第一章DSP概述

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,DSP,原理及应用,程善美,控制科学与工程系自动化研究所,Tel:87540924,E_mail:csm_hust,刘和平等,. TMS320LF240X DSP,结构、原理及应用,.,北京：北京航空航天大学出版社，,2002 (TP332 19),赵世廉,. TMS320X240X DSP,原理及应用开发指南,.,北京：北京航空航天大学出版社，,2007 (TP332 114),冬雷,. DSP,原理及电机控制系统应用,.,北京：北京航空航天大学出版社，,2007 (TN911.72 212),TI. TMS320LF/LC24,系列,DSP,的,CPU,与外设,.,北京：清华大学出版社，,2004 (TN911.72 100),江思敏,. TMS320LF240X DSP,硬件开发教程,.,北京：机械工业出版社，,2003 (TN911.72 79),程善美等,. DSP,在电气传动系统中的应用,.,北京：机械工业出版社，,2010,第一章 概述,1.1 DSP,概念,1.2 DSP,芯片,1.3 TMS320,系列,DSP,1.1 DSP,概念,DSP,有两个含义：,（,1,）,是,Digital Signal Processing,的简称，是指数字信号处理技术，它不仅涉及许多学科，还广泛应用于多种领域。特别是在,20,世纪,60,年代，随着计算机和信息技术的迅猛发展，进一步推动了数字信号处理技术的理论和应用领域的发展。,(2),是,Digital Signal Processor,的简称，即数字信号处理器,(,也称,DSP,芯片,),，它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度远远超过通用的微处理器。它是一种适合于数字信号处理的高性能微处理器。,数字信号处理系统一般是利用计算机或专用处理设备对信号进行滤波、采集、变换、存储和处理，得到需要的信号形式。采用,DSP,芯片的信号处理系统的一般框图如图,1.1,所示。,低通滤波,是将连续信号,X(t),中的一些次要成分滤除，比如，滤去幅度较小的高频成分及一些杂散信号，以满足采样定理等数字信号预处理要求。,ADC,一般系统中待处理的信号往往是模拟信号，那么在数字信号处理之前，首先需要将模拟信号经过模数转换器（,ADC,）,转换为数字信号。对模拟信号的采样必须满足采样定理，即采样频率必须大于或等于模拟信号最大频率分量的,2,倍，这样才能由采样信号无失真地恢复原模拟信号。,DAC,与平滑滤波,数字信号经过处理后，要经过,DAC,转换为模拟信号，,DAC,输出是一个零阶保持器输出，即输出是台阶形的。所以一般,DAC,之后加一平滑低通滤波器，滤除多余的高频分量，对产生时间域模拟信号波形起平滑作用。,数字信号处理器（,DSP,）,用于实时完成上述数字信号处理的微处理器,。,1.2 DSP,芯片,1.2.1 DSP,芯片概述,1. DSP,的发展与分类,第一片,DSP,器件是,1978,年,AMI,公司推出的,S2811,。,1979,年,Intel,公司推出的,Intel2920,是第一片脱离了通用微处理器的商用,DSP,芯片。,1980,年，日本的,NEC,公司推出的,uPD7720,是第一个具有硬件乘法器的,DSP,芯片。,1982,年美国德州仪器公司（,Texas Instrument,，,简称,TI,）的,TMS320,系列,DSP,芯片问世。,第一代,DSP,：,TMS32010,、,TMS32011,、,TMS32C10/C14/C15/C16/C17,等；,第二代,DSP,：,TMS32020,、,TMS320C25/C26/C28,；,第三代,DSP,：,TMS32C30/C31/C32,等；,第四代,DSP,芯片：,TMS32C40/C44,；,第五代,DSP,芯片：,TMS32C50/C51/C52/C53,以及集多个,DSP,于一体的高性能,DSP,芯片,TMS32C80/C82,；,第六代,DSP,：,TMS320C64X/C67X,和,DSP,控制器,C28X,等。,TI,在其,TMS320,系列芯片上设置了符合,IEEE1149,标准的,JTAG,（,Joint Test Action Group,）,标准测试接口及相应的控制器，通过,JTAG,和专用的仿真器支持,DSP,的仿真和程序的下载，方便了,DSP,应用系统的开发。,Motorola,公司,1986,年推出了定点,DSP,芯片,MC56001,，,1990,年推出了与,IEEE,浮点格式兼容的浮点,DSP,芯片,MC96002,。,Motorola,的,DSP,芯片上设置了一个,OnCE(On,-Chip Emulation),功能模块，用特定的电路和引脚使用户可以检查片内的寄存器、存储器及外设，用单步、断点和跟踪等方式控制和调试程序。目前在,DSP,市场仍有一定的影响。,美国模拟器件公司,(Analog Devices,，简称,AD,）,也相继推出了一系列具有自己特点的,DSP,芯片，在,DSP,市场上也占有一定的份额。,DSP,芯片型号多种多样，分类也有多种方法，但主要有以下两种：,（,1,）按,DSP,芯片处理的数据格式来分，可以分为定点,DSP,芯片和浮点,DSP,芯片。,（,2,）按,DSP,芯片的用途来分，可分为通用型,DSP,芯片和专用型,的,DSP,芯片。,2.,当前,DSP,芯片发展的主要特点,多,型号越来越多，集成的片内外设越来越多。,快,DSP,芯片频率越来越高，速度越来越快。,好,性能价格比越来越高。,省,功耗相对越来越低。,3. DSP,的应用,TI,公司的,Users Guide,概括了数字信号处理器应用的,11,个大方面：,（,1,）汽车：自适应行驶控制、防滑自动控制、蜂窝电话、数字收音机、引擎控制、全球定位、导航、振动分析、语音命令；,（,2,）消费类产品：数字收音机,/TV,、,教育类玩具、音乐合成器、动力工具、雷达检测器、固态应答器、传呼机；,（,3,）控制：磁盘驱动控制、引擎控制、激光打印机控制、电机控制、机器人控制、伺服控制；,（,4,）通用场合：自适应滤波、卷积、相关、数字滤波、快速傅立叶变换、希尔伯特变换、波形产生、加窗,；,（,5,）图形,/,图象：,3,维旋转、动画,/,数字地图、同态处理、图象压缩,/,传输、图象增强、模式识别、机器眼、工作站；,（,6,）工业：数字化控制、电力线监控、安全检修；,（,7,）仪器：数字滤波、函数发生、模式匹配、锁相环、地震信号处理、谱分析、瞬态分析；,（,8,）医学：诊断设备、胎儿监护、助听器、病人监护、整形术、超声设备；,（,9,）军事：图象处理、导弹控制、导航、雷达信号处理、射频调制解调器、安全通讯、声纳信号处理；,（,10,）电信：,12005600bps Modem,、,自适应均衡、,ADPCM,码变化器、基站、蜂窝电话、信道复用、数据加密等；,（,11,）话音,/,语音：说话人检验、语音增强身份、语音识别、语音合成、语音声码起技术、文本,/,语音转换、语音邮箱。,4. DSP,芯片的选择,一般来说，选择,DSP,芯片时考虑如下诸多因素：,（,1,）,DSP,芯片的运算速度。运算速度是,DSP,芯片的一个最重要的性能指标，也是选择,DSP,芯片时所需要考虑的一个重要因素；,（,2,）,DSP,芯片的硬件资源及性价比；,（,3,）,DSP,芯片的开发工具是否易学易用；,（,4,）其他的因素，如封装的形式、质量标准、生命周期等；,（,5,）应用系统对功耗的要求。,如果应用系系统对功耗的要求很高时，要考虑以下几个方面：,（,1,）选择低功耗的,DSP,器件；,（,2,）合理设计软件降低功耗；,（,3,）合适的,DSP,运行速度；,（,4,）正确处理外围电路。,1.2.2 DSP,芯片的结构特征,为了适应快速数字信号处理运算的要求，,DSP,芯片普遍采用了特殊的硬件和软件结构，以提高其数字信号处理的运算速度。,DSP,芯片的主要结构特征有：采用了哈佛结构、流水线技术、硬件乘法器和特殊,DSP,指令等。,1.,哈佛结构,哈佛结构是一种并行体系结构，主要特点是将程序和数据存储在不同的存储器空间，对程序和数据独立编址，独立访问。而且在,DSP,中设置了数据和程序两套总线，使得取指令和执行能完全重叠运行，提高数据吞吐量。,为了进一步提高速度和灵活性，,TMS320,系列产品中，在哈佛结构上作了改进，一是允许程序存储在高速缓存中，提高指令读取速度；二是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，增强芯片的灵活性。另外,DSP,中的双口,RAM(DARAM),及独立读写总线使数据存取速度提高。,2.,流水线技术,DSP,芯片广泛采用流水线技术，增强了处理器的处理能力,。,TMS320,系列流水线深度为,2,6,级不等，也就是说，处理器在一个时钟周期可并行处理,2,6,条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。图,1.2,为三级流水线操作的例子。在三级流水线操作中，取指令、指令译码和执行可以独立地处理，这样,DSP,可以同时处理多条指令，只是每条指令处于不同处理阶段。,3.,硬件乘法器,在数字信号处理的许多算法中，需要做大量的乘法和加法。,DSP,芯片一般都有一个硬件乘法器，,在,TMS320,系列中，一次乘累加最少可在一个时钟周期完成。,4.,特殊,DSP,指令,DSP,芯片的另一个特点就是采用了特殊的寻址方式和指令。比如，,TMS320,系列的位反转寻址方式，,LTD,、,MPY,、,RPTK,等特殊指令。采用这些适合于数字信号处理的寻址方式和指令，进一步减少了数字信号处理的时间。,1.3 TMS320,系列,DSP,1.3.1 TMS320,系列概况,TMS320,系列包括了定点、浮点和多处理器数字信号处理芯片。其体系结构适合于实时数字信号处理,。,TMS320,主要,DSP,系列产品如,图,1.3,所示。,图,1.3 TMS320,系列产品,TI,的,DSP,产品可以分为三种不同指令集的三大系列：,TMS320C2000,、,TMS320C5000,和,TMS320C6000,。,(1) TMS320C2000,作为优化控制的最佳,DSP,，,该系列提供了业界成本最低，应用最广的数字化控制解决方案，自然成为家电、空调系统、自动化系统、电机控制和电力电子控制系统的首选控制器件。,TMS320C5000,是最节能的,DSP,。,16,位定点，速度,40200MIPS,。,主要用途是有线和无线通讯,、,IP,、,便携式信息系统、寻呼机、助听器等。,TMS320C6000,最高性能的、最快的,DSP,，,产品包括不同的性能级别，最高的可达,1.1G,。,这样杰出的性能，使得在诸如有线,/,无线宽带网络、组合,Modem,、,GPS,导航、基站数字波束形成、医学图像处理、语音识别、,3,D,图形、,ADSL Modem,、,网络系统、中心局交换机、数字音频广播设备等应用领域游刃有余。,TMS320,系列,DSP,具有一下特点,:,(1),灵活的指令系统；,(2),灵活的操作性能；,(3),高速的运算能力；,(4),改进的并行结构；,(5),很高的性能价格比；,(6),符合,IEEE1149,的标准的,JTAG,标准测试接口。,TMS320,系列中的同一系列产品具有相同的,CPU,结构，只是片内存储器和（或）片内的外设配置不同，派生的器件集成了新的片内存储器和（或）外设，以满足不同应用场所的不同的需要。将存储器和外设集成到,DSP,芯片内，降低了系统的成本，节省了电路板空间，提高了系统的可靠性。,1.3.2 TMS320C2000,系列产品,TI,公司的,C24x,系列产品可分为两大类,5V,供电的,TMS320x24x,系列，主要包括,TMS320C240,、,TMS320F240,、,TMS320F241,、,TMS320C242,、,TMS320F243,等型号,与,TMS320x24x,系列兼容的采用低功耗设计的,TMS320Lx240x,系列，主要包括,TMS320LC2402/2404/2406,、,TMS320/LF2402/2406/2407,等型号,可进行代码加密的,TMS320Lx240xA,系列，主要包括,LC2402A/2404A/2406A,、,LF2401A/2402A/2403A/2406A/2407A,等型号,TMS320x24x,系列的主要特征,(1),采用静态,CMOS,技术，,4,种用于减少功耗的省电方式。,(2),包括,TMS320C2XX,内核,CPU,，,与,C2XX,、,C2X,和,C5X,源码兼容，,50ns,的指令周期，且大多数指令为单周期指令。,(3),片内有,544,字（,544X16,位）双口,RAM,，,8K/16K,字的片内程序,ROM/,闪速存储器,Flash,；,对于有外部存储器接口的型号共有,224K,字的存储器寻址空间（,64K,数据、,64K,程序、,64KI/O,以及,32K,全局存储空间），具有软件等待发生器的外部存储器接口可实现与慢速存储器的接口。,(4),片内集成有一个事件管理器、双,10,位模数转换器（,ADC,）、,异步串行通讯接口,SCI,、,同步串行外设接口,SPI,以及大量的独立可编程多路复用,I/O,引脚，,F241,和,F243,还增加了,CAN,控制模块。,(5),片内包含基于锁相环的时钟模块和带实时中断的看门狗定时器模块。,(6),共有六个外部中断（功率驱动保护、复位、,NMI,以及三个可屏蔽中断）。,(7),基于扫描的仿真,JTAG,便于程序的调试和目标代码的下载。,TMS320x240x,的主要的特征,(1),采用了与,TMS320x24x,相同的,TMS320C2XX,内核，程序控制、流水线操作、指令系统等与,TMS320x24x,相同。,(2),采用高性能静态,CMOS,技术，供电电压为,3.3V,，,指令周期为,25ns,或,33ns,。,(3),片内除了,544,个字的,DARAM,，,还增加了,SARAM,存储器，,FLASH/ROM,的数量也得到了增加，并具有可编程的代码加密特征。,(4),可扩展的外部存储器总共具有,192K,字的空间，为,64K,字的程序、数据以及,I/O,空间。,(5),具有,SCI/SPI,引导,ROM,。,(6),片内集成了两个事件管理器模块，,10,位,A/D,转换器，,CAN2.0B,模块，串行通讯接口模块（,SCI,），,串行外部设备模块（,SPI,）,和大量的可单独编程复用的通用输入,/,输出引脚。,(7),含有基于锁相环（,PLL,）,的时钟发生器和监视定时器模块。,(8),五个外部中断（两个功率驱动保护、复位以及两个可屏蔽中断）。,(9),三种低功耗模式。,(10),基于扫描仿真,JTAG,。,TMS320C28X,是目前为止用于数字控制领域性能最好的,DSP,芯片，最高速度可达,150MIPS,，,可在单个指令周期完成,32*,32,位的乘累加计算，具有增强的电机控制外设、高性能的模,/,数转换能力和改进的通讯接口，具有,8GB,的线性地址空间，采用低电压供电（,3.3V,外设,/1.8V,核），与,TMS320C24X,源代码兼容。,C28x,系列控制器主要特征,采用高性能静态,CMOS,技术，指令周期可达,6.67ns,，,内核电压为,1.8V(,或,1.9V),，片内外设为,3.3V,，,FLASH,编程电压也为,3.3V,。,高性能,CPU,具有两个,16x16 MAC,，,可执行,16x16,和,32X32,乘法和累加操作。,片内有,128K,字的,FLASH/ROM,（,分为,4,个,8K,字和,6,个,16K,字的区）；,1K,字的,OTPROM,；,18K,字的,SARAM,（,两块,4K,字的,SARAM,、,1,块,8K,字的,SARAM,和两块,1K,字的,SARAM,）。,片内有,4K,字的引导,ROM,，,用于存放引导程序和标准的数学表。,F2812,具有外部总线接口。可达,1M,存储器、可编程的等待状态、可编程的读,/,写选通定时以及三个独立的片选。,时钟和系统控制，具有动态,PLL,比率变化、片内振荡器和看门狗定时器模块。,三个外部中断，外设中断扩展模块支持,45,个外设中断。,128,位安全密码可防止片内程序的非法访问。,片内具有电动机控制外设，具有与,240x,兼容的两个事件管理器、,3,个,32,位的,CPU,定时器、串行口外部设备，包括一个,SPI,、,两个,SCI,、,增强,CAN,（,eCAN,）,以及具有,SPI,模式的多通道缓冲串行口（,McBSP,）、,16,通道,12,位,A/D,转换单元，,56,个可编程的复用通用输入,/,输出引脚。,低功耗模式可进一步降低,CPU,的损耗，支持,IDLE,、,STANDBY,及,HALT,模式。,