定点数字信号处理器DSP技术与应

ADSP-218x Workshop 1-1 定 点 数 字 信 号 处 理 器 （ DSP）技 术 与 应 用16位 定 点 DSPADSP218X/219X ADSP-218x Workshop 1-2 课 程 的 主 要 内 容 和 目 的本 课 程 主 要 介 绍 ADSP-218X / 219X系 列 16位 定 点 DSP的体 系 结 构 和 软 /硬 件 开 发 环 境 ， 通 过 几 个 典 型 的 实 验 使 大家 初 步 掌 握 DSP系 统 的 硬 件 构 成 、 软 件 开 发 以 及 系 统的 综 合 调 试 方 法 。课 程 的 重 要 性 ： 直 接 面 向 应 用 。 IT工 程 师 三 大 实 用 技 能* PCB设 计* DSP应 用* FPGA应 用 ADSP-218x Workshop 1-3 第 一 部 分数 字 信 号 处 理 器 （ DSP） 概 述 ADSP-218x Workshop 1-4 数 字 信 号 处 理 及 数 字 信 号 处 理 器 （ DSP）Digital Signal Processor ADSP-218x Workshop 1-5 数 字 信 号 处 理数 字 信 号 处 理 的 特 点 特 别 强 调 运 算 处 理 的 实 时 性 （ Real-Time Capability)模 拟 /数 字 转 换A/D Converter 数 字 信 号处 理 运 算 数 字 /模 拟 转 换D/A Converter待 处 理的 信 号 处 理后的 信号 ADSP-218x Workshop 1-6 数 字 信 号 处 理 器 （ DSP） 结 构 特 点 DSP面 向 高 性 能 、 重 复 性 、 数 值 运 算 密 集 型 的 实 时 处 理 ， 它 具 有 适 合 数字 信 号 处 理 算 法 的 指 令 、 适 合 数 字 信 号 处 理 数 据 结 构 的 存 储 器 结 构 和 寻址 机 构 、 并 行 处 理 能 力 和 嵌 入 式 性 能 等 。 其 体 系 结 构 一 般 具 有 以 下 特 点： 采 用 分 离 地 址 与 数 据 总 线 的 哈 佛 结 构 （ CPU： 冯 .诺 伊 曼 结 构 ） ， 有 着较 高 的 指 令 执 行 速 度 ， 但 结 构 复 杂 需 要 两 套 地 址 产 生 电 路 。 采 用 流 水 线 技 术 ， 使 取 指 、 译 码 、 取 操 作 数 、 执 指 等 步 骤 并 行 完 成 ， 提高 了 指 令 的 执 行 速 度 。 除 了 算 数 逻 辑 单 元 （ ALU） 外 ， 具 有 独 立 的 乘 加 器 ， 使 其 能 够 在 一 个 周期 内 完 成 相 乘 和 累 加 两 个 操 作 ， 加 快 了 各 种 典 型 处 理 算 法 的 处 理 速 度 。 具 有 适 用 于 典 型 处 理 算 法 的 特 殊 存 储 器 寻 址 方 式 ， 如 循 环 寻 址 、 位 反 序寻 址 等 。 针 对 实 时 处 理 的 专 用 的 数 据 接 口 （ RAM、 DMA、 SPORT， etc.)， 使 数 据 的 存 取 速 度 得 以 提 高 。 专 门 的 指 令 流 控 制 逻 辑 ， 如 无 附 加 开 销 的 循 环 转 移 指 令 。 集 成 度 高 ， 能 够 实 现 单 片 、 低 功 耗 的 处 理 系 统 。 ADSP-218x Workshop 1-7 数 字 信 号 处 理 器 （ DSP） 的 应 用 领 域 通 用 数 字 信 号 处 理 （ 数 字 滤 波 、 卷 积 、 相 关 、 变 换 等 ） 通 信 （ 高 效 调 制 /解 调 、 编 /解 码 器 、 自 适 应 均 衡 、 IP处 理 、 软 件无 线 电 等 ） 语 音 处 理 （ 语 音 识 别 /合 成 /压 缩 /解 压 缩 等 ） 图 形 /图 象 处 理 （ 图 象 变 换 、 模 式 识 别 、 图 象 压 缩 /解 压 缩 等 ） 自 动 控 制 （ 高 精 度 、 高 速 度 伺 服 控 制 ） 军 事 /航 空 /航 天 （ 雷 达 /声 呐 信 号 处 理 、 雷 达 成 像 、 制 导 /火 控 系 统、 导 航 /定 位 系 统 、 战 场 C3I系 统 等 ） 消 费 电 子 （ 数 字 高 清 晰 度 电 视 （ HDTV） 、 CD/VCD/DVD编 解 码器 、 多 媒 体 信 息 处 理 、 汽 车 电 子 等 ） ADSP-218x Workshop 1-8 DSP的 典 型 应 用 MPEG-4因 特 网 摄 像 机 ADSP-218x Workshop 1-9 DSP的 分 类 主 要 分 为 通 用 DSP和 专 用 DSP两 大 类通 用 DSP： 其 所 要 实 现 的 处 理 算 法 由 软 件 程 序 控 制 实 现 。 应 用 灵 活 性 大 ， 通 过 更 改 软 件 程 序 能 够 实 现 不 同 的 处 理 算 法 。 产 品 是 各 种 类 型 的 可 编 程 DSP芯 片 ， 应 用 较 广 泛 的 是 ： TI公 司 的 TMS320系 列 AD公 司 的 ADSP21XX系 列专 用 DSP： 针 对 某 种 具 体 应 用 而 设 计 ， 所 要 实 现 的 处 理 算 法 由 硬 件 直 接 实 现 。 运 算 处 理 速 度 极 高 ， 但 完 成 的 算 法 单 一 、 精 度 和 动 态 范 围 有 限 ， 需 要 与 外 围 电 路 配 合 才 能 构 成 系 统 ， 功 耗 也 较 大 ， 因 此 应 用 范 围 较 窄 ， 主 要 应 用 于 仪 器 / 仪 表 以 及 军 事 等 需 要 极 高 处 理 能 力 的 领 域 。 主 要 产 品 ： FFT专 用 DSP、 卷 积 /相 关 器 、 复 乘 加 器 等 。* 用 ASIC/FPGA实 现 的 DSP ADSP-218x Workshop 1-10 DSP的 分 类DSP 专 用 DSP 横 向 滤 波 器FFT复 乘 /累 加 器求 模 /相 角嵌 入 式 DSP定 点 DSP32bit浮 点 DSP32bit浮 点 并 行 DSP超 高 性 能 DSP 16bit 定 点 DSP24bit 定 点 DSP通 用 DSP ADSP-218x Workshop 1-11 数 字 信 号 处 理 器 （ DSP） 的 开 发 与 调 试 DSP系 统 的 设 计 分 为 硬 件 /软 件 两 个 部 分 。 两 者 可 以 在 各 自 的 开 发 平 台 上分 别 进 行 前 期 设 计 与 调 试 ， 然 后 进 行 系 统 的 联 调 。 具 体 开 发 流 程 如 图 所示 。 硬 件 设 计 DSP选 型 /系 统 结 构 确 立 性 能 /功 耗 分 析 开 发 周 期 /成 本 分 析 电 路 设 计 /调 试调 试 工 具 ：DSP在 线 硬 件 仿 真 器 （ Emulator)、 DSP开 发 /评 估 板 （ Evaluation Board)、示 波 器 、 逻 辑 分 析 仪 。 软 件 设 计 算 法 确 定 /程 序 流 程 图 软 件 编 制 （ 汇 编 /C语 言 ） 汇 编 /编 译 /链 接 软 件 模 拟调 试 工 具 ：汇 编 /编 译 /链 接 程 序 ， 软 件 模 拟 /调 试 器 （ Simulator/Debugger) 系 统 联 调 对 整 个 系 统 的 软 /硬 件 进 行 的 综 合 调 试 。调 试 工 具 ： 硬 件 仿 真 器 、 DSP开 发 /调 试 集 成 环 境 （ IDE/IDDE） 、 DSP OS， etc. ADSP-218x Workshop 1-12 ADSP-218x在 线 仿 真 器 ADSP-218x Workshop 1-13 ADSP-218x开 发 /评 估 板 ADSP-218x Workshop 1-14 ADSP-218x开 发 /评 估 板 所 包 含 的 功 能 部 件 ADSP-218x Workshop 1-15 DSP系 统 的 开 发 流 程 图 系 统 级 设 计系 统 功 能 要 求系 统 性 能 及 算 法 模 拟 处 理 速 度 、 开 发 周 期 、体 积 、 成 本 ， 功 耗 、供 货 、 升 级 器 件 选 型 ：DSP型 号 、 存 储 器 、 I/O、FPGA、 A/D、 D/A 系 统 设 计 框 图硬 件 设计 软 件 设 计 ADSP-218x Workshop 1-16 DSP系 统 的 开 发 流 程 图 电 路 /软 件 设 计电 路 原 理 图 设 计生 成 电 路 网 表设 计 印 制 电 路 板印 制 板 制 造器 件 安 装 软 件 流 程 图 绘 制高 级 语 言程 序 设 计 汇 编 语 言程 序 设 计汇 编 算 法 库实 时 运 行 库 编 译 汇 编链 接 软 件 模 拟硬 件 调 试 软 /硬 件 系 统 联 调示 波 器逻 辑 分 析 仪 ADSP-218x Workshop 1-17 DSP系 统 的 开 发 流 程 图 系 统 联 调系 统 在 线 仿 真PC机 仿 真 仿 真 结 果 ? 有 误 错固 化 程 序嵌 入 系 统 设 备 进 行 联 调连 接 外 部 设 备 综 合 测 试满 足 系 统 要 求 ? 否否 成 品 制 造示 波 器逻 辑 分 析仪 ADSP-218x Workshop 1-18 DSP及 其 开 发 的 新 趋 势 单 片 系 统 （ System-On-Chip) 随 着 VLSI技 术 的 发 展 ， 针 对 一 定 的 应 用 领 域 ， 可 以 使 整 个系 统 以 DSP为 核 心 进 行 设 计 ， 并 将 应 用 中 所 涉 及 的 诸 如 RAM、I/O、 A/D、 D/A等 附 加 电 路 单 元 全 部 集 成 在 一 片 IC芯 片 中 ， 并 且包 括 处 理 单 元 在 内 的 各 功 能 块 都 具 有 可 重 定 义 特 性 （ Re-Configurable). 这 样 一 来 ， 系 统 以 后 的 功 能 扩 展 与 升 级 将 非 常 简 单 ， 只 需 要 重新 编 写 软 件 程 序 即 可 。 同 时 系 统 的 功 耗 会 大 大 的 降 低 ， 可 靠 性会 大 大 的 提 高 。 而 这 对 便 携 /移 动 应 用 非 常 重 要 。 模 块 化 设 计 DSP及 支 持 芯 片 /软 件 生 产 厂 商 ， 均 依 据 一 定 的 标 准 ， 设 计生 产 电 路 板 级 DSP处 理 模 块 ， 同 时 为 这 种 模 块 提 供 丰 富 的 符 合 标准 的 软 件 开 发 系 统 和 算 法 资 源 库 。 这 样 做 的 好 处 是 降 低 了 硬 件 设 计 难 度 、 减 少 了 硬 件 设 计 时 间 ， 更 重 要 的 是 模 块 化 设 计 得 到了 丰 富 的 软 件 支 持 ， 大 大 提 高 了 设 计 效 率 。 ADSP-218x Workshop 1-19 二 进 制 代 数 复 习 ADSP-218x Workshop 1-20 DSP中 的 二 进 制 数 表 示 方 法ADSP-2100系 列 定 点 数 DSP使 用 2的 补 码 进 行 操 作 。 若 要 有 效 地 对 该 系 列 DSP进 行 编 程 ， 了 解 以 下 概 念 及 定 义 是 非 常 重 要 的 。1) 有 符 号 / 无 符 号 数 格 式2) 小 数 / 整 数 格 式3) 小 数 的 范 围4) 16进 制 到 2进 制 的 转 换 5) 2进 制 到 16进 制 的 转 换 ADSP-218x Workshop 1-21 2进 制 （ Binary ） - （ 16进 制 ） Hexadecimal 10进 制 （ Decimal ） 数 据 转 换 表Decimal 0 123456789 101112131415 Hexadecimal 01 23456789ABCDEF Binary 0000 000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111 ADSP-218x Workshop 1-22 有 符 号 数 与 无 符 号 数无 符 号 数有 符 号 数 0 x0000 0V (最 小 负 值 ) 0 xFFFF 5V (最 大 正 值 )0 x8000 -5V (最 小 负 值 ) 0 x0000 0V 0 x7FFF 5V (最 大 正 值 )S/U U U U U U U U U U U U U U U U015 2进 制 表 示 实 际 物 理 量 ADSP-218x Workshop 1-23 有 符 号 数 （ 原 码 ） 与 2的 补 码 有 符 号 数 （ 原 码 ） 的 最 高 位 （ MSB） 为 符 号 位 。1表 示 负 数 0表 示 正 数* 有 符 号 数 （ 原 码 ） “ 0” 有 两 种 表 示 方 法 （ +/-0） 。* 有 符 号 数 （ 原 码 ） 的 运 算 比 较 复 杂 ， 类 似 于 正 负 数 的 笔 算 ， 先 要 比 较 两 个 数 绝 对 值 的 大 小 ， 然 后 确 定 如 何 计 算 ， 最 后 在 确 定 符 号 位 。 2的 补 码 Xcmp = 2n + X (n-字 长 位 数 ）* 性 质 ： 正 数 的 补 码 与 其 原 码 相 同 。 负 数 的 补 码 仍 是 负 数 ， 它 是 将 其 原 码 的 符 号 位 保 持 不 变 而 将 其 数 值 部 分 求 补 得 到 。 “ 0” 在 补 码 中 的 表 示 是 唯 一 的 。* 补 码 的 求 法 ： 一 个 负 数 的 补 码 等 于 其 原 码 除 符 号 位 保 持 不 变 外 ， 其 余 各 位 按 位 求 反 ， 再 在 最 低 位 加 1。* 补 码 的 运 算 ： 符 号 位 与 数 值 位 一 样 参 加 运 算 （ 若 符 号 位 有 进 位 则 丢 弃 ） 。 * 溢 出 的 判 别 ： “ 双 高 位 判 别 法 ”Cs： 最 高 位 （ 符 号 位 ） 的 进 位 情 况 。 若 有 进 位 ， Cs = 1;Cp： 数 值 部 分 的 最 高 位 的 进 位 情 况 。 若 有 进 位 ， Cp = 1;Overflow = Cs xor Cp ADSP-218x Workshop 1-24 2的 补 码 表 示 方 法对 于 2的 补 码 表 示 法 ， 一 个 数 符 号 位 的 位 权 值 是 -(2)(M-1)， M是 2进 制 小 数 点 左边 的 位 数 。 对 于 一 个 4.2 型 式 的 数 字 , 符 号 位 的 位 权 值 是 -(23). 例 子 : 0101.01 = 0 * (-8) + 1 * (4) + 0 * (2) + 1 * (1) + 0 * (1/2) + 1 * (1/4) = 5.25 1101.01 = 1 * (-8) + 1 * (4) + 0 * (2) + 1 * (1) + 0 * (1/2) + 1 * (1/4)= - 2.75 -2-13 012-(2 ) 2 2 2 2 2 ADSP-218x Workshop 1-25 小 数 与 整 数 表 示 法 1.15型 式 的 小 数 格 式S F F F F F F F F F F F F F F FS I I I I I I I I I I I I I I I小 数 点 小 数 点 16.0型 式 的 整 数 格 式 ADSP-218x Workshop 1-26 DSP是 针 对 小 数 表 示 型 式进 行 优 化 设 计 的DSP也 支 持 整 数 表 示 型 式 ADSP-218x Workshop 1-27 16位 二 进 制 数 的 表 示 范 围最 大 10进 制 正 数 (0 x7FFF) 0.999969482421875 1.999938964843750 3.999877929687500 7.999755859375000 15.999511718750000 31.999023437500000 63.998046875000000 127.996093750000000 255.992187500000000 511.984375000000000 1023.968750000000000 2047.937500000000000 4095.875000000000000 8191.750000000000000 16383.500000000000000 32767.000000000000000 最 大 10进 制 负 数 (0 x8000) 1.0 2.0 4.0 8.0 16.0 32.0 64.0 128.0 256.0 512.0 1024.0 2048.0 4096.0 8192.0 16384.0 32768.0 最 低 有 效 位 （ LSB ）为 1 时 的 10进 制 数 值 (0 x0001) 0.000030517578125 0.000061035156250 0.000122070312500 0.000244140625000 0.000488281250000 0.000976562500000 0.001953125000000 0.003906250000000 0.007812500000000 0.015625000000000 0.031250000000000 0.062500000000000 0.125000000000000 0.250000000000000 0.500000000000000 1.000000000000000格 式 1.15 2.14 3.13 4.12 5.11 6.10 7.9 8.8 9.7 10.6 11.5 12.4 13.3 14.2 15.1 16.0 小 数整 数 ADSP-218x Workshop 1-28 不 同 数 制 表 示 实 例+5 V-5 V0 V 0 x7FFF0 x00000 x80001 23 4 5 格 式0 x7FFF 0 x3FFF 0 x0000 0 xCCCD 0 x80001) 2) 3) 4) 5) 16.0 1.155 V 2.5 V 0 V -2.0 V -5.0 V= 32767 - = 16383 - = 0 - = -13107 - = -32768 - 0.999969482. - 0.499969482. - 0.0000000. - -0.399993986. - -1.0000000. - 5 V 2.5 V 0 V -2.0 V -5.0 V ADSP-218x Workshop 1-29 有 两 种 将 16进 制 数 转 换 为 10进 制 数 的 方 法 ， 一 种 简 单 ， 一 种 较 复 杂 . 复 杂 的 方 法 : 先 将 16进 制 数 转 换 成 2进 制 数 . 确 定 小 数 点 的 位 置 . 将 每 一 位 的 2进制 位 数 值 乘 以 其 响 应 的 位 权 值 。例 子 : 将 0 x2A00（ 以 1.15 、 2的 补 码 格 式 表 示 ） 转 换 10进 制 数 值0 x2A00 = 0.010 1010 0000 0000 = 2-2 + 2-4 + 2-6 = 0.25 + 0.0625 + 0.015625 = 0.328125 = 0.33 = 1/3 简 单 的 方 法 : 先 将 16进 制 数 直 接 转 换 成 10进 制 数 （ 整 数 整 数 ） 。 再 用 转 换 后 的10进 制 数 除 以 2N， N是 2进 制 小 数 点 右 边 的 位 数 。 例 子 : 将 0 x2A00（ 以 1.15 、 2的 补 码 格 式 表 示 ） 转 换 10进 制 数 值0 x2A00 10752 / 215 = 10752 / 32768 = 0.328125 16进 制 (1.15 格 式 )到 10进 制 转 换 ADSP-218x Workshop 1-30 有 两 种 将 10进 制 数 转 换 为 16进 制 数 的 方 法 ， 一 种 简 单 ， 一 种 较 复 杂 .复 杂 的 方 法 : 将 10进 制 数 用 其 2N 的 型 式 表 示 出 来 。例 子 : 将 0.8125转 换 成 以 1.15、 2的 补 码 表 示 的 16进 制 数 值简 单 的 方 法 : 将 10进 制 数 乘 以 2N ， N是 1.15格 式 小 数 点 右 边 的 位 数 值 。 然 后 再 计 算 16进 制数 值 。例 子 : 将 0.8125转 换 成 以 1.15、 2的 补 码 表 示 的 16进 制 数 值0.8125 * 215 = 0.8125 * 32768 = 26624 0 x680010进 制 到 16进 制 转 换 (1.15 格 式 )0.8125 = 2 -22 -120 2 -3 2-4 2 -5 2-6 2 -71 1/2 1/4 1/8 1/16 1/641/32 1/1280 0001011 = 0 x6800