DSP 技术原理及应用教程.docx

1、高 等 学 校 通 用 教 材DSP 技 术 原 理 及 应 用 教 程刘 艳 萍 主 编贾 志 成 李 志 军 王 宝 珠 编 著内 容 简 介本书 介 绍 了 数 字 信 号 处 理 器 技术 的 发 展 、 特点 和 种 类 , 介绍 TM S320 系列 DSP 中 的 C2000、 C5000、 C6000 及 C5000 + RISC 系 列 的 主 要 性 能 指 标 和 硬 件 结 构 组 成 。 其 中 围 绕 T MS320C54x DS P 芯 片 , 详 细 介 绍 了 数 字 信 号 处理 器 的 基 本 概 念 、 内 部 结 构 、 工 作 原 理 、 指 令 系

2、 统 、 系 统 开 发 、 各 种 硬 件 接 口 电 路 设 计 和 常 用 数 据 / 信 号 处 理 算 法 的 实 现 方 法 , 并 给 出 了 应 用 实 例 。本 书 的 突 出 特 点 是 内 容 全 面 , 详 略 得 当 , 实 用 性 强 , 适 用 于 高 等 院 校 电 类 专 业 本 科 生 和 研 究 生 教 材 , 也 可 供 相 关 DSP 技 术 开 发 人 员 参 考 。图 书 在 版 编 目 ( CIP ) 数 据DSP 技 术 原 理 及 应 用 教 程 / 刘 艳 萍 主 编 . 北 京 :北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 , 2005.

3、 2ISBN 7 81077 606 1 .D .刘 .数 字 信 号 信 号 处 理 高 等 学 校 教 材 . T N911 .72中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 (2004) 第 137413 号DSP 技 术 原 理 及 应 用 教 程刘 艳 萍 主 编贾 志 成 李 志 军 王 宝 珠 编 著 责 任 编 辑 : 金 友 泉*北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 出 版 发 行北 京 市 海 淀 区 学 院 路 3 7 号 ( 10 0 0 83 ) 发 行 部 电 话 : 01 0 82 3 17 0 24 传 真 : 0 10 8 23 2 80 2 6

4、 h t t p :/ / w ww .b ua apr es s .com .cn E- m ail : b hp res s 2 6 3 .n et北 京 市 松 源 印 刷 有 限 公 司 印 装 各 地 书 店 经 销*开 本 : 78 7 9 6 0 1/ 1 6 印 张 : 1 9 .7 5 字 数 : 44 2 千 字2 00 5 年 2 月 第 1 版 2 00 5 年 10 月 第 2 次 印 刷 印 数 : 5 0 0 1 9 0 0 0 册IS BN 7 8 1 07 7 60 6 1 定 价 : 26 .00 元前 言数 字 信 号 处 理 是 当 代 发 展 最 快

5、的 信 息 学 科 之 一 , 尤 其 是 在 20 世 纪 末 , 数 字 信 号 处 理 理 论 的 逐 步 成 熟 和 研 究 内 容 的 日 益 广 泛 , 超 大 规 模 集 成 电 路 技 术 和 计 算 机 技 术 的 高 速 发 展 , 特 别 是 网 络 化 和 数 字 化 信 息 市 场 的 巨 大 需 求 , 使 得 数 字 信 号 处 理 理 论 及 其 工 程 实 现 得 到 了 广 泛 的 应 用 。数 字 信 号 处 理 器 技 术 是 工 程 实 现 的 关 键 技 术 , 数 字 信 号 处 理 器 的 使 用 遍 及 通 信 、 雷 达 、 声 纳 、 生

6、物 医 学 、 机 器 人 、 语 音 和 图 像 处 理 、 虚 拟 现 实 及 自 动 控 制 等 领 域 。 在 未 来 数 字 化 技 术 发 展 进 程 中 , 数 字 信 号 处 理 器 将 以 其 独 特 的 数 字 信 号 处 理 优 势 得 到 更 加 广 泛 的 应 用 和 普 及 。在 生 产 数 字 信 号 处 理 器 的 全 球 企 业 中 , 美 国 得 克 萨 斯 州 德 州 仪 器 ( T I ) 公 司 生 产 的 数 字 信号 处 理 器 多 年 来 一 直 占 据 较 大 的 DSP 市 场 份 额 , 并 且 正 在 逐 年 扩 大 。 T I 公 司

7、的 T MS320 系 列 DSP 一 直 是 全 球 广 泛 使 用 的 数 字 信 号 处 理 器 之 一 。 尽 管 每 个 公 司 的 DSP 芯 片 在 结 构 、 开 发 工 具 和 开 发 环 境 上 有 所 不 同 , 但 概 念 上 是 相 通 的 。 本 书 以 T I 公 司 的 T MS320 系 列 DSP 为 基 础 , 详 细 介 绍 了 DSP 技 术 及 其 应 用 , 并 给 出 了 典 型 应 用 实 例 。 在 T M S320 系 列 DSP 中 , T MS320C5000 系 列 DSP 中 C54x 是 目 前 比 较 流 行 的 DSP 芯 片

8、 之 一 , 其 结 构 、 使 用 的 开 发 工 具 和 环 境 也 具 有 代 表 性 。本 书 以 T MS320C5000 系 列 DSP 为 代 表 , 介 绍 了 数 字 信 号 处 理 器 技 术 的 基 本 概 念 、 数 字 信 号 处 理 器 结 构 以 及 工 程 应 用 的 实 现 及 使 用 开 发 方 法 , 力 求 使 读 者 通 过 本 书 的 学 习 , 可 以 举 一 反 三 , 了 解 和 掌 握 数 字 信 号 处 理 器 技 术 及 其 应 用 。全 书 共 分 7 章 。 第 1 章 为 绪 论 , 介 绍 了 数 字 信 号 处 理 器 技 术

9、的 发 展 、 DSP 的 特 点 、 种 类 以 及 T MS320 系 列 DSP 中 的 C2000、 C5000 、 C6000 及 C5000 + RISC 系 列 的 主 要 性 能 指 标 、 硬 件 结 构 及 组 成 。 第 2 章 是 DSP 应 用 设 计 的 基 础 , 详 细 描 述 了 T MS320C54x DSP 的 结 构 原 理 。 第 3 章 主 要 介 绍 了 T MS320C5000 系 列 DSP 应 用 环 境 的 硬 件 系 统 设 计 和 各 种 硬 件 接 口 电 路的 设 计 。 第 4 章 以 T MS320C54x 为 例 , 介 绍

10、了 数 字 信 号 处 理 器 的 指 令 及 使 用 , 包 括 寻 址 方 式 、 汇 编 语 言 指 令 和 汇 编 链 接 伪 指 令 系 统 以 及 宏 汇 编 语 言 。 第 5 章 主 要 介 绍 T MS320C5000 系 列 DSP 的 软 件 开 发 与 设 计 。 其 中 包 括 软 件 开 发 过 程 使 用 的 汇 编 语 言 编 程 方 法 、 C 语 言 编 程 方 法 、 C 语 言 和 汇 编 语 言 混 合 编 程 的 方 法 及 Bootload er 方 法 。 第 6 章 是 数 字 信 号 处 理 器 的 开 发 应 用 , 主 要 介 绍 了 片

11、 内 外 设 的 设 计 与 应 用 方 法 以 及 系 统 应 用 方 案 和 实 例 。 第 7 章 是 DSP 处 理 器的 开 发 工 具 及 使 用 环 境 , 主 要 介 绍 了 可 视 化 集 成 开 发 环 境 中 CC S5000 的 使 用 。 书 中 附 录 给 出了 C54 x DSP 指 令 系 统 列 表 和 T MS320 系 列 产 品 的 命 名 方 法 。 这 些 都 是 学 习 与 设 计 当 中 可参 考 使 用 的 。全 书 由 刘 艳 萍 主 编 。 第 1 第 4 章 及 附 录 内 容 由 刘 艳 萍 编 写 , 第 5 第 7 章 由 贾 志

12、成 、 李 志 军 、 王 宝 珠 和 刘 艳 萍 共 同 编 写 。由 于 水 平 有 限 , 书 中 难 免 存 在 错 误 和 疏 漏 之 处 , 恳 请 读 者 批 评 指 正 。编 者2004 年 10 月目 录第 1 章 绪 论1 .1 数 字 信 号 处 理 11 .2 数 字 信 号 处 理 器 31 .2 .1 DSP 芯 片 的 特 点 31 .2 .2 DSP 芯 片 的 分 类 及 选 择 51 .3 定 点 DSP 的 数 据 格 式 71 .4 DSP 芯 片 的 发 展 及 应 用 101 .4 .1 DSP 芯 片 的 发 展 101 .4 .2 DSP 芯 片

13、 的 应 用 111 .5 T MS320 系 列 DSP 发 展 概 述 121 .5 .1 T MS320C2000 系 列 简 介 121 .5 .2 T MS320C5000 系 列 简 介 151 .5 .3 T MS320C6000 系 列 简 介 181 .5 .4 T MS320C5000 DSP + RISC 221 .5 .5 T I 公 司 的 其 他 DSP 芯 片 简 介 25习 题 26第 2 章 TMS320C54x 的 结 构 原 理2 .1 T MS320C54x 的 内 部 结 构 及 主 要 特 性 272 .1 .1 T MS320C54x 的 内 部

14、结 构 272 .1 .2 T MS320C54x 的 主 要 特 性 282 .2 总 线 结 构 312 .3 存 储 系 统 322 .3 .1 存 储 器 空 间 332 .3 .2 程 序 存 储 器 352 .3 .3 数 据 存 储 器 372 .3 .4 I/ O 空 间 392 .4 中 央 处 理 单 元 ( CP U ) 392 .4 .1 CP U 状 态 和 控 制 寄 存 器 402 .4 .2 算 术 逻 辑 单 元 ( A L U ) 442 DS P 技 术 原 理 及 应 用 教 程2 .4 .3 累 加 器 A 和 B 472 .4 .4 桶 形 移 位

15、器 482 .4 .5 乘 法 器 / 加 法 器 单 元 502 .4 .6 比 较 、 选 择 和 存 储 单 元 512 .4 .7 指 数 编 码 器 532 .4 .8 地 址 发 生 器 532 .5 片 内 外 设 552 .5 .1 通 用 I/ O 口 562 .5 .2 定 时 器 562 .5 .3 时 钟 发 生 器 592 .5 .4 软 件 可 编 程 等 待 状 态 发 生 器 652 .5 .5 存 储 器 组 切 换 逻 辑 662 .5 .6 H PI 接 口 692 .5 .7 串 行 接 口 732 .5 .8 J T AG 接 口 1052 .6 中

16、断 系 统 1052 .6 .1 中 断 系 统 概 述 1052 .6 .2 中 断 标 志 寄 存 器 ( I F R) 及 中 断 屏 蔽 寄 存 器 ( IMR ) 1072 .6 .3 接 收 应 答 中 断 请 求 及 中 断 处 理 1072 .6 .4 重 新 映 射 中 断 向 量 地 址 1122 .7 流 水 线 结 构 113习 题 114第 3 章 TMS320C54x 硬 件 系 统 设 计3 .1 T MS320C54x 硬 件 系 统 组 成 部 分 1163 .2 T MS320C54x 的 时 钟 及 复 位 电 路 设 计 1163 .2 .1 时 钟 电

17、 路 设 计 1163 .2 .2 复 位 电 路 设 计 1173 .3 供 电 系 统 设 计 1193 .4 外 部 存 储 器 和 I/ O 扩 展 设 计 1193 .4 .1 外 扩 数 据 存 储 器 电 路 设 计 1213 .4 .2 外 扩 程 序 存 储 器 电 路 设 计 1223 .4 .3 I/ O ( 输 入 / 输 出 接 口 ) 扩 展 电 路 设 计 1233 .5 A/ D 和 D/ A 接 口 设 计 125目 录 33 .6 3 .3 V 和 5 V 混 合 逻 辑 设 计 1263 .7 J T AG 在 线 仿 真 调 试 接 口 电 路 设 计

18、127习 题 128第 4 章 TMS320C54x 指 令 系 统4 .1 指 令 系 统 概 述 1294 .2 汇 编 源 程 序 格 式 1294 .2 .1 汇 编 源 程 序 语 句 格 式 1294 .2 .2 汇 编 语 言 常 量 1314 .2 .3 字 符 串 1334 .2 .4 符 号 1334 .2 .5 表 达 式 1334 .3 汇 编 语 言 指 令 系 统 1354 .3 .1 指 令 系 统 中 的 符 号 和 缩 写 1354 .3 .2 指 令 系 统 中 的 记 号 和 运 算 符 1394 .3 .3 指 令 系 统 分 类 1404 .4 寻 址

19、 方 式 1414 .4 .1 立 即 数 寻 址 1414 .4 .2 绝 对 地 址 寻 址 1424 .4 .3 累 加 器 寻 址 1444 .4 .4 直 接 寻 址 1444 .4 .5 间 接 寻 址 1464 .4 .6 存 储 器 映 射 寄 存 器 寻 址 1554 .4 .7 堆 栈 寻 址 1554 .5 汇 编 伪 指 令 1554 .5 .1 段 定 义 伪 指 令 1564 .5 .2 常 数 初 始 化 伪 指 令 1604 .5 .3 段 程 序 计 数 器 定 位 指 令 .align 1624 .5 .4 输 出 列 表 格 式 指 令 .dr lis t

20、/ .drnoli st 1624 .5 .5 引 用 其 他 文 件 的 伪 指 令 1634 .5 .6 条 件 汇 编 指 令 1634 .5 .7 汇 编 时 的 符 号 定 义 伪 指 令 1644 .5 .8 其 他 方 面 的 汇 编 伪 指 令 1654 .6 宏 语 言 1654 DS P 技 术 原 理 及 应 用 教 程4 .7 链 接 伪 指 令 167习 题 172第 5 章 TMS320C54x 的软 件 开发 与设 计5 .1 T MS320C54x 软 件 开 发 过 程 1745 .2 汇 编 语 言 编 程 1765 .2 .1 汇 编 语言 程序 的 编写

21、 方法 1765 .2 .2 汇 编 语言 程序 的 编辑 、 汇编 和 链接 过程 1775 .3 C 语 言 编 程 1925 .3 .1 C54xDSP C 优 化编 译器 1925 .3 .2 C 语 言编 程 链接 命令 文 件的 设计 1985 .4 用 C 语 言 和 汇 编 语 言 混 合 编 程 2005 .5 引 导 方 式 设 计 207习 题 211第 6 章 TMS320C54x 的开 发 应用6 .1 片上 外设 应 用 2136 .1 .1 定 时 器 / 计数 器编 程 和应 用 2136 .1 .2 多 缓 冲串 口 ( McBSP) 的 应用 2216 .2

22、 系统 应用 2296 .2 .1 FIR 滤波 器的 实现 方 法 2296 .2 .2 正 弦 信号 发生 器 2386 .2 .3 循 环 码的 解码 器 与 CRC 纠错 原理 248第 7 章 DSP 集 成 开 发 环 境 CCS 及 其 使 用7 .1 C5000 Code Composer Studio 简介 2577 .2 CCS 安 装 及 设 置 2577 .2 .1 系统配置要 求 2577 .2 .2 安装 CCS 2587 .2 .3 “CCS setup”配置程序 2587 .3 CCS 集 成 开 发 环 境 应 用 2597 .3 .1 概 述 2597 .3

23、 .2 CCS 的 窗口、 主菜单和工具 条 2597 .3 .3 建立工程文 件 262目 录 57 .3 .4 编辑源程序 2637 .3 .5 构建工程 2657 .3 .6 调 试 2667 .3 .7 断点设置 2677 .3 .8 探针断点 2697 .3 .9 内存、 寄存器和变 量操作 2697 .3 .10 数 据输入与结果 分析 2737 .3 .11 评 估代码性能 2797 .3 .12 内 存映射 2817 .3 .13 通 用扩展语言 GEL 2827 .4 仿真 中断与 I/ O 端口 2827 .4 .1 用 simulator 仿真 中断 2827 .4 .2

24、 用 simulator 仿真 I/ O 口 286附录 A TMS320C54x 指 令 表附录 B TMS320 系 列 产 品 命 名附录 C 条 件 指 令 所 用 到 的 条 件 和 相 应 的 操 作 数 符 号 表参考文献6 DS P 技 术 原 理 及 应 用 教 程第 1 章 绪 论数 字 信 号 处 理 就 是 信 号 的 数 字 化 及 数 字 处 理 。 这 方 面 的 研 究 始 于 20 世 纪 60 年 代 。 现 在 大 学 阶 段 学 习 的 数 字 信 号 处 理 课 程 即 讲 述 信 号 数 字 化 处 理 的 基 本 理 论 、 算 法 和 应 用 。

25、 数 字 信 号 处 理 ( digit al signal processing) 又 可 称 为 DSP。 由 于 过 去 很 长 时 间 里 受 计 算 机 集 成 电 路 技术 和 数 字 化 器 件 发 展 水 平 的 限 制 , 数 字 信 号 处 理 理 论 的 实 时 应 用 很 难 实 现 。 数 字 信 号 处 理 的学 习 和 应 用 只 限 于 理 论 概 念 的 讲 授 和 仿 真 , 所 以 国 内 学 者 常 称 为 数 字 信 号 处 理 , 而 较 少 用 DSP 一 词 。 而 最 早 通 用 可 编 程 数 字 信 号 处 理 硬 件 芯 片 的 英 文

26、名 就 是 digital signal processor ( 数 字 信 号 处 理 器 ) , 有 别 于 digital signal proces sing ( 数 字 信 号 处 理 ) 。 但 二 者 英 文 简 写 都 为 DSP。随 着 数 字 化 硬 件 技 术 水 平 的 飞 速 发 展 , 数 字 信 号 处 理 的 理 论 和 方 法 得 以 在 大 量 实 际 应 用中 实 现 。 由 此 DSP 一 词 逐 渐 流 行 起 来 。 人 们 常 用 DSP 一 词 来 指 通 用 数 字 信 号 处 理 器 , 用 数 字 信 号 处 理 来 指 信 号 数 字 化

27、 处 理 的 理 论 及 方 法 , 用 DSP 技 术 来 指 和 数 字 信 号 处 理 器 有 关 的 数字 信 号 处 理 算 法 实 现 技 术 和 理 论 。本 教 材 主 要 针 对 数 字 信 号 处 理 器 进 行 讲 解 , 数 字 信 号 处 理 只 作 简 单 介 绍 。1 .1 数 字 信 号 处 理1 . 数 字 信 号 处 理 概 述数 字 信 号 处 理 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 和 识 别 等 处 理 , 得 到 符 合 需

28、 要 的 信 号 形 式 。数 字 信 号 处 理 的 实 现 方 法 一 般 有 以 下 几 种 : 在 通 用 的 计 算 机 上 用 软 件 实 现 该 方 法 速 度 太 慢 , 适 于 算 法 仿 真 ; 在 通 用 计 算 机 系 统 上 加 上 专 用 的 加 速 处 理 机 实 现 该 方 法 专 用 性 较 强 , 应 用 受 限 制 ,且 不 便 于 系 统 的 独 立 运 行 ; 用 通 用 的 单 片 机 实 现 这 种 方 式 多 用 于 一 些 不 太 复 杂 的 数 字 信 号 处 理 , 如 简 单 的 PID控 制 算 法 ; 用 通 用 的 可 编 程 DS

29、P 芯 片 实 现 与 单 片 机 相 比 , DSP 芯 片 具 有 更 加 适 合 于 数 字 信 号处 理 的 软 件 及 硬 件 资 源 , 可 用 于 复 杂 的 数 字 信 号 处 理 算 法 ; 用 专 用 的 DSP 芯 片 实 现 在 一 些 特 殊 场 合 , 要 求 信 号 处 理 速 度 极 高 , 用 通 用 的 DSP 芯 片 很 难 实 现 , 而 专 用 的 DSP 芯 片 可 以 将 相 应 的 信 号 处 理 算 法 在 芯 片 内 部 用 硬 件 实 现 , 不 需 要2 DS P 技 术 原 理 及 应 用 教 程编 程 。2 . 数 字 信 号 处 理

30、 系 统图 1 1 示 出 了 一 个 典 型 的 数 字 信 号 处 理 系 统 。 此 系 统 先 将 模 拟 信 号 变 换 为 数 字 信 号 , 经 数 字 信 号 处 理 后 , 再 变 换 成 模 拟 信 号 输 出 。图 1 1 数 字 信 号 处 理 系 统 框 图图 中 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 。混 叠 现 象 一 般 而 言 , 凡 是 频 率 为 f k = f 1 + k fs ( k 为 整 数 , fs 为 采 样 频 率

31、 ) 的 信 号 采 样 后 与 频 率 为 f1 的 信 号 无 区 别 , 这 称 为 f 1 的 混 叠 。 据 奈 奎 斯 特 定 理 , 通 常 采 样 频 率 是 输 入 信 号的 两 倍 。图 1 2 DSP 系 统 设 计 的 一 般 过 程A/ D 转 换 器 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 , 如 一 系 列 算 法 的实 现 等 。D/ A 转 换 器 经 过 DSP 芯 片 处 理 的 数 字 样 值 经 D/ A

32、转 换 为 模 拟 量 , 然 后 进行 平 滑 滤 波 得 到 连 续 的 模 拟 信 号 。上 述 系 统 为 一 个 典 型 系 统 , 但 并 不 是 说 所 有 系 统 构 成 都 如 此 。 如 果 输 入 信 号 本 身 就 是 数 字 信 号 , 或 输 出 设 备 可 以 接 收 数 字 信 号 , 那 么 组 成 系 统 就 只 需 要 DSP 芯 片部 分 。3 . DSP 系 统 的 设 计 过 程DSP 系 统 设 计 的 一 般 过 程 如 图 1 2所 示 。第 1 章 绪 论 31 .2 数 字 信 号 处 理 器数 字 信 号 处 理 器 也 称 为 DSP

33、芯 片 , 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 .2 .1 DSP 芯 片 的 特 点根 据 数 字 信 号 处 理 的 要 求 , DSP 一 般 具 有 如 下 主 要 特 点 :1 . 哈 佛 结 构早 期 的 微 处 理 器 内 部 大 多 采 用 冯 诺 依 曼 ( V on- Ne umann ) 结 构 , 如 图 1 3 所 示 。 其 片内 程 序 空 间 和 数 据 空 间 是 合 在 一 起 的 , 取 指 令 和

34、取 操 作 数 都 是 通 过 一 条 总 线 分 时 进 行 的 。 当高 速 运 算 时 , 不 但 不 能 同 时 取 指 令 和 取 操 作 数 , 而 且 还 会 造 成 传 输 通 道 上 的 瓶 颈 现 象 。 而DSP 内 部 采 用 的 是 程 序 空 间 和 数 据 空 间 分 开 的 哈 佛 ( H avard ) 结 构 , 如 图 1 4 所 示 。 它 允 许同 时 取 指 令 ( 来 自 程 序 存 储 器 ) 和 取 操 作 数 ( 来 自 数 据 存 储 器 ) , 而 且 还 允 许 在 程 序 空 间 和 数 据空 间 之 间 相 互 传 送 数 据 。

35、第 一 代 改 进 的 哈 佛 结 构 如 图 1 5( a) 所 示 。图 1 3 冯 诺 依 曼 ( Von-Neumann ) 结 构 图 1 4 基 本 哈 佛 ( Havar d ) 结构第 二 代 改 进 的 哈 佛 结 构 允 许 指 令 存 储 在 高 速 缓 冲 器 ( cac he ) 中 , 执 行 此 指 令 时 , 不 需 要 再从 存 储 器 中 读 取 指 令 , 节 约 了 一 个 指 令 周 期 的 时 间 , 如 图 1 5( b ) 所 示 。2 . 多 总 线 结 构许 多 DSP 芯 片 内 部 都 采 用 多 总 线 结 构 , 以 保 证 在 一

36、个 机 器 周 期 内 可 以 多 次 访 问 程 序 空 间和 数 据 空 间 。 例 如 T MS320C54 x 内 部 有 P、 C、 D、 E 等 4 条 总 线 ( 每 条 总 线 又 包 括 地 址 总 线 和 数 据 总 线 ) , 可 以 在 一 个 机 器 周 期 内 从 程 序 存 储 器 取 1 条 指 令 , 从 数 据 存 储 器 读 2 个 操 作 数 和4 DS P 技 术 原 理 及 应 用 教 程图 1 5 改 进 的 哈 佛 结 构向 数 据 存 储 器 写 1 个 操 作 数 , 大 大 提 高 了 DSP 的 运 行 速 度 。 因 此 , 对 DSP

37、 来 说 , 内 部 总 线 是个 十 分 重 要 的 资 源 , 总 线 越 多 , 可 以 完 成 的 功 能 就 越 复 杂 。3 . 流 水 线 结 构DSP 执 行 一 条 指 令 , 需 要 通 过 取 指 、 译 码 、 取 操 作 数 和 执 行 等 几 个 阶 段 , 如 图 1 6 所 示 。 在 DSP 中 采 用 流 水 线 结 构 , 而 在 程 序 运 行 过 程中 这 几 个 阶 段 是 重 叠 的 。 这 样 , 在 执 行 本 条 指 令 的 同 时 , 还 依 次 完 成 了 后 面 3 条 指 令 的 取 操 作 数 、 译 码 和 取 指 的 任 务 ,

38、 将 指 令 周 期 降 低 到 最 小 值 。 图 1 6 为 一 个 4 级 流 水 线 的 操 作 图 。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 。4 . 多 处 理 单 元DSP 内 部 一 般 包 括 有 多 个 处 理 单 元 , 如 算图 1 6 4 级 流 水 线 操 作 图术 逻 辑 运 算 单 元 ( A L U ) 、 辅 助 寄 存 器 运 算 单 元 ( A R A U ) 、 累 加 器 ( ACC

39、) 以 及 硬 件 乘 法 器 ( M U L T ) 单 元 等 。 它 们 可 以 在 一 个 指 令 周 期 内 同 时 进 行 运 算 。 例 如 , 当 执 行 一 次 乘 法 和 累 加处 理 的 同 时 , 辅 助 寄 存 器 单 元 已 经 完 成 了 下 一 个 地 址 的 寻 址 工 作 , 为 下 一 次 乘 法 和 累 加 运 算 做 好 了 充 分 的 准 备 。 因 此 , DSP 在 进 行 连 续 的 乘 加 运 算 时 , 每 一 次 乘 加 运 算 都 是 单 周 期 的 。 DSP 的 这 种 多 处 理 单 元 结 构 , 特 别 适 用 于 F IR

40、和 I IR 滤 波 器 。 此 外 , 许 多 DSP 的 多 处 理 单 元 结 构还 可 以 将 一 些 特 殊 的 算 法 , 例 如 F F T 的 位 码 倒 置 寻 址 和 取 模 运 算 等 , 在 芯 片 内 部 用 硬 件 实 现 , 提 高 运 行 速 度 。5 . 特 殊 的 DSP 指 令为 了 更 好 地 满 足 数 字 信 号 处 理 的 需 要 , 在 DSP 的 指 令 系 统 中 , 设 计 了 一 些 特 殊 的 DSP 指 令 。 例 如 , T MS320C25 中 的 MA CD ( 乘 法 、 累 加 和 数 据 移 动 ) 指 令 , 具 有 执

41、 行 L T、 D MOV、 M PY 和 AP AC 等 4 条 指 令 的 功 能 ; T MS320C54x 中 的 F IRS 和 L MS 指 令 , 则 专 门 用 于 系 数对 称 的 FIR 滤 波 器 和 L MS 算 法 。第 1 章 绪 论 56 . 指 令 周 期 短早 期 的 DSP 的 指 令 周 期 约 400 ns , 采 用 4 pm 的 NM OS 制 造 工 艺 , 其 运 算 速 度 为 5 MI PS ( 每 秒 执 行 5 百 万 条 指 令 ) 。 随 着 集 成 电 路 工 艺 的 发 展 , DSP 广 泛 采 用 亚 微 米 CM OS 制

42、造 工 艺 , 其 运 行 速 度 越 来 越 快 。 以 T MS320C54x 为 例 , 其 运 行 速 度 可 达 100 M IPS。 T MS320C6203 的 时 钟 为 300 M H z, 运 行 速 度 达 到 2 400 MI PS。7 . 运 算 精 度 高早 期 DSP 的 字 长 为 8 位 , 后 来 逐 步 提 高 到 16 位 、 24 位 和 32 位 。 为 防 止 运 算 过 程 中 溢 出 , 有 的 累 加 器 达 到 40 位 。 此 外 , 一 批 浮 点 DSP , 例 如 T MS320C3x、 T MS320C4x 和 ADSP21020

43、 等 , 则 提 供 了 更 大 的 动 态 范 围 。8 . 硬 件 配 置 强新 一 代 DSP 的 接 口 功 能 愈 来 愈 强 , 片 内 具 有 串 行 口 、 主 机 接 口 ( H PI ) 、 D MA 控 制 器 、 软 件 控 制 的 等 待 状 态 产 生 器 、 锁 相 环 时 钟 产 生 器 以 及 实 现 在 片 仿 真 符 合 I E EE 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 。DSP 芯

44、 片 的 上 述 特 点 , 使 其 在 各 个 领 域 得 到 越 来 越 广 泛 的 应 用 。1 .2 .2 DSP 芯 片 的 分 类 及 选 择1 . DSP 芯 片 的 分 类DSP 芯 片 有 多 种 类 型 , 如 浮 点 / 定 点 、 通 用 / 专 用 等 。 可 以 按 照 下 列 3 种 方 式 将 其 划 分 。(1 ) 按 基 础 特 性 分 : DSP 芯 片 的 工 作 时 钟 ( 主 频 ) 和 指 令 类 型 。 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 ,

45、没 有 性 能 上 的 下 降 。 如 日 本 OK I 电 器 公 司 的 DSP 和 T I 公 司 的 T MS320C2 xx 系 列 。 一 致 性 DSP: 两 种 或 更 多 的 DSP 芯 片 , 其 指 令 集 、 机 器 代 码 及 引 脚 结 构 相 互 兼 容 。 如 美 国 T I 公 司 的 T MS320C54x。(2 ) 按 数 据 格 式 分 : DSP 对 数 据 的 处 理 有 两 种 格 式 , 即 定 点 数 据 格 式 和 浮 点 数 据 格 式 。 定 点 DSP 芯 片 : 数 据 以 定 点 格 式 参 加 运 算 。 如 T I 公 司 的

46、T M S320C1 x/ C2x/ C2xx/ C5x/ C54x/ C62x x 系 列 ; AD 公 司 的 ADSP21XX; M O T OL OR A 公 司 的 MC56000 和 A T AD 公 司 的 ADSP21XXX ; MO T O LO R A 公 司 的 MC96002 和 A T MO T O LO R A 公 司 的 DSP56200 专 用 于 数 字 滤 波 。2 . DSP 芯 片 的 选 择设 计 DSP 应 用 系 统 , DSP 芯 片 的 选 择 是 很 重 要 的 。 DSP 芯 片 的 选 择 应 根 据 其 所 应 用 系 统 的 应 用

47、场 合 和 目 的 而 定 。 只 有 选 定 了 DSP 芯 片 , 才 能 进 一 步 设 计 其 外 围 电 路 及 系 统 软 件 编程 。 如 果 芯 片 选 择 不 当 就 会 造 成 设 计 工 作 的 失 败 。 这 也 是 搞 工 程 设 计 的 大 忌 。一 般 来 说 , 选 择 DSP 芯 片 时 应 考 虑 如 下 几 个 因 素 。(1 ) DSP 芯 片 的 运 算 速 度 : 这 是 一 项 最 重 要 的 性 能 指 标 , 决 定 整 个 系 统 的 实 时 性 问 题 。 运算 速 度 可 以 用 以 下 几 种 性 能 指 标 来 衡 量 。 指 令 周

48、 期 : 执 行 一 条 指 令 所 需 要 的 时 间 , 通 常 以 毫 秒 ( ns ) 为 单 位 。 M A C 时 间 : 完 成 一 次 乘 法 和 一 次 加 法 的 时 间 。 F F T 执 行 时 间 : 运 行 一 个 N 点 FF T 程 序 所 需 的 时 间 。 M IPS: 每 秒 执 行 百 万 条 指 令 。 M OPS: 每 秒 执 行 百 万 次 操 作 。 M F LOPS: 每 秒 执 行 百 万 次 浮 点 操 作 。 B OPS : 每 秒 执 行 十 亿 次 操 作 。( 2) DSP 芯 片 的 硬 件 资 源 : 如 片 内 R OM 和

49、R AM 的 大 小 , 外 部 可 扩 展 的 程 序 、 数 据 和 I/ O空 间 , 总 线 接 口 和 I/ O 接 口 等 。 不 同 的 DSP 芯 片 硬 件 资 源 不 同 , 即 使 同 一 系 列 亦 不 尽 相 同 。(3 ) DSP 芯 片 的 运 算 精 度 : 参 加 运 算 的 数 据 字 长 越 长 精 度 越 高 。 一 般 DSP 字 长 16 位 , 如 T I 公 司 的 T MS320 系 列 ; 有 的 定 点 芯 片 字 长 为 24 位 , 如 MO T O LO R A 公 司 的 MC56001。 浮点 芯 片 为 32 位 。(4 ) DSP 芯 片 的 功 耗 : 在 某 些 DSP 应 用 场 合 , 功 耗 也 是 一 个 很 重 要 的 问 题 。 功 耗 的 大 小意 味 着 发 热 的 大 小 和 能 耗 的 多 少 。 如 便 携 式 的 DSP 设 备 , 手 持 设 备 ( 手 机 ) 和 野 外 应 用 的 DSP 设 备 对 功 耗 都 有 特 殊 的 要 求 。(5 ) DSP 芯 片 的 开 发 工 具 : DSP 系 统 的 开 发 应 用 、 开 发 工 具 是 必 不 可 少 的 。 有 强 大