，数据字长为16位。一般具有2个串行口、1个内部定时器和3个以上的外部中断源，此外还提供8位EPROM程序引导方式。浮点DSP芯片，程序存储器为48位，数据存储器为40位，支持32位单精度和40位扩展精度的IEEE浮点格式，内部具有32×48位的程序Cache，有3至4个外部中断源。

AD的BLACKFIN ADSP-21535

3．AT&T公司的DSP芯片 定点DSP芯片的程序和数据字长均为16位，有2个精度为36位的累加器，具有1个深度为15字的指令Cache，片内具有2K字的程序ROM和512字的数据RAM。浮点DSP芯片，80/100ns的指令周期，片内具有3个512字的RAM块，或2个512字的RAM块加1个4K字的ROM块。可以寻址4M字的外部存储器。具有4个40位精度的累加器和22个通用寄存器。

LUCENT用STARCORE开发的新DSP

4．Motorola公司的DSP芯片 定点DSP芯片程序和数据字长为24位，有2个精度为36位的累加器。浮点DSP芯片，累加器精度达96位，可支持双精度浮点数，该芯片的指令周期为50/60/74ns。内部具有10个96位或32位基于寄存器的累加器。适合于自适应滤波的专用定点DSP芯片，程序字长和数据字长分别为24位和16位，累加器精度为40位。

5．其他公司 NEC公司的μPD77C25、μPD77220定点DSP芯片和μPD77240浮点DSP芯片等。 LUCENT的DSP1600等， INTEL也有自己的DSP产品。 INTEL&AD 的新DSP CORE

二、选择芯片考虑的因素 1．DSP芯片的运算速度 MAC时间：一次乘法和一次加法的时间。大部分DSP芯片可在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法操作。 FFT执行时间：运行一个N点FFT程序所需时间。由于FFT运算在数字信号处理中很有代表性，因此FFT运算时间常作为衡量DSP芯片运算能力的一个指标。 MIPS：每秒执行百万条指令。 MOPS：每秒执行百万次操作。 MFLOPS：每秒执行百万次浮点操作。 BOPS：每秒执行十亿次操作。

2．DSP芯片的价格 如果采用价格昂贵的DSP芯片，即使性能再好，其应用范围也受到一定限制，尤其是民用产品。 3．DSP芯片的硬件资源不同DSP芯片所提供的硬件资源不同，如片内RAM、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。 4．DSP芯片的运算精度一般的定点DSP芯片字长为16位，少数24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DSP系统的开发过程中，如果没有开发工具的支持，要想开发一个复杂的DSP系统几乎是不可能的。功能强大的开发工具，可使开发时间大大缩短。 6．DSP芯片的功耗便携式的DSP设备、手持设备、野外应用的DSP设备等对功耗有特殊的要求。 7．其他因素除了上述因素外，还要考虑到封装形式、质量标准、供货情况、生命周期等。

一般地讲： 定点DSP芯片的价格较便宜，功耗较低，但运算精度稍低。浮点DSP芯片的优点是运算精度高，用C语言编程调试方便，但价格稍高，功耗较大。 DSP应用系统的运算量是确定选用DSP芯片处理能力的基础。运算量小，则可选用处理能力不是很强的DSP芯片，降低系统成本。如果单片DSP芯片达不到要求，则需选用多个DSP芯片并行处理。

第四节 DSP芯片的 主要优点与应用领域一、 DSP芯片的优点 1．哈佛结构 2．多总线结构和多处理单元 3. 流水线技术 4．特殊的DSP指令 5．指令周期短 6. 运算精度高 7. 硬件配置强 8. 耗电省

二、DSP芯片的主要应用领域 据预测，2007年MPU/MCU/DSP总计销售额达到564亿美元，预计2011年达到845亿美元规模。 2007年MCU单元出货量预计大幅增长21%，销售收入将达140亿美元，比2006年的124亿美元增加13%。2008年，预计MCU销售将再次增长13%，达到158亿美元。数字信号处理器，预计年增长率为9%，DSP销售额为79亿美元，预计2008年DSP市场规模达到89亿美元，增长率达到13%。

二、DSP芯片的主要应用领域 目前DSP的应用主要包括如下方面：（1）信号处理如数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、希尔伯特变换、小波变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等。

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