DSP教学课件第一章.ppt

1 第1章TMS320LF240 x概述 2 1 1什么是DSP 数字信号处理 DigitalSignalProcessing 以数值计算的方法对信号进行采集 变换 综合 估值和识别等加工处理 数字信号处理在理论上涉及范围广泛 微积分 概率统计 随机过程 复变函数是数字信号处理的基本工具 网络理论 信号系统等均是它的理论基础 数字信号处理器 DigitalSignalProcessor 针对数字信号处理的需求而设计的可编程单片机 是电子技术 计算机技术和信号处理技术相结合的产物 国内常用DSP一词来指数字信号处理器 3 1 1 1DSP技术的发展及现状 1978年AMI公司研制出世界上第一枚单片DSP芯片S2811 1979年Intel公司推出的商用可编程器件2920 1980年 NEC公司推出的uPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片 在这之后 最成功的DSP当数美国德克萨斯仪器公司 TexasInstruments TI 的一系列芯片 TI公司从1981年第一代通用定点DSP器件TMS320C10至今 TI公司已成为世界上最大的DSP芯片供应商 2007年TI在DSP市场占有率仍居领先地位 但今后DSP市场竞争可能更加激烈 6 新闻晨报讯 中国芯 家族又添新丁 2004年01月19日 我国具有完全自主知识产权的汉芯2号和汉芯3号在沪宣布诞生 上海市副市长出席了汉芯揭幕典礼 据悉 汉芯2号和汉芯3号都是高端的芯片 其中汉芯2号是我国首颗以IP专利授权的方式进入国际市场的 中国芯 国外公司在其产品中每嵌入一片汉芯2号 都需要缴纳一定数额的专利费 而汉芯3号则申请了6项专利 据称 国际知名企业IBM将在其系统整机方案中采用该芯片 据汉芯研发团队的带头人 上海交通大学微电子学院院长陈进教授介绍 汉芯2号采用0 18微米半导体工艺 具有每秒1 5亿次指令的运算速度 而汉芯3号每秒可处理指令则超过6亿次 可以广泛应用于数据通信 雷达系统 数码产品 指纹识别系统 图像识别以及网络等诸多领域 据介绍 长期以来 国内芯片产业的自给率很低 只能满足国内市场需求的10 左右 目前我国几乎全部依赖进口 7 DSP技术的发展方向 提高单片DSP芯片的性能在结构上为多处理器的并行应用提供方便降低工作电压 减少能耗系统芯片的集成技术SOC SystemonChip 8 PC时代的领袖 Intel信息时代的领袖 TI2000年诺贝尔物理奖 TI公司杰克 基尔比 9 1 1 2DSP芯片的基本结构及主要特征 1 哈佛结构 程序和数据分开的结构程序和数据存储在两个不同的空间中 程序存储空间和数据存储空间分别独立编址 独立访问 并具有独立的程序总线和数据总线 取指和执行能完全重叠进行 10 改进型哈佛结构 多级存储结构 待执行的指令存储在高速缓冲器 Cache 中 当执行该指令时 不需再从存储器中读取指令 节省一个机器周期的时间 12 2 多总线结构许多DSP芯片内部都采用多总线结构 这样可以保证在一个机器周期内可以多次访问程序空间和数据空间 例如TMS320C54x内部有P C D E总线 每条总线又包括数据和地址总线 因此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个操作数并向数据存储器写1个操作数 13 3 流水线操作DSP芯片采用多组总线结构 允许CPU同时进行指令和数据的访问 因而 可在内部实行流水线操作 C2000系列芯片执行一条指令 要经过取指 译码 取数 执行运算 分成4个流水线阶段 14 图1 14级流水线操作 CLKOUT1 取指 N N 1 N 2 N 3 译码 N 1 N N 1 N 2 取数 N 2 N 1 N N 1 执行 N 3 N 2 N 1 N 15 16 4 专门的硬件乘法器和乘加指令MAC在数字信号处理的算法中 乘法和累加是基本的大量运算 占用绝大部分的处理时间 DSP设置了硬件乘法器以及乘加指令MAC 在单周期内取两个操作数一次完成 17 5 特殊的处理器指令采用特殊的指令 DMOV指令 把指令的数据复制到该地址加1的地址中 原单元的内容不变 数据移位 相当于延迟 LTD指令 在一个指令周期完成LT DMOV和APAC三条指令的内容 18 6 丰富的片内存储器件和灵活的寻址方式片内集成FLASH和DARAM 通过片内总线访问这些存储空间 因此不存在总线竞争和速度匹配问题 大大提高数据的读 写速度 19 7 独立的直接存储器访问 DMA 总线及其控制器DSP为DMA单独设置了完全独立的总线和控制器 8 高速的指令运行周期DSP指令周期可为几ns LF2407A为40ns 20 1 1 3DSP的应用 自20世纪70年代末诞生 得到飞速发展 已广泛应用 价格越来越低 主要应用 通信图像处理语音处理地质勘测雷达和声纳生物医学自动控制 移动通信系统 Thehandsetisnotonlyusedforvoicecommunication Modem VOIP 理想的软件无线电 DigitalCamera DigitalCamera 汽车多媒体系统 DVD DigitalVideoDisc 语音噪声消除 图像噪声去除 SET TOP BOX 飞机驾驶模拟器 GPS GlobalPositionSystem Radar Sonar Cruisemissile Patternrecognization Fingerprintdistinguish DSP的应用领域取决于设计者的想象空间 42 1 1 4DSP芯片分类 1 三种方式分类1 按基础特性分按工作时钟和指令类型分类 静态DSP芯片 在某时钟频率范围内的任何时钟频率上 DSP都能正常工作 除计算速度的变化外 性能上没有下降 一致性芯片 两种或两种以上的DSP芯片 它们的指令集和相应的引脚结构相互兼容 43 2 按数据格式分定点和浮点之分 定点 TMS320C2XX C5X TMS320C54X C62XX等系列 浮点 TMS320C3X C4X 不同的DSP的浮点格式不一定完全一样 如IEEE的标准浮点格式 摩托罗拉的MC96002 自定义的浮点格式 TMS320C3X 44 3 按用途分通用型和专用型通用型 适合普通的数字信号处理应用 专用型 为特定的数字信号处理运算而设计 如数字卷积 数字滤波 FFT等 45 1 1 5DSP的主要技术指标 时钟频率 包括DSP内部工作频率和外部时钟频率 内部频率越高 DSP的数据处理速度越快 外部频率越低 越有利于减少外部电路的干扰 机器周期 执行一条指令所需的时间 通常以机器周期为单位 DSP大部分指令为单周期指令 即执行时间为一个机器周期 如TMS320LC549 80在主频为80MHz时的指令周期为12 5ns MAC时间 即完成一次乘法加上一次加法的时间 大部分DSP芯片可在一个指令周期内完成一次乘法和加法操作 如TMS320LC549 80的MAC时间就是12 5ns 46 MIPS 即每秒执行百万条指令 如TMS320LC549 80的处理能力为80MIPS 即每秒可执行八千万条指令 MOPS 即每秒执行百万次操作 如TMS320C40的运算能力为275MOPS MFLOPS 即每秒执行百万次浮点操作 它是衡量浮点DSP浮点运算能力的指标 47 1 1 6如何选择DSP 从本质上说 没有任何处理器能够满足所有的或者大多数应用的需要 DSP第一类应用 大量便宜的嵌入式系统 如手机 硬盘和光盘驱动器 用于伺服控制 和便携式播放器 在这些应用中 成本和集成是极为重要的 对便携式的以电池供电的产品 功耗也极为重要 DSP第二类应用 处理专门的复杂算法的大量数据 以声纳和地震探矿为例 其产品的产量并不大 但算法非常复杂 产品的设计工作量很大 也更复杂 因此设计者希望使用性能最高的 最容易使用的 能支持多处理器配置的方案 48 选择DSP芯片的主要参考依据 1 数据格式2 数据宽度3 速度4 存储器的安排5 开发的难易程度6 支持多处理器7 功耗和电源管理8 成本 49 1 2DSP应用系统的构成和设计方法 1 2 1DSP应用系统的构成 输入 输出 图1 2一个典型的DSP应用系统 DSP系统的构成 51 1 2 2DSP应用系统的构成系统设计通常分为信号处理部分和非信号处理部分 信号处理部分包括系统的输入和输出 数据的处理 各种算法的实现 数据显示和传输等 非信号处理部分则包括电源 结构 成本 体积 可靠性和可维护性等 52 1 3DSP应用系统的开发流程和开发工具 1 3 1DSP应用系统的开发流程1 系统要求的描述2 信号的分析3 信号处理算法的设计4 资源的分析5 硬件结构的分析和设计6 软件设计和调试7 系统集成与测试 53 DSP软件系统开发语言及环境1 选择编程语言 汇编语言或者C C 语言 2 选择开发工具和开发环境 CodeComposerStudio 54 55 1 4TI公司TMS320系列DSP简介 TI公司的主流产品为TMS320系列DSP 其体系结构是专为实时数字信号处理而设计的 已先后推出多代DSP产品 56 TMS320系列DSP发展示意图 定点DSP 浮点DSP 多处理器DSP 57 每一系列的DSP中又有许多不同品种 来对应不同的应用 最具有发展前景的三大系列 TMS320C2000系列 应用于控制领域 TMS320C5000系列 应用于通信领域 TMS320C6000系列 应用于图像处理领域 成为未来相当长时间内的TI公司主流DSP产品 58 1 5TMS320LF240 x系列DSP简介 TMS320LF240 x系列主要包括如下型号的产品 片内闪存 TMS320LF2402 TMS320LF2406 TMS320LF2407 TMS320LF2407A 片内ROM TMS320LC2402 TMS320LC2404 TMS320LC2406 入门级产品 LF2407 LF2407A 是集成度较高 性能不错的运动控制定点DSP芯片 TMS320LF240 x采用4级流水线结构与改进的哈佛结构 59 60 TMS320LF240 x的特点如下 供电电压3 3V 执行速度30MIPS 40MIPS 片内存储器 32K字闪存 544字双口RAM DARAM 和2K字的单口RAM SARAM 两个事件管理器EVA EVB 可为所有电机类型提供控制技术 3个具有死区功能的全比较单元 2个单比较单元 防止击穿故障的可编程PWM死区控制 2个16位通用定时器 3个事件捕捉单元 其中2个具有直接连接光电编码器脉冲的能力8个16位PWM通道 三相反相器控制 61 可扩展的外部存储器总共192K字空间 64K字程序存储器空间 64K字数据存储器空间 4K字I O寻址空间 串行通信接口SCI与串行外设接口SPI 双10位 双8路或单16路 A D转换器 转换时间500nS 40个可独立编程的多路复用I O引脚 基于锁相环的时钟发生器 62 看门狗定时器模块 WD 5个外部中断 两个驱动保护 复位 两个可屏蔽中断 CAN2 0B模块 电源管理包括3种低功耗模式 能独立的将外设器件转入低功耗工作模式 用于仿真的JTAG接口 63 64 65 地址 数据 存储器控制信号A0 A15807874716864615716位地址总线5351484543393431D0 D1512713013213413613814316位数据总线5913151720222427DS87外部数据空间选通 PS84外部程序空间选通 IS82外部I O空间选通 R W92读 写选通 指明与外围器件信号的传送方向W R IOPC019读 写选通 为R W的反 或通用I OWE89写使能 对外部3个空间写 RD93读使能 对外部3个空间读 STRB96外部存储器选通 READY120需要插入等待状态 则将该引脚拉为低电平 引脚名引脚号功能 66 地址 数据 存储器控制信号MP MC118微处理器 微控制器方式选择ENA 144122 1 使能外部数据存储信号 0 无外部存储器 VIS OE97可视输出使能 可视输出的方式下 外部数据总线为输出时 该引脚有效 可用作外部编码逻辑 以防止数据总线冲突 引脚名引脚号功能 67 引脚名引脚号功能 事件管理器A EVA CAP1 QEP1 IOPA383捕捉输入1 正交编码脉冲输入1 或通用I O CAP2 QEP2 IOPA479捕捉输入2 正交编码脉冲输入2 或通用I O CAP3 IOPA575捕捉输入3 或通用I O PWM1 IOPA656比较PWM输出1或通用I O PWM2 IOPA754比较PWM输出2或通用I O PWM3IOPB052比较PWM输出3或通用I O PWM4 IOPB147比较PWM输出4或通用I O PWM5 IOPB244比较PWM输出5或通用I O PWM6 IOPB340比较PWM输出6或通用I O T1PWM T1CMP16定时器1比较输出或通用I O IOPB4 T2PWM T2CMP18定时器2比较输出或通用I O IOPB5 TDIRA IOPB614通用计数器方向选择 EVA 1 加计数 0 为减计数 TCLKINA IOPB737通用计数器 EVA 外部时钟输入或通用I O 68 引脚名引脚号功能 事件管理器B EVB CAP4 QEP3 IOPE788捕捉输入4 正交编码脉冲输入3或通用I O CAP5 QEP4 IOPE081捕捉输入5 正交编码脉冲输入4 或通用I O CAP6 IOPF169捕捉输入6 或通用I O PWM7 IOPE165比较PWM输出7或通用I O PWM8 IOPE262比较PWM输出8或通用I O PWM9IOPE359比较PWM输出9或通用I O PWM10 IOPE455比较PWM输出10或通用I O PWM11 IOPE546比较PWM输出11或通用I O PWM12 IOPE638比较PWM输出12或通用I O T3PWM T3CMP8定时器3比较输出或通用I O IOPF2 T4PWM T4CMP6定时器4比较输出或通用I O IOPF3 TDIRB IOPF42通用计数器方向选择 EVB 1 加计数 0 为减计数 TCLKINB IOPF5126通用计数器 EVB 外部时钟输入或通用I O 69 引脚名引脚号功能 模数转换器 ADCIN00 ADCIN1598 113ADC的模拟输入 VREFHI115ADC的模拟参考电压高电平输入端 VREFLO114ADC的模拟参考电压低电平输入端 VCCA116ADC模拟供电电压 3 3V VSSA117ADC模拟地 70 引脚名引脚号功能 CAN 串口通信 SCI 串行外部设备接口 SPI CANRX IOPC770CAN接收数据脚或通用I O脚 CANTX IOPC672CAN发送数据脚或通用I O脚 SCITXD IOPA025SCI发送数据脚或通用I O脚 SCIRXD IOPA126SCI接收数据脚或通用I O脚 SPICLK IOPC435SPI时钟脚或通用I O脚 SPISIMO IOPC230SPI从输入 主输出或通用I O脚 SPISOMI IOPC332SPI从输出 主输入或通用I O脚 SPISTE IOPC533SPI从发送使能或通用I O脚 71 引脚名引脚号功能 外部中断 时钟 RS133复位引脚 当RS为高电平时 从程序存储器的0地址开始执行程序 当WD定时器溢出时 在RS脚产生一个系统复位脉冲 PDPINTA7功率驱动保护中断输入 当电机驱动不正常时 如出现过压 过流时 该中断有效 将PWM脚 EVA 置为高阻态 下降沿有效的中断 XINT1 IOPA223外中断1或通用IO脚 极性可编程 XINT2 ADCSOC21外中断2可做AD转换开始输入或通用I O脚 极性可 IOPD0编程 CLKOUT IOPE073时钟输出或通用I O脚 PDPINTB137功率驱动保护中断输入 当电机驱动不正常时 如出现过压 过流时 该中断有效 将PWM脚 EVB 置为高阻态 72 引脚名引脚号功能 振荡器 锁相环 闪存 引导及其他 XTAL1 CLKIN123PLL振荡器输入引脚 XTAL2124PLL振荡器输出引脚 PLLVCCA12PLL电压 3 3V IOPF6131通用I O脚 PLLF111PLL外接滤波器输入1 BIO IOPC1119分支控制输入引脚或通用I O脚 0 执行分支程序 如不用该脚 必须为高电平 复位时 配置为分支控制输入 IOPF6131通用I O脚 BOOT EN XF121引导ROM使能 通用I OXF脚 PLLF212PLL外接滤波器输入2 VCCP 5V 58闪存编程电压输入端 在硬件仿真时 该脚可为5V或0V 运行时 该脚必须接地 TP1 Flash 60Flash阵列测试引脚 悬空 TP2 Flash 63Flash阵列测试引脚 悬空 73 引脚名引脚号功能 仿真和测试 EMU090带内部上拉的仿真引脚0 EMU1 OFF91仿真引脚1 TCK135带内部上拉的JTAG测试时钟 TDI139带内部上拉信号的JTAG测试数据输入 TPST1带内部下拉的JTAG测试复位 TDO142JTAG测试数据输出 TMS144JTAG测试方式选择1 TMS236JTAG测试方式选择2 74 引脚名引脚号功能 电源电压 VDD29 50内核电源电压 3 3V 数字逻辑电源电压86 129 VDDO4 42I O缓冲器电源电压 3 3V 数字逻辑和缓冲器电源电压67 7795 141 VSS28 49内核电源地 数字参考地85 128 VSSO3 41I O缓冲器电源地 数字逻辑和缓冲器电源地66 7694 125140