專業(yè)課dsp課件第6章

在通用計(jì)算機(jī)上用軟件實(shí)現(xiàn)（速度較慢）。在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中加專用的處理機(jī)實(shí)現(xiàn)（專用性強(qiáng)，應(yīng)用受限制）在通用的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)(簡(jiǎn)單處理和控制)通用可編程DSP芯片實(shí)現(xiàn)(復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法，靈活性強(qiáng))專用的DSP芯片實(shí)現(xiàn)(高速數(shù)據(jù)處理，如FFT等6.6數(shù)字信號(hào)處理硬件

-數(shù)字信號(hào)處理器數(shù)字信號(hào)處理的基本方法:一、數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展概況上個(gè)世紀(jì)末，DSP市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率高達(dá)29%，進(jìn)入21世紀(jì)，DSP市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率保持在10%以上，已超過(guò)了半導(dǎo)體的增長(zhǎng)速度。預(yù)計(jì)2009年DSP的出貨量將達(dá)28億片，與此相比較，2004年DSP的出貨量為15億片，而中國(guó)DSP市場(chǎng)的增長(zhǎng)率一直高于全球市場(chǎng)的平均水平。1979年美國(guó)Intel公司發(fā)布的商用可編程器件2920是DSP芯片

1980年，日本NEC公司推出的μPD7720是第一個(gè)具有乘法器的商用DSP芯片。MOTOROLA的DSP56和DSP96系列，AD（模擬器件）公司的ADSP2100系列以及AT&T的DSP16和DSP32系列。TI公司在1982年成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列產(chǎn)品之后相繼推出了一系列DSP芯片。最早問(wèn)世的6種DSP從運(yùn)算速度來(lái)看，MAC（乘法/累加）時(shí)間已經(jīng)從20世紀(jì)80年代初的400ns（如TMS32010）降低到10ns以下DSP芯片內(nèi)部關(guān)鍵的乘法器部件從1980年的占模片區(qū)（diearea）的40%左右下降到5%以下，先進(jìn)的DSP芯片的片內(nèi)已含有多個(gè)乘法器部件和算術(shù)邏輯單元，片內(nèi)RAM的數(shù)量也增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。1980年采用4μmNMOS工藝，而現(xiàn)在則普遍采用亞微米（Micron）CMOS工藝每隔10年DSP芯片的發(fā)展年份 1982 1992（97） 2002 工藝線寬（um） 3 0.8（0.35） 0.18 MAC*（MIPS） 5 40（100） 2G 時(shí)鐘（MH） 20 80（200） 500 RAM（Words） 144 1K 16K ROM（Words） 1.5K 4K 64K 價(jià)格（美元） 150 15 1.5 功耗（mv/MIPS）250 12.5 0.1 晶體管數(shù) 50K 500 5M 硅片尺寸 3英寸 6英寸(8英寸) 12英寸 *做一次乘法和累加計(jì)算的時(shí)間

二、DSP的特點(diǎn)1)采用哈佛（Harvard）總線結(jié)構(gòu)。與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP芯片廣泛采用流水線操作以減少指令執(zhí)行時(shí)間馮氏結(jié)構(gòu)CLKOUT1執(zhí)行譯碼取指NN－1N－2N＋1N－1N＋2NN＋12)具有高速陣列乘法器等專用硬件。精度至少為16×16位定點(diǎn)，一些DSP的片內(nèi)已含有40×40位的浮點(diǎn)乘法器。MultiplyandAccumulateUnit3)具有高速的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器。對(duì)于一些簡(jiǎn)單、單一的操作，例如卷積、相關(guān)等，可以在片內(nèi)完成，避免與外部的低速存儲(chǔ)器打交道。新近的DSP產(chǎn)品均為雙端口片內(nèi)RAM。乘法/累加指令位反轉(zhuǎn)尋址模式數(shù)據(jù)移動(dòng)操作飽和溢出處理重復(fù)指令4)具有滿足信號(hào)處理應(yīng)用要求的一些特殊指令。并行接口串行接口DMA多處理器并行的鏈路接口全局存儲(chǔ)器的控制邏輯和接口5)具有高速的I/O接口。三、TMS320系列數(shù)字信號(hào)處理器TI公司于1982年推出了其第一代DSP產(chǎn)品TMS32010，目前已發(fā)展到兩大類9個(gè)分支系列產(chǎn)品，兩大類為浮點(diǎn)和定點(diǎn)，9個(gè)分支系列分別滿足不同的需要。C2000?DSPTIC28x?DSPCore:

Theworld’sfirstcontroloptimizedDSPsMotor

Control

DSPTIC55x?DSPCore:

Theworld’slowestmW/MIPSDSPsC5000?DSPPersonalDSPC6000?DSPTIC64x?DSPCore:

Theworld’shighestperformanceDSPsBroadbandInfrastructureDSP三種主要DSP芯片TMS320C2000系列

比8位或16位微控制器（MCU）速度更快、更靈活、功能更強(qiáng)的、面向控制的微處理器。主要應(yīng)用包括：電源功率控制、電機(jī)控制、制冷系統(tǒng)、可調(diào)激光器、不間斷電源等。C24X系列為16位定點(diǎn)DSP芯片。C28X系列為TI近年新推出的32位定點(diǎn)DSP芯片。TMS320C2000系列

C24X系列。指令周期大約在50-25ns之間。在指令方面有許多特殊功能的指令，如尋址方面有位反轉(zhuǎn)尋址用于支持基二FFT運(yùn)算，以及支持LMS自適應(yīng)濾波或浮點(diǎn)歸一化等運(yùn)算的指令。C24X有兩套數(shù)據(jù)總線，即數(shù)據(jù)讀總線和數(shù)據(jù)寫總線，可以在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)同時(shí)讀寫數(shù)據(jù)。C24x系列的芯片具有事件管理器，以便支持馬達(dá)控制。該事件管理器具有三個(gè)加/減定時(shí)器和九個(gè)比較器。TMS320C2000系列

C28X系列。TI近年新推出的32位定點(diǎn)DSP芯片。其乘法器可以執(zhí)行32×32位的乘法，得到64位的結(jié)果，參與乘法的兩個(gè)乘數(shù)可以是帶符號(hào)的數(shù)、不帶符號(hào)的數(shù)或一個(gè)帶符號(hào)的數(shù)而另一個(gè)為不帶符號(hào)的數(shù)。C28X支持32位單周期指令，其數(shù)據(jù)地址為32位，程序地址為22位，可以訪問(wèn)4G字（16位）的數(shù)據(jù)空間和4M字的程序空間。TMS320C5000系列目前，TMS320C5000主要有兩大系列即TMS320C54x和TMS320C55x，這是目前最先進(jìn)的定點(diǎn)DSP芯片。Copyright?2003TexasInstruments.Allrightsreserved.

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應(yīng)用范圍:InternetAppliancesSet-TopBoxes(STBs)GamingConsolesDigitalCamerasDigitalMusicPlayersElectronicBooks(eBooks)PersonalDigitalAssistants(PDAs)HomeNetworking,Etc.TMS320C54x指令速率30-500MIPS，32位長(zhǎng)操作數(shù)指令。低功耗，供電電壓最低的芯片僅為1V。三組16位數(shù)據(jù)總線和一組程序總線。40位ALU，40位定標(biāo)移位器和兩個(gè)獨(dú)立的40位ACC。17×17位乘法器，連接一個(gè)40位的專用加法器，非流水的單周期乘法/累加。比較、選擇和存儲(chǔ)單元（CSSU），支持Viterbi算法。單周期指令支持浮點(diǎn)數(shù)的歸一化和指數(shù)編碼。新的單周期指令提高了信號(hào)處理的效率，例如，對(duì)稱系數(shù)的線性相位FIR濾波。TMS320C55x在功耗方面它進(jìn)一步降低，TMS320C54x的功耗是0.32mW/MIPS，而TMS320C55x的功耗只有0.05mW/MIPS兩個(gè)乘法/累加器MAC兩個(gè)算術(shù)邏輯單元ALU四個(gè)40位的累加器8位至48位可變長(zhǎng)度。其指令速率高達(dá)600MIPSTMS320C6000系列

定點(diǎn)芯片系列TMS320C62x、TMS320C64x和浮點(diǎn)芯片系列TMS320C67x?！胺浅ｉL(zhǎng)指令字VLIW（Very-longinstructionword）”的結(jié)構(gòu)。對(duì)于TMS320C62x其片內(nèi)含有兩個(gè)乘法器和6個(gè)算術(shù)邏輯單元，其CPU在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可執(zhí)行高達(dá)十條指令，因而其處理速率高達(dá)1200-2400MIPS，其片內(nèi)含有1M位的RAM，程序RAM和數(shù)據(jù)RAM各占512k位。TMS320C6000系列

TMS320C64x在TMS320C62x的基礎(chǔ)上又有很大的改進(jìn)，是第二代VLIW結(jié)構(gòu)的DSP芯片，它的時(shí)鐘速率高達(dá)1GHz，處理速率比TMS320C62x提高了一倍以上，達(dá)3200-4800MIPS。由于在指令功能、并行度方面的改進(jìn)其性能至少比TMS320C62x提高了十倍以上。其應(yīng)用面向第三代移動(dòng)通信和圖象處理，TMS320C64x專門設(shè)計(jì)了為這些應(yīng)用服務(wù)的特殊指令，而在功耗方面，它僅為第一代芯片的三分之一。TMS320C6000系列

TMS320C67x兩個(gè)浮點(diǎn)/定點(diǎn)乘法器、四個(gè)浮點(diǎn)/定點(diǎn)ALU、兩個(gè)定點(diǎn)ALU。浮點(diǎn)處理速率高達(dá)600MFLOPS-1GFLOPS。TMS320C67x的代碼與引腳與TMS320C62x兼容TMS320C5000的結(jié)構(gòu)原理TMS320C5000主要有兩大系列即TMS320C54x和TMS320C55x。C54x系列的DSP芯片內(nèi)部CPU的結(jié)構(gòu)上是完全相同的，只是在芯片的工作電壓、片內(nèi)存儲(chǔ)器容量和外圍接口電路上存在著差別。C55x是在C54x的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其指令完全與C54x兼容TMS320C54x的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)TMS320C54x有一組程序總線和三組數(shù)據(jù)總線，兩組數(shù)據(jù)總線(CB和DB)用于傳送從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀出的操作數(shù)，一組數(shù)據(jù)總線(EB)用于傳送寫入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)，C54x可以在一個(gè)周期里完成兩個(gè)讀和一個(gè)寫操作。20K字程序ROM4K字程序/數(shù)據(jù)RAM8K字程序/數(shù)據(jù)RAMIEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)掃描邏輯17×17MPY40位加法器RoundsatuateMAC40位ALUCMPSOperatorViterbi加速器指數(shù)編碼器ALU40位定標(biāo)移位器(-16…,31)移位器40位ACCA40位ACCB累加器8輔助寄存器2尋址單元尋址單元標(biāo)準(zhǔn)串行口0標(biāo)準(zhǔn)串行口1定時(shí)器軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器PLLClockGeneratorOptX1,1.5,2,3OptX1,4,4,5,58位并行主機(jī)接口A(15-0)D(15-0)TMS320C542的結(jié)構(gòu)框圖總線1)中央處理單元

40位算術(shù)邏輯單元（ALU）兩個(gè)累加器，即ACCA和ACCB定標(biāo)移位器能將來(lái)自累加器或存儲(chǔ)器的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行0到31位的左移和0到16位的右移。17×17位的并行乘法器，連接一個(gè)40位的專用加法器比較、選擇和存儲(chǔ)單元（CSSU）指數(shù)編碼器2)中央存儲(chǔ)組織

大部分C54系列芯片均含有片內(nèi)ROM片內(nèi)RAM包括片內(nèi)雙口RAM（DRAM），和片內(nèi)單口RAM（SRAM）八個(gè)16位的輔助寄存器（AR0-AR7）能被中央算邏單元CALU訪問(wèn)，也能被輔助寄存器算術(shù)單元ARAU修改系統(tǒng)控制IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)掃描邏輯電路用于仿真和測(cè)試，它提供對(duì)所連設(shè)備的邊界掃描。3）系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制包括連接內(nèi)部振蕩器或外部時(shí)鐘源的鎖相環(huán)（PLL）發(fā)生器、支持8位或16位傳送的全雙工串口、時(shí)分多路（TMD）串口、緩沖串口（BSP）、8位并行主機(jī)接口、16位硬件定時(shí)器、軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器和可編程的存儲(chǔ)單元轉(zhuǎn)換等。4）IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)掃描邏輯IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)掃描邏輯電路用于仿真和測(cè)試，它提供對(duì)所連設(shè)備的邊界掃描。同時(shí)，它也能用來(lái)測(cè)試引腳到引腳的連續(xù)性，以及完成C54x外圍器件的操作測(cè)試。IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)掃描邏輯與訪問(wèn)片內(nèi)所有資源的內(nèi)部掃描邏輯電路相連。因而，C54x能使用IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)串行掃描引腳和專用仿真引腳來(lái)完成在線仿真。5）指令功能大大加強(qiáng)它提供了七種基本的數(shù)據(jù)尋址方式，與C25相比，增加了絕對(duì)地址尋址、累加器尋址、存儲(chǔ)器映射寄存器尋址和堆棧尋址。特別是間接尋址，不僅可以在一個(gè)指令中完成一次讀或?qū)懙牟僮鳎▎尾僮鲗ぶ罚部梢栽谝粋€(gè)指令中完成訪問(wèn)兩個(gè)存儲(chǔ)單元的操作（雙操作尋址），甚至還可以進(jìn)行取模運(yùn)算完成循環(huán)尋址。C54x支持存儲(chǔ)塊移動(dòng)更便于程序和數(shù)據(jù)的管理。C54x不僅能重復(fù)執(zhí)行單條指令還具有重復(fù)執(zhí)行一段包含若干條指令的程序塊的能力。表5.3TMS320C54X的間接尋址序號(hào)操作數(shù)句法功能說(shuō)明0*ARx地址=ARxARx中的內(nèi)容作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址1*ARx-地址=ARxARx=ARx-1尋址結(jié)束后，ARx中的地址值減1注12*ARx+地址=ARXARx=ARx+1尋址結(jié)束后，ARx中的地址值增1注13*+ARxARx=ARx+1地址=ARx+1ARx中的地址值增1后再尋址注24*ARx-0B地址=ARxARx=B(ARx-AR0)尋址結(jié)束后，用反向傳送借位的方法從ARx中減去AR0的值5*ARx-0地址=ARxARx=ARx-AR0尋址結(jié)束后，從ARx中減去AR0的值6*ARx+0地址=ARxARx=ARx+AR0尋址結(jié)束后，將AR0中的值加至ARx7*ARx+0B地址=ARxARx=B(ARx+AR0)尋址結(jié)束后，用反向傳送進(jìn)位的方法將AR0加至ARx8*ARx-%地址=ARxARX=Circ(ARx-1)尋址結(jié)束后，ARx中的地址值按循環(huán)減的方法減1注1表5.3TMS320C54X的間接尋址9*ARx-0%地址=ARxARx=Circ(ARx-AR0)尋址結(jié)束后，按循環(huán)減的方法從ARx中減去AR0中的值10*ARx+%地址=ARxARx=Circ(ARx+1)尋址結(jié)束后，ARx中的地址值按循環(huán)加的方法增1注111*ARx+0%地址=ARxARx=Circ(ARx+AR0)尋址結(jié)束后，按循環(huán)加的方法，將AR0中的值加至ARx12*ARx(lk)地址=ARx+lkARx=ARx以ARx與16位數(shù)之和作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址，尋址結(jié)束后，ARx中的值不變13*+ARx(lk)地址=ARx+lkARx=ARx+lk將一個(gè)16位帶符號(hào)數(shù)加至ARx后進(jìn)行尋址14*+ARx(lk)%地址=Circ(ARx+lk)ARx=Circ(ARx+lk)將一個(gè)16位帶符號(hào)數(shù)按循環(huán)加的方法加至ARx，然后再尋址15*(lk)地址=lk利用16位無(wú)符號(hào)數(shù)作為地址尋址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(相當(dāng)于絕對(duì)尋址方式)例7

當(dāng)前輔助寄存器AR1=0200H，以此做為輸入數(shù)據(jù)的基地址，順序讀入八個(gè)數(shù)即N=8，但按位反轉(zhuǎn)存放。按時(shí)間抽取的8點(diǎn)FFT解開始對(duì)AR0賦值為N/2=4，執(zhí)行以下兩條程序即可：

RPT#7 PORTR*AR1+0B, PA0RPTC=7使得下一條指令重復(fù)執(zhí)行八次；第二條為輸入語(yǔ)句，從PA0口輸入八個(gè)數(shù)據(jù)，即x(0),x(1),,x(7),按照指定的間接尋址方式存放。間接地址AR1的內(nèi)容，分別為：

AR1 AR1=0200H 初始值

AR1+AR0

AR1=0204H 第1次變址

AR1+AR0

AR1=0202H 第2次變址

AR1+AR0

AR1=0206H 第3次變址

AR1+AR0

AR1=0201H 第4次變址

AR1+AR0

AR1=0205H 第5次變址

AR1+AR0

AR1=0203H 第6次變址

AR1+AR0

AR1=0207H 第7次變址浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)進(jìn)行歸一化處理例

EXP A ；計(jì)算累加器A中的 ；歸一化指數(shù)

ST T,@EXP ；將T寄存器中的指數(shù)存 ；入名為EXP的單元

NORM A ；對(duì)累加器A歸一化處理TMS320C55x的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1）先進(jìn)的電源管理系統(tǒng)它監(jiān)視著片內(nèi)的外圍設(shè)備、存儲(chǔ)器陣列、各個(gè)CPU單元等部分，如果某一部分不在工作，便自動(dòng)切斷其電源2)支持可變長(zhǎng)度指令 指令長(zhǎng)度可以是8位、