定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器dsp技術(shù)與應(yīng)用

1、1-1,定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）技術(shù)與應(yīng)用,16位定點(diǎn)DSP—ADSP218X/219X,1-2,課程的主要內(nèi)容和目的,本課程主要介紹 ADSP-218X / 219X系列16位定點(diǎn)DSP的體系結(jié)構(gòu)和軟/硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)幾個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)使大家初步掌握DSP系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、 軟件開(kāi)發(fā)以及系統(tǒng)的綜合調(diào)試方法。課程的重要性：—— 直接面向應(yīng)用?！?IT工程師三大實(shí)用技能* PCB設(shè)計(jì)* DSP應(yīng)用* FPGA應(yīng)用

2、,1-3,第一部分,數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）概述,1-4,數(shù)字信號(hào)處理及數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）Digital Signal Processor,1-5,數(shù)字信號(hào)處理,數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn),特別強(qiáng)調(diào)運(yùn)算處理的實(shí)時(shí)性（Real-Time Capability),,,,,模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換A/D Converter,,數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算,,數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換,D/A Converter,,,,,,待處理的信號(hào),,,,,,處理后的信號(hào),1-6,

3、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）結(jié)構(gòu)特點(diǎn),— DSP面向高性能、重復(fù)性、數(shù)值運(yùn)算密集型的實(shí)時(shí)處理，它具有適合數(shù)字信號(hào)處理算法的指令、適合數(shù)字信號(hào)處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和尋址機(jī)構(gòu)、并行處理能力和嵌入式性能等。其體系結(jié)構(gòu)一般具有以下特點(diǎn)：采用分離地址與數(shù)據(jù)總線的哈佛結(jié)構(gòu)（CPU：馮 .諾伊曼結(jié)構(gòu)），有著較高的指令執(zhí)行速度，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜需要兩套地址產(chǎn)生電路。采用流水線技術(shù)，使取指、譯碼、取操作數(shù)、執(zhí)指等步驟并行完成，提高了指令的執(zhí)行速度。除了

4、算數(shù)邏輯單元（ALU）外，具有獨(dú)立的乘加器，使其能夠在一個(gè)周期內(nèi)完成相乘和累加兩個(gè)操作，加快了各種典型處理算法的處理速度。具有適用于典型處理算法的特殊存儲(chǔ)器尋址方式，如循環(huán)尋址、位反序?qū)ぶ返取ａ槍?duì)實(shí)時(shí)處理的專用的數(shù)據(jù)接口（RAM、DMA、SPORT，etc.)，使數(shù)據(jù)的存取速度得以提高。專門(mén)的指令流控制邏輯，如無(wú)附加開(kāi)銷(xiāo)的循環(huán)轉(zhuǎn)移指令。集成度高，能夠?qū)崿F(xiàn)單片、低功耗的處理系統(tǒng)。,1-7,數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的應(yīng)用領(lǐng)域,通用數(shù)

5、字信號(hào)處理（數(shù)字濾波、卷積、相關(guān)、變換等）通信（高效調(diào)制/解調(diào)、編/解碼器、自適應(yīng)均衡、IP處理、軟件無(wú)線電等）語(yǔ)音處理（語(yǔ)音識(shí)別/合成/壓縮/解壓縮等）圖形/圖象處理（圖象變換、模式識(shí)別、圖象壓縮/解壓縮等）自動(dòng)控制（高精度、高速度伺服控制）軍事/航空/航天（雷達(dá)/聲吶信號(hào)處理、雷達(dá)成像、制導(dǎo)/火控系統(tǒng)、導(dǎo)航/定位系統(tǒng)、戰(zhàn)場(chǎng)C3I系統(tǒng)等）消費(fèi)電子（數(shù)字高清晰度電視（HDTV）、CD/VCD/DVD編解碼器、多媒體信息處理、

6、汽車(chē)電子等）,1-8,DSP的典型應(yīng)用—MPEG-4因特網(wǎng)攝像機(jī),1-9,DSP的分類(lèi),—— 主要分為通用DSP和專用DSP兩大類(lèi)通用DSP：其所要實(shí)現(xiàn)的處理算法由軟件程序控制實(shí)現(xiàn)。應(yīng) 用靈活性大，通過(guò)更改軟件程序能夠?qū)崿F(xiàn)不同的 處理算法。 產(chǎn)品是各種類(lèi)型的可編程DSP芯片，應(yīng)用較廣泛 的是： TI公司的TMS320系列 AD公司的ADSP2

7、1XX系列專用DSP：針對(duì)某種具體應(yīng)用而設(shè)計(jì)，所要實(shí)現(xiàn)的處理算法 由硬件直接實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算處理速度極高，但完成的 算法單一、精度和動(dòng)態(tài)范圍有限，需要與外圍電 路配合才能構(gòu)成系統(tǒng)，功耗也較大，因此應(yīng)用范 圍較窄， 主要應(yīng)用于儀器/ 儀表以及軍事等需要 極高處理能力的領(lǐng)域。 主要產(chǎn)品：FFT專用DSP、卷積/相關(guān)器、復(fù)乘加 器等。

8、* 用ASIC/FPGA實(shí)現(xiàn)的DSP,1-10,DSP的分類(lèi),橫向?yàn)V波器FFT復(fù)乘/累加器求模/相角,嵌入式DSP定點(diǎn) DSP32bit浮點(diǎn)DSP32bit浮點(diǎn)并行DSP超高性能DSP,16bit 定點(diǎn)DSP24bit 定點(diǎn)DSP,通用DSP,1-11,數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的開(kāi)發(fā)與調(diào)試,— DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為硬件/軟件兩個(gè)部分。兩者可以在各自的開(kāi)發(fā)平臺(tái)上分別進(jìn)行前期設(shè)計(jì)與調(diào)試，然后進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。具體開(kāi)發(fā)流程如圖所

9、示。硬件設(shè)計(jì)— DSP選型/系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確立— 性能/功耗分析— 開(kāi)發(fā)周期/成本分析— 電路設(shè)計(jì)/調(diào)試調(diào)試工具：DSP在線硬件仿真器（Emulator)、DSP開(kāi)發(fā)/評(píng)估板（Evaluation Board)、示波器、邏輯分析儀。軟件設(shè)計(jì)— 算法確定/程序流程圖— 軟件編制（匯編/C語(yǔ)言）— 匯編/編譯/鏈接— 軟件模擬調(diào)試工具：匯編/編譯/鏈接程序，軟件模擬/調(diào)試器（Simul

10、ator/Debugger)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)——對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的軟/硬件進(jìn)行的綜合調(diào)試。調(diào)試工具：硬件仿真器、DSP開(kāi)發(fā)/調(diào)試集成環(huán)境（IDE/IDDE）、DSP OS，etc.,1-12,ADSP-218x在線仿真器,1-13,ADSP-218x開(kāi)發(fā)/評(píng)估板,1-14,ADSP-218x開(kāi)發(fā)/評(píng)估板所包含的功能部件,1-15,DSP系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程圖—系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì),系統(tǒng)功能要求,系統(tǒng)性能及算法模擬,,,處理速度、開(kāi)發(fā)周期、體積、成本，功耗、

11、供貨、升級(jí),器件選型：DSP型號(hào)、存儲(chǔ)器、I/O、FPGA、A/D、D/A,,系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖,,,,,,硬件設(shè)計(jì),軟件設(shè)計(jì),1-16,DSP系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程圖—電路/軟件設(shè)計(jì),電路原理圖設(shè)計(jì),生成電路網(wǎng)表,設(shè)計(jì)印制電路板,印制板制造,器件安裝,軟件流程圖繪制,高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì),匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì),匯編算法庫(kù),實(shí)時(shí)運(yùn)行庫(kù),,,,編譯,匯編,,,鏈接,,,,,,軟件模擬,,修正,,,,,,,,,硬件調(diào)試,,,,,,,,軟/硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào),示波器

12、邏輯分析儀,,1-17,DSP系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程圖—系統(tǒng)聯(lián)調(diào),系統(tǒng)在線仿真,,,硬件電路,軟件程序,PC機(jī)仿真,,仿真結(jié)果?,,,有誤錯(cuò),修正,,,固化程序,,嵌入系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)調(diào),,連接外部設(shè)備,,綜合測(cè)試,,滿足系統(tǒng)要求?,,,否,修正,,,,否,修正,,,成品制造,,示波器邏輯分析儀,,1-18,DSP及其開(kāi)發(fā)的新趨勢(shì),單片系統(tǒng)（System-On-Chip)—— 隨著VLSI技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)一定的應(yīng)用領(lǐng)域，可以使整個(gè)系統(tǒng)以D

13、SP為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將應(yīng)用中所涉及的諸如 RAM、I/O、A/D、D/A等附加電路單元全部集成在一片IC芯片中，并且包括處理單元在內(nèi)的各功能塊都具有可重定義特性（Re-Configurable). 這樣一來(lái)，系統(tǒng)以后的功能擴(kuò)展與升級(jí)將非常簡(jiǎn)單，只需要重新編寫(xiě)軟件程序即可。同時(shí)系統(tǒng)的功耗會(huì)大大的降低， 可靠性會(huì)大大的提高。而這對(duì)便攜/移動(dòng)應(yīng)用非常重要。模塊化設(shè)計(jì)—— DSP及支持芯片/軟件生產(chǎn)廠商，均依據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)生

14、產(chǎn)電路板級(jí)DSP處理模塊， 同時(shí)為這種模塊提供豐富的符合標(biāo)準(zhǔn)的軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和算法資源庫(kù)。 這樣做的好處是降低了硬件設(shè)計(jì)難度、 減少了硬件設(shè)計(jì)時(shí)間， 更重要的是模塊化設(shè)計(jì)得到了豐富的軟件支持，大大提高了設(shè)計(jì)效率。,1-19,二進(jìn)制代數(shù)復(fù)習(xí),1-20,DSP中的二進(jìn)制數(shù)表示方法,ADSP-2100系列定點(diǎn)數(shù)DSP使用2的補(bǔ)碼進(jìn)行操作。若要有效地對(duì)該系列DSP進(jìn)行編程，了解以下概念及定義是非常重要的。1) 有符號(hào) / 無(wú)符號(hào)

15、數(shù)格式2) 小數(shù) / 整數(shù)格式3) 小數(shù)的范圍4) 16進(jìn)制到2進(jìn)制的轉(zhuǎn)換5) 2進(jìn)制到16進(jìn)制的轉(zhuǎn)換,1-21,2進(jìn)制（Binary ）- （16進(jìn)制）Hexadecimal – 10進(jìn)制（Decimal ）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表,,Decimal,,0 123456789101112131415,Hexadecimal,,01 23456789A

16、BCDEF,Binary,,0000 000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111,1-22,有符號(hào)數(shù)與無(wú)符號(hào)數(shù),,無(wú)符號(hào)數(shù),有符號(hào)數(shù),0x00000V (最小負(fù)值),,0xFFFF5V (最大正值),0x8000-5V (最小負(fù)值),,0x00000V,,0x7FFF5V (最大正值),,,

17、S/U,U U U U U U U U U U U U U U U,0,15,,,2進(jìn)制表示,實(shí)際物理量,1-23,有符號(hào)數(shù)（原碼）與2的補(bǔ)碼,有符號(hào)數(shù)（原碼）的最高位（MSB）為符號(hào)位。1——表示負(fù)數(shù)0——表示正數(shù)* 有符號(hào)數(shù)（原碼）“0”有兩種表示方法（+/-0）。* 有符號(hào)數(shù)（原碼）的運(yùn)算比較復(fù)雜，類(lèi)似于正負(fù)數(shù)的筆算 ，先要比較兩個(gè)數(shù)絕對(duì)值的大小，然后確定如何計(jì)算，最

18、 后在確定符號(hào)位。2的補(bǔ)碼——Xcmp = 2^n + X (n-字長(zhǎng)位數(shù)）* 性質(zhì)：正數(shù)的補(bǔ)碼與其原碼相同。負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼仍是負(fù)數(shù)，它是 將其原碼的符號(hào)位保持不變而將其數(shù)值部分求補(bǔ)得到。 “0”在補(bǔ)碼中的表示是唯一的。* 補(bǔ)碼的求法：一個(gè)負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼等于其原碼除符號(hào)位保持不變外 ，其余各位按位求反，再在最低位加1。* 補(bǔ)碼的運(yùn)算：符號(hào)位與數(shù)值位一樣參加運(yùn)算（若符號(hào)位有

19、進(jìn)位 則丟棄）。* 溢出的判別：“雙高位判別法”Cs：最高位（符號(hào)位）的進(jìn)位情況。 若有進(jìn)位，Cs = 1;Cp：數(shù)值部分的最高位的進(jìn)位情況。若有進(jìn)位，Cp = 1;Overflow = Cs xor Cp,1-24,2的補(bǔ)碼表示方法,對(duì)于2的補(bǔ)碼表示法， 一個(gè)數(shù)符號(hào)位的位權(quán)值是-(2)^(M-1)，M是2進(jìn)制小數(shù)點(diǎn)左邊的位數(shù)。對(duì)于一個(gè) 4.2 型式的數(shù)字, 符號(hào)位的位權(quán)值是 -(2^3).,,,,例

20、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進(jìn)制小數(shù)點(diǎn),符號(hào)位,,,,1-25,小數(shù)與整數(shù)表示法,? 1.15型式的小數(shù)格式,,S F

21、F F F F F F F F F F F F F F,?,S I I I I I I I I I I I I I I I,?,,小數(shù)點(diǎn),,小數(shù)點(diǎn),? 16.0型式的整數(shù)格式,,,1-26,DSP是針對(duì)小數(shù)表示型式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的DSP也支持整數(shù)表示型式,,1-27,16位二進(jìn)制數(shù)的表示范圍,,1-28,不同數(shù)制表示實(shí)例,,,+5 V,-5 V,0 V,,0x7FFF,0x0000,0x8000,,,,,,

22、1,2,3,4,5,格式,0x7FFF,,0x3FFF,,0x0000,,0xCCCD,,0x8000,1),,2),,3),,4),,5),16.0,,1.15,,1-29,有兩種將16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制數(shù)的方法，一種簡(jiǎn)單，一種較復(fù)雜. 復(fù)雜的方法 : 先將16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成2進(jìn)制數(shù). 確定小數(shù)點(diǎn)的位置. 將每一位的2進(jìn)制位數(shù)值乘以其響應(yīng)的位權(quán)值。例子: 將 0x2A00（ 以1.15 、2的補(bǔ)碼格式表示）轉(zhuǎn)換10進(jìn)制數(shù)

23、值0x2A00 = 0.010 1010 0000 0000 = 2^-2 + 2^-4 + 2^-6 = 0.25 + 0.0625 + 0.015625 = 0.328125 = 0.33 = 1/3 簡(jiǎn)單的方法 : 先將16進(jìn)制數(shù)直接轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制數(shù)（整數(shù)—整數(shù)）。再用轉(zhuǎn)換后的10進(jìn)制數(shù)除以2^N，N是2進(jìn)制小數(shù)點(diǎn)右邊的位數(shù)。例

24、子: 將 0x2A00（ 以1.15 、2的補(bǔ)碼格式表示）轉(zhuǎn)換10進(jìn)制數(shù)值0x2A00 10752 / 2^15 = 10752 / 32768 = 0.328125,,16進(jìn)制(1.15 格式)到10進(jìn)制轉(zhuǎn)換,1-30,,,,有兩種將10進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制數(shù)的方法，一種簡(jiǎn)單，一種較復(fù)雜.復(fù)雜的方法: 將10進(jìn)制數(shù)用其2^N 的型式表示出來(lái)。例子: 將0.8125轉(zhuǎn)換成以1.15、 2的補(bǔ)碼表示的16進(jìn)制數(shù)

25、值簡(jiǎn)單的方法: 將10進(jìn)制數(shù)乘以2^N ，N是1.15格式小數(shù)點(diǎn)右邊的位數(shù)值。然后再計(jì)算16進(jìn)制數(shù)值。例子: 將0.8125轉(zhuǎn)換成以1.15、 2的補(bǔ)碼表示的16進(jìn)制數(shù)值0.8125 * 2^15 = 0.8125 * 32768 = 26624 0x6800,10進(jìn)制到16進(jìn)制轉(zhuǎn)換 (1.15 格式),0.8125 =>,,,,,,,,,,,2,-2,2,-1,2,0,2,-3,2,-4,2,