1、DSP 原理与应用教材下载 职业学院课件教案下载第 1 章 概述 .61.1 数字信号处理器的基本概念 61.2 数字信号处理器的特点 61.3 数字信号处理器的发展历史 81.4 数字信号处理器的应用领域 91.5 ADI 公司的 DSP 系列简介 10第 2 章 DSP 的结构与功能 122.1 DSP 简介 122.2 DSP 的运算单元 132.2.1 运算控制单元的结构 .132.2.2 算术逻辑单元 .142.2.3 数据格式 142.2.4 寄存器堆 152.2.5 移位器 .162.2.6 乘法器 .162.3 程序控制器 172.3.1 地址产生器 172.3.2 PM 和
2、 DM 总线 172.4 寄存器 182.4.1 通用寄存器 .182.4.2 程序控制寄存器 182.4.3 地址管理寄存器 .182.4.5 IOP 寄存器 192.4.6 存储器映射寄存器 192.4.7 中断 202.5 存储器组织 202.5.1 存储器总线 212.5.2 存储器映射 212.5.3 片内存储器 .222.5.4 多处理器存储器 232.5.5 片外存储器 .242.6 片内集成的外围设备简介 242.6.1 主机接口 242.6.2 DMA 控制器 252.6.3 串行口 .262.6.4 链路口 .262.6.6 多处理器接口 272.6.6 程序自举 28第
3、3 章 指令系统 293.1 寻址方式 293.1.1 立即寻址方式 293.1.2 直接寻址方式 293.1.3 间接寻址方式 303.2 指令系统 .313.2.1 指令的分类 .313.2.2 指令集简介 .323.3 计算类操作 373.3.1 ALU 的运算指令 373.3.2 移位器运算 393.3.3 乘法器操作 403.3.4 多运算指令 423.3.5 其它类指令 443.4 SHARC 系列汇编语言编程举例 453.4.1 指令的并行操作 .453.4.2 条件执行指令 463.4.3 循环指令 .463.4.4 条件循环指令 473.4.5 循环寻址 473.4.6 位反
4、序寻址 483.4.7 查询状态控制寄存器 48第 4 章 DSP 程序设计 494.1 概述 .494.1 汇编语言程序设计 .494.1.1 标识符和运算符 514.1.2 预处理伪指令 .524.1.3 汇编伪指令 .534.1.4 汇编程序举例 .544.2 SHARC 系列 DSP 的 C 程序设计 554.2.1 cc21k 编译器的有关概念 554.2.2 C/C+的实时环境 584.2.3 C/C+与汇编程序的接口 .614.3 链接描述文件 684.3.1 一个简单的 LDF .684.3.2 LDF 的基本结构 .704.3.3 LDF 的关键字和命令 71第 5 章 AD
5、SP21XXX 开发工具 VISUALDSP+ .805.1 开发工具及其特点 .805.2 DSP 程序开发方法 .825.3 集成开发和调试环境 IDDE 835.4 DEBUGGER 工具 .885.4.1 设置调试会话 .885.4.2 程序执行操作 905.4.3 程序性能分析操作 905.4.4 设置观察点 935.4.5 模拟硬件环境 .945.4.6 寄存器窗口操作 965.4.7 存储器窗口操作 .975.4.8 其它窗口操作 995.5 VISUALDSP 操作使用举例 100第 6 章 ADSP-21065L EZ-KIT 板介绍 1036.1 概述 .1036.2 AD
6、SP-21065L EZ-KIT 电路板的资源 1036.2.1 ADSP-21065L EZ-KIT 电路板的原理简介 1036.22 ADSP-21065L EZ-KIT 板硬件资源 .1056.3 ADSP21065L EZ-KIT 使用简介 .1096.3.1 概述 1096.3.2 使用 VisualDSP+ Debugger .1096.3.3 使用 AD1819A Cdec 作为模拟前端 .113第 7 章 用 ADSP 实现数字信号处理实验 .1157.1 数字信号处理中的几种基本算法简介 1157.1.1 DFT 和 FFT.1157.1.2 卷积、相关和 FIR 数字滤波器
7、 .1167.2 实验一 VISUALDSP+的使用入门 .1167.2.1 实验一的目的 1167.2.2 练习一 运行 C 程序 .1177.2.3 练习二 运行 C 和汇编混合程序 .1217.2.4 练习三 数据绘图(Plotting) .1247.2.5 练习四 性能统计 1277.3 实验二 用 SIMULATOR 模拟实现数字信号处理 1287.3.1 练习一 时域卷积运算 1287.3.2 练习二 DFT 计算 .1327.3.3 练习三 时域相关计算 1377.3.4 练习四 利用相关函数计算功率谱 1407.4 利用 ADSP-21065L EZ-KIT 板实现数字信号处理
8、 .1437.4.1 硬件环境的准备 .1437.4.2 实验三 数据采集和谱分析 .1457.4.3 实验四 信号自相关的计算 1577.4.4 实验五 数据采集与滤波处理 .161参考文献 168第 1 章 概述1.1 数字信号处理器的基本概念数字信号处理器（Digital Signal Processor,简称 DSP）是一种专门用来实现各种数字信号处理算法的微处理器。根据使用方法的不同，DSP 可以分成专用的 DSP 和通用的DSP。专用的 DSP 用来实现某些特定的数字信号处理功能，如数字滤波、FFT 等。它不需要编程，使用方便、处理速度快，但是缺乏灵活性。通用 DSP 则有完整的指
9、令系统，通过编程来实现各种数字信号处理功能。DSP 的产生主要是为了满足通信、雷达、数字电视、软件无线电等领域对数字信号处理的需要。DSP 的特点之一是适合于数学计算密集的应用，如典型的数字信号处理算法包括 FFT、数字滤波等，其特点就是数学计算密集。DSP 在其体系结构上采取了一系列措施，使其在数学计算方面具有优越的性能。DSP 的另一个特点是实时计算，在通信领域的调制和解调、雷达中的信号检测中，必须在若干微秒至毫秒内完成数据处理，并且给出运算结果，这就是所谓实时处理。1.2 数字信号处理器的特点数字信号处理相对于模拟信号处理有很大的优越性，表现在精度高、灵活性大、可靠性好、易于大规模集成等
10、方面。随着人们对实时信号处理要求的不断提高和大规模集成电路技术的迅速发展，数字信号处理技术也发生着日新月异的变革。实时数字信号处理技术的核心和标志是数字信号处理器。自第一个微处理器问世以来，微处理器技术水平得到了十分迅速的提高，而快速傅立叶交换等实用算法的提出促进了专门实现数字信号处理的一类微处理器的分化和发展。数字信号处理有别于普通的科学计算与分析，它强调运算处理的实时性，因此 DSP 除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外，针对实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统、指令流程上具有许多新的特征，其特点如下：（1） （1） 算术单元具有硬件乘法器和多功能运算单元，硬件乘法器可以在
11、单个指令周期内完成乘法操作，这是 DSP 区别于通用的微处理器的一个重要标志。多功能运算单元可以完成加减、逻辑、移位、数据传送等操作。新一代的 DSP 内部甚至还包含多个并行的运算单元。以提高其处理能力。针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘和累加运算的特点，DSP 的算术单元的乘法器和加法器，可以在一个时钟周期内完成相乘、累加两个运算。近年出现的某些DSP 如 ADSP2106X、DSP96000 系列 DSP 可以同时进行乘、加、减运算，大大加快了 FFT的蝶形运算速度。（2） （2） 总线结构传统的通用处理器采用统一的程序和数据空间、共享的程序和数据总线结构，即所谓的冯 诺依曼结构。 DS
12、P 普遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构或者改进的哈佛结构，极大的提高了指令执行速度。片内的多套总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，许多 DSP 片内嵌有 DMA 控制器，配合片内多总线结构，使数据块传送速度大大提高。如 TI 公司的 C6000 系列的 DSP 采用改进的哈佛结构，内部有一套 256 位宽度的程序总线、两套 32 位的数据总线和一套 32 位的 DMA 总线。ADI 公司的 SHARC 系列 DSP 采用超级哈佛结构（Super Harvared Architecture Computer）,内部集成了三套总线，即程序存储器总线、数据存储器总线和输入输出总线。（3
13、） 专用寻址单元DSP 面向数据密集型应用，伴随着频繁的数据访问，数据地址的计算也需要大量时间。DSP 内部配置了专用的寻址单元，用于地址的修改和更新，它们可以在寻址访问前或访问后自动修改内容，以指向下一个要访问的地址。地址的修改和更新与算术单元并行工作，不需要额外的时间。DSP 的地址产生器支持直接寻址、间接寻址操作，大部分 DSP 还支持位反转寻址（用于 FFT 算法）和循环寻址（用于数字滤波算法） 。（4） 片内存储器针对数字信号处理的数据密集运算的需要，DSP 对程序和数据访问的时间要求很高，为了减小指令和数据的传送时间，许多 DSP 内部集成了高速程序存储器和数据存储器，以提高程序和
14、数据的访问存储器的速度。如 TI 公司的 C6000 系列的 DSP 内部集成有 1M7M 位的程序和数据 RAM；ADI 公司的 SHARC 系列 DSP 内部集成有 0.5M2M 位的程序和数据 RAM，Tiger SHARC 系列 DSP内部集成有 6M 位的程序和数据 RAM。（5） 流水处理技术DSP 大多采用流水技术，即将一条指令的执行过程分解成取指、译码、取数、执行等若干个阶段，每个阶段称为一级流水。每条指令都由片内多个功能单元分别完成取指、译码、取数、执行等操作，从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令的执行时间。（6） DSP 与其它处理器的差别数字信号处理器（DSP） 、
15、通用微处理器（MPU） 、微控制器（MCU）三者的区别在于：DSP 面向高性能、 重复性、数值运算密集型的实时处理； MPU 大量应用于计算机；MCU则适用于以控制为主的处理过程。DSP 的运算速度比其它处理器要高得多，以 FFT、相关为例，高性能 DSP 不仅处理速度是 MPU 的 410 倍，而且可以连续不断地完成数据的实时输入输出。 DSP 结构相对单一，普遍采用汇编语言编程，其任务完成时间的可预测性相对于结构和指令复杂（超标量指令） 、严重依赖于编译系统的 MPU 强得多。以一个 FIR 滤波器实现为例，每输入一个数据，对应每阶滤波器系数需要一次乘、一次加、一次取指、二次取数，还需要专
16、门的数据移动操作，DSP 可以单周期完成乘加并行操作以及 34 次数据存取操作，而普通 MPU 完成同样的操作至少需要 4 个指令周期。因此，在相同的指令周期和片内指令缓存条件下，DSP 的运算送到可以超过 MPU 运算速度的 4 倍以上。正是基于 DSP 的这些优势，在新推出的高性能通用微处理器（如 Pentium、Power PC 604e 等）片内已经融入了 DSP 的功能，而以这种通用微处理器构成的计算机在网络通信、语音图像处理、实时数据分析等方面的效率大大提高。1.3 数字信号处理器的发展历史自 1982 年第一片数字信号处理器 TMS320C10 产生以来，DSP 的发展大致经历了
17、四个阶段，也形成了目前 DSP 产品的四代产品。1 1 第一代 DSP1982 年 TI（Texas Instruments）公司推出的 TMS320C10 是第一代 DSP 的代表，它是16 位定点 DSP，首次采用哈佛结构，完成乘累加运算时间为 390ns, 处理速度较慢。2 2 第二代 DSP1987 年 Motorola 公司推出了 DSP56001, 它是 24 位定点 DSP，完成乘累加运算时间为75ns，其它产品如 AT&T 公司的 DSP16A，ADI（Analog Devices Inc.）公司的ADSP2100，TI 公司的 TMS320C50 等,代表了第二代 DSP 产
18、品。3 3 第三代 DSP1995 年出现了第三代定点 DSP 产品，如 Motorola 公司的 DSP56301,ADI 公司的ADSP2180，TI 公司的 TMS320C541 等。这些产品改进了内部结构，增加了并行处理单元，扩展了内部存储器容量，提高了处理速度，指令周期大约 20ns 左右。同期出现了功能更强的 32 位浮点处理的 DSP，如 Motorola 公司的 DSP56000，TI 公司的 TMS320C3X，ADI 公司的 ADSP21020 等。4 4 第四代 DSP最近几年推出了性能更高的第四代处理器，包括并行处理结构 DSP 和超高性能 DSP，如 ADI 公司的
19、32 位浮点处理器 SHRAC 系列 ADSP2106X、TI 公司的 TMS320C4X 等，以及近两年 TI 公司推出的并行处理定点系列 TMS320C62XX、浮点系列 TMS320C67XX，ADI 公司的并行处理浮点系列 ADSP21160 和 TigerSHARC 系列 ADSP-TS101S 等。目前 DSP 生产厂家中最有影响的是 TI 公司、ADI 公司、AT&T 公司和 Motorola 公司。其中 TI 公司和 ADI 公司的产品系列最全，市场占有率最高。DSP 处理器有定点处理和浮点处理两大类，适用于不同场合。早期的定点处理 DSP 可以胜任大多数数字信号处理应用，但其
20、可处理的数据的动态范围有限，如 16 bit 定点 DSP动态范围仅 96 dB。在某些数据的动态范围很大的场合，按定点处理可能会发生数据溢出，在编程时需要使用移位定标措施或者用定点指令模拟浮点运算，使程序执行速度大大降低。浮点处理器的出现解决了这些问题，它拓展了数据动态范围。浮点 DSP 的综合性能优于定点 DSP，在相同的指令周期内，它既可以完成 32 位定点运算，也可以完成浮点运算。而且其汇编源程序容易编写、可读性好、调试方便。随着 DSP 本身的不断发展，它的开发工具也不断发展和完善。早期的 DSP 开发只能使用简单的命令行式的编译器和链接器，使用汇编语言编程，缺乏调试工具，因此开发难
21、度大、周期长。近几年来，DSP 的开发工具向可视化发展，DSP 生产厂家和第三方提供了各种软件开发环境和硬件仿真调试工具，支持 DSP 的程序开发。如 TI 公司的 Code Composer 系列（cc2000,cc5000,cc6000） ，ADI 公司的 VisualDSP+等。硬件调试工具普遍采用 JTAG 扫描方式支持在线调试、支持多处理器调试，调试还提供了各种评估板。软件和硬件调试工具的发展，使 DSP 程序的开发过程变得相对容易。此外目前许多类型的 DSP开发过程中可以使用 C 编译器，简化了开发过程。但是针对定点 DSP 的 C 编译器编译效率不高，而浮点 DSP 的 C 编译
22、器的效率很高，这使得浮点 DSP 的程序开发更简单和方便，缩短了开发周期，降低了开发成本。随着集成电路技术的进步，DSP 处理器的运算能力不断提高，从早期的 5MIPS（百万条指令/秒） ，目前已经达到 1GFLOPS（千兆次浮点运算/秒）以上，如 TI 公司的 TMS320C6201和 TMS320C6701 处理能力达到 1GFLOPS ，ADI 公司的 ADSP-TS101S 到达 1.5GFLOPS。但对于某些信号处理应用而言，要求处理能力达到每秒几百亿、上千亿次运算。这可以通过提高 DSP 主频或者通过并行处理来满足，提高主频所遇到的难度和付出的成本越来越大，单处理器性能的提高受到许
23、多因素的限制。因此很多 DSP 处理器具有多处理器扩展接口，可以方便的实现多处理器并行处理结构，如 TI 公司的 TMS320C4X,ADI 公司的 ADS-2106X 等。新型 DSP 内部引入了并行处理技术，以满足处理速度的要求，如 TI 公司的 TMS320C6201和 TMS320C6701 ，ADI 公司的 ADSP-TS101S 等。1.4 数字信号处理器的应用领域随着 DSP 性能的迅速提高和成本的大幅度下降，DSP 的应用范围不断扩大，成为当前产量和销售量增长最快的电子产品之一。DSP 应用几乎遍及整个电子领域，常见的典型应用有：1通用数字信号处理数字滤波、卷积、相关、FFT、
24、希尔伯特变换、自适应滤波、窗函数产生、波形发生等。2通信高速调制解调器、编译码器、自适应均衡器、传真、程控交换机、蜂房移动电话、数字基站、数字留言机、回音消除、噪声抑制、电视会议、保密通信、卫星通信、TDMAFDMACDMA 等各种通信制式。随着互联网络的迅猛发展，DSP 又在网络管理服务、信息转发、IP 电话等新领域扮演着重要角色，而软件无线电的提出和发展进一步增强了DSP 在无线通信领域的作用。3语音处理语音识别、合成、矢量编码、语音信箱。4图形图像处理三维图像变换、模式识别、图像增强、动画、电子出版、电子地图等。5自动控制磁盘、光盘、打印机伺服控制、发动机控制、电机驱动等。6仪器仪表测量
25、数据谱分析、自动监测及分析、暂态分析、勘探、模拟试验。7医学电子助听器、CT 扫描、超声波、心脑电图、核磁共振、医疗监护等。8军事与尖端科技雷达和声纳信号处理、雷达成像、自适应波束合成、阵列天线信号处理、导弹制导、火控系统、战场 C3I 系统、导航、全球定位 GPS、目标搜索跟踪、尖端武器试验、航空航天试验、宇宙飞船、侦察卫星。9计算机与工作站阵列处理机、计算加速卡、图形加速卡、多媒体计算机。10消费电子数字电视、高清晰度电视、图像/声音压缩解压器、VCD/DVD/CD 播放机、电子玩具、游戏机、数字留言/应答机、汽车电子装置、音响合成、住宅电子安全系统、家电电脑控制装置。 1.5 ADI 公
26、司的 DSP 系列简介ADI 公司提供了完整 DSP 系列，适合于各种信号处理的需要。它包括 16 位的定点DSP 产品 ADSP-21xx 系列和 Blackfin DSP ADSP-215xx 系列，32 位的浮点 DSP 产品SHARC 系列和 TigerSHARC 系列，混合信号处理 DSP 产品 DASP-2199X 系列，嵌入式电机控制 DSP 系列 ADMCxxx 系列等。ADI 公司的 DSP 产品的主要特点汇集于表 11。表 11 ADI 公司的 DSP 产品的主要特点系列 型号 处理器类型处理能力 片内存储器(程序+数据)电源电压内嵌ADC 单元ADSP-BF535 16
27、位定点600MMACs 154KW 1.5V Black finADSP-BF532 16 位定点600MMACs 58KW 2.25-3.6V ADSP-2191M 16 位定点160MMACs 32K32KW 2.5V ADSP-2195M 16 位定点160MMACs 32K16KW 2.5V ADSP-21xxADSP-2196M 16 位定点160MMACs 24K8KW 2.5V ADSP-2188N 16 位定点80MMACs 48K56KW 1.8V ADSP-2189N 16 位定点80MMACs 32K48KW 1.8V ADSP-2187N 16 位定点80MMACs 3
28、2K32KW 1.8V ADSP-2185N 16 位定点80MMACs 16K16KW 1.8V ADSP-2186N 16 位定点80MMACs 8K8KW 1.8V ADSP-2184N 16 位定点80MMACs 4K4KW 1.8V ADSP-2188M 16 位定点75MMACs 48K56KW 2.5V ADSP-2189M 16 位定点75MMACs 32K48KW 2.5V ADSP-2185M 16 位定点75MMACs 16K16KW 2.5V ADSP-2186M 16 位定点75MMACs 8K8KW 2.5V ADSP-21161N 32 位浮点600MFLOPs
29、1 Mbits 1.8/3.3V ADSP-21160M 32 位浮点480MFLOPs 4 Mbits 2.5/3.3V ADSP-21160N 32 位浮点570MFLOPs 4 Mbits 1.9/3.3V SIMDSHARCADSP-21262 32 位浮点1200MFLOPs 2 Mbits 1.2/3.3V ADSP-21060 32 位浮点120MFLOPs 4 Mbits 3.3V/5V ADSP-21062 32 位浮点120MFLOPs 2 Mbits 3.3V/5V ADSP-21061 32 位浮点120MFLOPs 1 Mbits 5V SHARCADSP-21065
30、L 32 位浮点198MFLOPs 544 Kbits 3.3V ADSP-TS101S 32 位浮点1500MFLOPs 6 Mbits 1.2/3.3V ADSP-TS201S 32 位浮点3 GFLOPS 24 Mbits 1.0/3.3V ADSP-TS202S 32 位浮点3 GFLOPS 12 Mbits 1.0/3.3V TigerSHARCADSP-TS203S 32 位浮点3 GFLOPS 4 Mbits 1.0/3.3V ADSP-21990 16 位定点160MIPs 4K+4K 14-bit 20MSPS混合信号ADSP-21991 16 位定点160 MIPs 8K+
31、32K 14-bit 20 MSPSADMC401 16 位定点26 MIPs 2K+1K 8 通道 12bitADMC32x 16 位定点20 MIPs 0.5K+0.5K 可变ADMCF32x 16 位定点20 MIPs 0.5K+0.5K 可变ADMC341/F341 16 位定点20 MIPs 0.5K+0.5K 6 通道 10bit电机控制ADMC340/F340 16 位定点20 MIPs 0.5K+0.5K 13 通道 10bit表 11 的符号说明：MMACs百万次乘累加运算/秒； MFLOPs百万次浮点运算/ 秒；MIPs百万条指令/秒ADI 公司的主要 DSP 完成常用的各
32、种数字信号处理算法的时间列于表 12。表 12 ADI 公司的主要 DSP 完成常用的各种数字信号处理算法的时间型号时钟频率FIR 滤波器(每阶)IIR 滤波器(每个二阶级联阶)1024 点复 FFT(基 4)平方根的倒数除法ADSP-BF535 300MHz 46s ADSP-219X 160MHz 302s 119nsADSP-218X 80MHz 465s 238nsADSP-21161N 100MHz 5ns 20ns 0.09ms 90ns 60nsADSP-21060 40MHz 25ns 100ns 0.46ms 225ns 150nsADSP-21062 40MHz 25ns
33、100ns 0.46ms 225ns 150nsADSP-21065L 66MHz 15ns 60ns 0.27ms 135ns 90nsADSP-TS101S 250MHz 2.2ns 39.34s(基 2) ADSP-TS201S 500MHz 1.0ns 20.0s(基 2) 第 2 章 SHARC 系列 DSP 的结构与功能2.1 SHARC 系列 DSP 简介参考文献1 苏涛，吴顺君等，高性能 DSP 与高速实时信号处理，西安，西安电子科技大学出版社，2002，第二版2 “ADSP-2106x SHARC Users Manual”,Analog Devices Inc.,1997
34、(电子版)3 “DSP Selection Guide”, Analog Devices Inc.,2002 (电子版)4 “VisualDSP+ 2.0 C/C+ Compiler and Library Manual for ADSP-21xxx DSPs”, Analog Devices Inc., 2000 (电子版)5 “VisualDSP+ 2.0 Getting Started Guide for ADSP-21xxx DSPs”, Analog Devices Inc., 2000 (电子版)6 “VisualDSP+ 2.0 Users Guide for ADSP-21xx
35、x DSPs”, Analog Devices Inc., 2000 (电子版)7 “VisualDSP+ 2.0 Assembler & Preprocessor Manual for ADSP-21xxx DSPs”, Analog Devices Inc., 2000 (电子版)8 “ADSP-21065L EZ-KIT Lite Evaluation System Manual”, Analog Devices Inc., 2000 (电子版)9 “Getting Started with the SHARC EZ-KIT LITE”, Analog Devices Inc., 1997 (电子版)
