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数字信号处理器原理及应用 第一章数字信号处理器 DSP 简介 一 为什么用DSP二 DSP特点三 DSP的种类四 TI的DSP五 DSP应用领域六 DSP系统开发步骤七 DSP知识平台八 DSP课程内容九 教学模式十 参考书 主要内容 一 为什么用DSP DigitalSignalsProcessing数字信号处理 方法 技术 DigitalSignalsProcessor数字信号处理器 1 DSP含义 作为一个案例研究 我们来考虑数字领域里最通常的功能 滤波 简单地说 滤波就是对信号进行处理 以改善其特性 例如 滤波可以从信号里清除噪声或静电干扰 从而改善其信噪比 为什么要用微处理器 而不是模拟器件对信号做滤波呢 我们来看看其优越性 模拟滤波器 或者更一般地说 模拟电路 的性能要取决于温度等环境因素 而数字滤波器则基本上不受环境的响 数字滤波易于在非常小的宽容度内进行复制 因为其性能并不取决于性能已偏离正常值的器件的组合 一个模拟滤波器一旦制造出来 其特性 例如通带频率范围 是不容易改变的 使用微处理器来实现数字滤波器 就可以通过对其重新编程来改变滤波的特性 2 信号处理方式的比较 3 一个硬件系统适用于不同的软件 4 数字信号处理的实现 1 在通用的微机上用软件实现 2 用单片机来实现 3 利用专门用于信号处理的可编程DSP来实现 4 利用特殊用途的DSP芯片来实现 5 用FPGA开发ASIC芯片实现数字信号处理算法 6 在通用的计算机系统中使用加速卡来实现 二 DSP的特点 1 DSP与MCU的比较2 DSP特点 1 几种微处理器Microprocessor a 通用处理器 GPP 采用冯 诺依曼结构 程序和数据的存储空间合二而一8086 286 386 486 Pentium PentiumII PentiumIIIPentium PowerPc64 bitCPU SUNSparc DECAlpha HP CISC复杂指令计算机 RISC精简指令计算机采取各种方法提高计算速度 提高时钟频率 高速总线 多级Cashe 协处理器等 采用冯 诺依曼结构的处理器 冯 诺依曼结构的处理器取指令过程 b SingleChipComputer MicroControllerUnit MCU 除通用CPU所具有的ALU和CU 还有存储器 RAM ROM 寄存器 时钟 计数器 定时器 串 并口 有的还有A D D AINTELMCS 48 51 96 98 MOTOROLAHCS05 011 c DSP 采用哈佛结构 程序和数据分开存储采用一系列措施保证数字信号的处理速度 如对FFT的专门优化 采用哈佛结构的DSP处理器 哈佛结构的指令流的定时关系 改进的哈佛结构 2 DSP典型系统 2 DSP芯片的主要特点 哈佛 Harvard 结构和改进的哈佛结构专用的硬件乘法器指令系统的流水线操作片内外两级存储结构特殊的DSP指令快速指令周期 DSP的特点 考虑一个数字信号处理的实例 比如有限冲击响应滤波器 FIR 用数学语言来说 FIR滤波器是做一系列的点积 取一个输入量和一个序数向量 在系数和输入样本的滑动窗口间作乘法 然后将所有的乘积加起来 形成一个输出样本 类似的运算在数字信号处理过程中大量地重复发生 使得为此设计的器件必须提供专门的支持 促成了了DSP器件与通用处理器 GPP 的分流 1 对密集的乘法运算的支持 GPP不是设计来做密集乘法任务的 即使是一些现代的GPP 也要求多个指令周期来做一次乘法 而DSP处理器使用专门的硬件来实现单周期乘法 DSP处理器还增加了累加器寄存器来处理多个乘积的和 累加器寄存器通常比其他寄存器宽 增加称为结果bits的额外bits来避免溢出 同时 为了充分体现专门的乘法 累加硬件的好处 几乎所有的DSP的指令集都包含有显式的MAC指令 2 存储器结构 传统上 GPP使用冯 诺依曼存储器结构 这种结构中 只有一个存储器空间通过一组总线 一个地址总线和一个数据总线 连接到处理器核 通常 做一次乘法会发生4次存储器访问 用掉至少四个指令周期 大多数DSP采用了哈佛结构 将存储器空间划分成两个 分别存储程序和数据 它们有两组总线连接到处理器核 允许同时对它们进行访问 这种安排将处理器存贮器的带宽加倍 更重要的是同时为处理器核提供数据与指令 在这种布局下 DSP得以实现单周期的MAC指令 还有一个问题 即现在典型的高性能GPP实际上已包含两个片内高速缓存 一个是数据 一个是指令 它们直接连接到处理器核 以加快运行时的访问速度 从物理上说 这种片内的双存储器和总线的结构几乎与哈佛结构的一样了 然而从逻辑上说 两者还是有重要的区别 GPP使用控制逻辑来决定哪些数据和指令字存储在片内的高速缓存里 其程序员并不加以指定 也可能根本不知道 与此相反 DSP使用多个片内存储器和多组总线来保证每个指令周期内存储器的多次访问 在使用DSP时 程序员要明确地控制哪些数据和指令要存储在片内存储器中 程序员在写程序时 必须保证处理器能够有效地使用其双总线 此外 DSP处理器几乎都不具备数据高速缓存 这是因为DSP的典型数据是数据流 也就是说 DSP处理器对每个数据样本做计算后 就丢弃了 几乎不再重复使用 3 零开销循环 如果了解到DSP算法的一个共同的特点 即大多数的处理时间是花在执行较小的循环上 也就容易理解 为什么大多数的DSP都有专门的硬件 用于零开销循环 所谓零开销循环是指处理器在执行循环时 不用花时间去检查循环计数器的值 条件转移到循环的顶部 将循环计数器减1 与此相反 GPP的循环使用软件来实现 某些高性能的GPP使用转移预报硬件 几乎达到与硬件支持的零开销循环同样的效果 4 定点计算 大多数DSP使用定点计算 而不是使用浮点 虽然DSP的应用必须十分注意数字的精确 用浮点来做应该容易的多 但是对DSP来说 廉价也是非常重要的 定点机器比起相应的浮点机器来要便宜 而且更快 为了不使用浮点机器而又保证数字的准确 DSP处理器在指令集和硬件方面都支持饱和计算 舍入和移位 5 专门的寻址方式 DSP处理器往往都支持专门的寻址模式 它们对通常的信号处理操作和算法是很有用的 例如 模块 循环 寻址 对实现数字滤波器延时线很有用 位倒序寻址 对FFT很有用 这些非常专门的寻址模式在GPP中是不常使用的 只有用软件来实现 6 执行时间的预测 大多数的DSP应用 如蜂窝电话和调制解调器 都是严格的实时应用 所有的处理必须在指定的时间内完成 这就要求程序员准确地确定每个样本需要多少处理时间 如果打算用低成本的GPP去完成实时信号处理的任务 执行时间的预测大概不会成为什么问题 应为低成本GPP具有相对直接的结构 比较容易预测执行时间 然而 大多数实时DSP应用所要求的处理能力是低成本GPP所不能提供的 DSP对高性能GPP的优势在于 即便是使用了高速缓存的DSP 哪些指令会放进去也是由程序员 而不是处理器 来决定的 因此很容易判断指令是从高速缓存还是从存储器中读取 DSP一般不使用动态特性 如转移预测和推理执行等 因此 由一段给定的代码来预测所要求的执行时间是完全直截了当的 从而使程序员得以确定芯片的性能限制 7 定点DSP指令集 定点DSP指令集是按两个目标来设计的 使处理器能够在每个指令周期内完成多个操作 从而提高每个指令周期的计算效率 将存贮DSP程序的存储器空间减到最小 由于存储器对整个系统的成本影响甚大 该问题在对成本敏感的DSP应用中尤为重要 为了实现这些目标 DSP处理器的指令集通常都允许程序员在一个指令内说明若干个并行的操作 例如 在一条指令包含了MAC操作 即同时的一个或两个数据移动 在典型的例子里 一条指令就包含了计算FIR滤波器的一节所需要的所有操作 这种高效率付出的代价是 其指令集既不直观 也不容易使用 与GPP的指令集相比 GPP的程序通常并不在意处理器的指令集是否容易使用 因为他们一般使用象C或C 等高级语言 而对于DSP的程序员来说 不幸的是主要的DSP应用程序都是用汇编语言写的 至少部分是汇编语言优化的 这里有两个理由 首先 大多数广泛使用的高级语言 例如C 并不适合于描述典型的DSP算法 其次 DSP结构的复杂性 如多存储器空间 多总线 不规则的指令集 高度专门化的硬件等 使得难于为其编写高效率的编译器 即便用编译器将C源代码编译成为DSP的汇编代码 优化的任务仍然很重 典型的DSP应用都具有大量计算的要求 并有严格的开销限制 使得程序的优化必不可少 至少是对程序的最关键部分 因此 考虑选用DSP的一个关键因素是 是否存在足够的能够较好地适应DSP处理器指令集的程序员 8 开发工具的要求 因为DSP应用要求高度优化的代码 大多数DSP厂商都提供一些开发工具 以帮助程序员完成其优化工作 例如 大多数厂商都提供处理器的仿真工具 以准确地仿真每个指令周期内处理器的活动 无论对于确保实时操作还是代码的优化 这些都是很有用的工具 GPP厂商通常并不提供这样的工具 主要是因为GPP程序员通常并不需要详细到这一层的信息 GPP缺乏精确到指令周期的仿真工具 是DSP应用开发者所面临的的大问题 由于几乎不可能预测高性能GPP对于给定任务所需要的周期数 从而无法说明如何去改善代码的性能 R 三 DSP的种类 定点与浮点DSP芯片通用与专用DSP芯片 四 TI的DSP系列 五 DSP应用领域 数字峰窝通讯 个人通讯系统 个人数据处理 数字无绳电话通讯 无线数据通讯 网络 计算机电话 语音打包传输 便携Internet音响 Mode 2G 3G手机 数字照相机 IP电话等等 即使远在火星 面对6万年才有一次的机会 科学家们积极行动起来 从6月开始 先后有欧洲的 火星快车 美国 勇气号 和 机遇号 等三颗火星探测器飞往火星 而日本一颗本已在太空 迷失方向 的火星探测器也在关键时刻及时 醒 来 开始了久违的火星之旅 火星与地球 这一对在星空中遥遥相望的 兄弟 迎来6万年来 最亲密的接触 在2003年8月27日这一天 火星距离地球最近达到55756622 5千多万 公里 勇气号 基于VXworks的火星探路者 自1997年10月15日发射以来 经历了7年35亿公里航程的卡西尼号太空船在2004年7月1日10时30分进入土星轨道 开始进行人类有史以来对土星及其31颗已知卫星最详尽的探测 土星探测 哥伦比亚 号 整个系统的起飞重量达2000吨 高56米 小鹰 号标准排水量为60100吨 满载排水量达81123吨 舰长323 6米 舰宽39 6米 吃水11 4米 是世界上最大的常规动力航空母舰 舰员2930名 其中军官155名 航空人员2480名 其中军官320名 飞机 F 14D战斗机20架 F A 18战斗机36架 E 2C预警机和EA 6B电子干扰机各4架 6架S 3B反潜机 6架直升机 2架ES 3A 后PC时代产品的蓬勃发展 消费类电子 智能玩具 手持通讯的核心 智能玩具与机器人 WearableComputing 基于WinCE的移动机器人平台 基于RTLinux的仿人机器人 高48cm重 6kg灵活性 20DOF操作系统 RT Linux接口形式 USB1 0 12Mbps 响应周期 1ms能源 DC24Vx6 2A 150W 制造 富士通 2002年11月28日 以色列一选举投票点 发生枪击事件 造成至少7人死亡 数十人受伤 以警方用机器人在检查一具巴勒斯坦枪手的尸体 反恐防暴 微型飞行器 黑寡妇 空中飞行器 新华网西昌10月24日电 18时05分长征三号甲运载火箭发射 经过1473秒飞行后 将嫦娥一号卫星送入太空 完成自己的使命 18时29分 南太平洋上的远望三号测量船报告 星箭成功分离 紧接着 经过测算 北京航天飞行控制中心传来数据 卫星进入近地点为205公里 远地点为50930公里 周期为16小时的超地球同步轨道 卫星发射取得圆满成功 嫦娥一号 探测卫星 军事国防领域 航天领域 六 DSP系统的开发步骤 1 前 后向通道示意图 2 DSP总体设计框图 3 软件设计框图 4 硬件系统设计框图 七 DSP的知识平台 八 DSP课程内容 TMS320C54x的硬件结构TMS320C54x指令系统及软件体系CCS CodeComposerSystem 应用EVM评估板的使用与编程数字滤波器设计DSP外围电路实验快速傅立叶变换数字图像处理基本算法的DSP实现 九 教学模式 1 教师讲授DSP基本内容2 教师指定实验专题 给予设计指导 3 学生查找资料 设计实验内容 4 教师核定实验内容 并指导学生完成实验 5 师生讨论实验内容的相关问题 6 学生自行完成实验报告 十 参考书 DSP原理及应用 邹彦 唐冬等 电子工业DSP实用技术 西电 苏涛等TMS320C54x数字信号处理器结构 原理及应用 戴明桢 北航DSP芯片的原理与开发应用 张雄伟 电子工业DSP应用系统设计 朱铭锆 电子工业TMS320C54XDSP应用系统设计 刘益成编著WWW TI COM