标签: 数字信号处理，模拟系统，DSP原理

DSP是Digital Signal Processing(数字信号处理)或Digital Signal Processor(数字信号处理器)的缩写。这一章中我们要讲的内容是，如何开始采用一个或多个数字信号处理芯片对输入信号(数字信号)进行分析、处理。所以在你进行DSP开发之前，你应该明确以下几个问题: (1).你是否应该或需要使用DSP? (2).你应该选择哪个型号的DSP? (3).你熟悉你即将使用的DSP吗?包括它的硬件结构、外设控制、指令系统、寻址方式以及开发环境(工具)? 1-1为什么要采用数字信号处理? (1)灵活性 在模拟处理系统，当需要改变一个模拟系统的应用时，你可能不得不修改硬件设计，或调整硬件参数。而在数字处理系统，你可以通过改变数字信号处理软件来修改设置，以适应不同的需要。 (2)精度 在模拟处理系统，系统精度受元器件影响，同一批次产品可能有不同的性能。而在数字处理系统中，精度仅与A/D的位数和计算机字长、算法有关，它们是在设计系统是就已经决定了的。 (3)可靠性和可重复性 模拟系统易受环境温度、湿度、噪声、电磁场等的干扰和影响，而数字系统的可靠性和可重复性好。 (4)大规模集成 模拟系统尽管已有一些模拟集成电路，但品种较少、集成度不高、价格较高。而数字系统中DSP体积小、功能强、功耗小、一致性好、使用方便、性能/价格比高。 (5)虚拟特性与升级 一套模拟系统系统只能对应一种功能，升级意味着新型号的系统的研制。而数字系统中一套系统对应多种功能，只要装上不同的软件即可。 图1：软件使得数字系统更加灵活 (6)特殊应用:有些应用只有数字系统才能实现 例如:信息无失真压缩(LOSSLESS COMPRESSION)、V型滤波器(NOTCH FILTER)、线性相位滤波器(LINEAR PHASE FILTER)等等. 但数字信号处理也有局限性: (1) 实时性 模拟系统中除开电路引入的延时外，处理是实时的。而数字系统:由计算机的处理速度决定。 (2)高频信号的处理: 模拟系统可以处理包括微波毫米波乃至光波信号，而数字系统:按照奈奎斯特准则的要求，受S/H、A/D和处理速度的限制。 (3)模拟与数字信号的转换 现实世界的信号绝大多数是模拟的(温度、速度、压力等)，转换成的电信号也是模拟的(电流、电压等)。要实现数字处理，就必须进行转换。所以一般在一个DSP系统中都有数/模或模/数转换电路，这也限制了DSP的应用。下面是一个采用DSP做信号处理的典型框图: 采用DSP做信号处理的典型框图 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 1-2 DSP的发展与特点 DSP的特点 (1)哈佛结构 程序与数据存储空间分开，各有独立的地址总线和数据总线，取指和读数可以同时进行，从而提高速度。 (2)用指令流水线 (3)硬件乘法/累加器 在卷积、数字滤波、FFT、相关、矩阵运算等算法中，都有∑SA(k)B(n－k)一类的运算，其中包含大量重复乘法和累加。在通用计算机的乘法用软件实现，需要用若干个机器周期。而DSP有专用的硬件乘法器，使用MAC指令(取数、乘法、累加)，可以在单周期内完成。 (4)多种寻找方式 循环寻址(Circular addressing)，位倒序(bit-reversed)等特殊指令，使FFT、卷积等运算中的寻址、排序及计算速度大大提高。1024点FFT的时间己小于1ms。 (5)独立的DMA总线和控制器 有一组或多组独立的DMA总线，可以与CPU的程序、数据总线并行工作。在不影响CPU工作的条件下，DMA速度已达800Mbyte/s以上。(6)多处理器接口现在的DSP中大多都提供了串口和并口，使多个处理器可以很方便的并行或串行工作。如TMS320C40有6个8-bit的接口，VC5420提供MsBSP和16位的并口，ADI的ADSP21160也有类似的结构。 (7)所有DSP芯片都包含JTAG(Joint Test Action Group)标准测试接口(IEEE 1149标准接口)，便于对DSP作片上的在线仿真和多DSP条件下的调试。 DSP的发展 更高的运行速度和信号处理速度 多DSP协同工作 更方便的开发环境 大量专用DSP的出现(DSP核) 更低的价格，或更高的性能/价格比 更广泛的应用(每年以30％增长) 更低的功耗(55X 0.05mw/MIPS) 1-3 TI的DSP系列 DSP的主要供应商 目前市场上的主要DSP生产商包括TI，ADI，Motorola，Lucent和Zilog等，其中TI占有最大市场份额。作为第一片DSP产品TMS32010的生产商和DSP行业的领头者，TI公司的产品包括从低端的低成本低速度DSP到高端大运算量的DSP产品。 TI的三大主力DSP产品 C5000系列:C54X，C54XX，C55X(低功耗) C2000系列:C20X，F20X，F24X，F24XX(控制器) C6000系列:C62XX，C67XX，C64X(高性能) TI其他DSP产品 C3X系列(浮点):C30，C31，C32，VC33 C2x和C5x系列:C20，C25，C50等 C4X、C8X系列 1.4 TI的DSP系列介绍 目前，广泛使用的TI的DSP有三个系列:C2000，C5000和C6000，C3X也有使用，而其他型号都基本淘汰。需要提醒注意的是，同一系列中不同型号的DSP一般都具有相同的DSP核，相同或兼容的汇编指令系统；而它们的差别仅在于片内存储器的大小，外设资源(如定时器、串口、并口等)的多少。不同系列的DSP它们的汇编指令系统不兼容，但汇编语言的语法非常相似。除了汇编语言外，TI还为每个系列都提供了优化c编译器，方便用户使用c(使用ANSI的标准c)语言进行开发，效率可以做到手工汇编的90％甚至更高。下面我们简单介绍这个常用系列: 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 1.C2000系列: C2000系列是一个控制器系列，全部为16位定点DSP。该系列中的一些型号具有片内FLASH RAM，如TMS320F24x，TMS320LF240x等。TI所有DSP中，也只有C2000有FLASH。作为控制器，C2000系列除了有一个DSP核以外，还有大量的外设资源，如A/D、定时器、各种串口(同步或异步)、WATCHDOG、CAN总线、PWM发生器、数字IO脚等等。特别是C2000的异步串口可以与PC的UART相连，也是TI所有DSP中唯一具有异步串口的系列。 图2 ： C2000系列DSP的型号 2.C5000系列: C5000系列是一个定点低功耗系列，特别适用于手持通讯产品，如手机、PDA、GPS等。目前的处理速度一般在80MIPS一400MIPS。C5000系列主要分为C54xx和C55XX两个系列。两个系列在执行代码级是兼容的，但他们的汇编指令系统却不同。目前TMS320VC5402的零售价在￥60一￥80元，性价比极高。C5000包含的主要外设有McBPS同步串口，HPI并行接口，定时器，DMA等。其中C55XX提供EMIF外部存储器扩展接口，允许用户直接使用SDRAM、SBSRAM、SRAM、EPROM等各种存储器。而C54XX没有提供EMIF，所以只能直接使用静态存储器SRAM和EPROM。另外，C5000系列一般都使用双电源供电，其I/0电压和核电压一般不同，而且不同型号也有差别。不过，TI提供了全系列的DC—DC变换器可以解决DSP的电源问题。 C5000系列一般都提供PGE封装，便于PCB板的制作。 图3： C5000系列DSP 3.C3X系列: C3X系列虽然不是目前TI的主流产品，但作为一个32位的低价位浮点DsP，仍然被广泛使用。其中，TMS320VC33的价格大约在￥200元左右，其最高处理速度为150MFLOPs。C3X系列的结构比较简单，外设也比较少，主要有同步串口，DMA通道，定时器，能用于数字I/O的引脚也只有2条。下面是VC33的简单情况: 高品质的浮点DSP，13ns和17ns指令周期 34Kx32Bit片内RAM X5 PLL时钟产生器 低功耗，200mv@150MFLOPS 16/32bits整数和32/40bits浮点数运算 32位指令字，24bits地址线 具有BOOTLOADER。一个串口，两个32位的定时器和DMA 八个扩展精度寄存器，R0，R1，。。R7 双电压共电，1.8V核电压和3.3V的I/O电压 支持JTAG调试标准。四个简单、高效的预译码信号 4.C6000系列: C6000系列是一个32位的高性能的DSP芯片，目前处理速度从800MIPS一2400MIPS，而且还在不断提高。其中，C62XX为定点系列，C67XX和C64XX为浮点系列。同C55XX一样，C6000也提供EMIF扩展存储器接口，方便用户使用各种外部扩展存储器，如SBSRAM、SDRAM、SRAM、EPROM。C6000提供的主要外设有McBPS同步串口，HPI并行接口，定时器，DMA等。另外，在C6000的一些型号中还提供了PCI接口。C6000几乎都只提供BGA球形封装，在PCB板制作时需要多层板，增加了开发和调试的难度。另外，C6000系列的功耗较大，需要仔细考虑DSP与系统其他部分的电力分配，选择适当的DC—DC转换器。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载

DSP是Digital Signal Processing(数字信号处理)或Digital Signal Processor(数字信号处理器)的缩写。这一章中我们要讲的内容是，如何开始采用一个或多个数字信号处理芯片对输入信号(数字信号)进行分析、处理。所以在你进行DSP开发之前，你应该明确以下几个问题: (1).你是否应该或需要使用DSP? (2).你应该选择哪个型号的DSP? (3).你熟悉你即将使用的DSP吗?包括它的硬件结构、外设控制、指令系统、寻址方式以及开发环境(工具)? 1-1为什么要采用数字信号处理? (1)灵活性 在模拟处理系统，当需要改变一个模拟系统的应用时，你可能不得不修改硬件设计，或调整硬件参数。而在数字处理系统，你可以通过改变数字信号处理软件来修改设置，以适应不同的需要。 (2)精度 在模拟处理系统，系统精度受元器件影响，同一批次产品可能有不同的性能。而在数字处理系统中，精度仅与A/D的位数和计算机字长、算法有关，它们是在设计系统是就已经决定了的。 (3)可靠性和可重复性 模拟系统易受环境温度、湿度、噪声、电磁场等的干扰和影响，而数字系统的可靠性和可重复性好。 (4)大规模集成 模拟系统尽管已有一些模拟集成电路，但品种较少、集成度不高、价格较高。而数字系统中DSP体积小、功能强、功耗小、一致性好、使用方便、性能/价格比高。 (5)虚拟特性与升级 一套模拟系统系统只能对应一种功能，升级意味着新型号的系统的研制。而数字系统中一套系统对应多种功能，只要装上不同的软件即可。 图1：软件使得数字系统更加灵活 (6)特殊应用:有些应用只有数字系统才能实现 例如:信息无失真压缩(LOSSLESS COMPRESSION)、V型滤波器(NOTCH FILTER)、线性相位滤波器(LINEAR PHASE FILTER)等等. 但数字信号处理也有局限性: (1) 实时性 模拟系统中除开电路引入的延时外，处理是实时的。而数字系统:由计算机的处理速度决定。 (2)高频信号的处理: 模拟系统可以处理包括微波毫米波乃至光波信号，而数字系统:按照奈奎斯特准则的要求，受S/H、A/D和处理速度的限制。 (3)模拟与数字信号的转换 现实世界的信号绝大多数是模拟的(温度、速度、压力等)，转换成的电信号也是模拟的(电流、电压等)。要实现数字处理，就必须进行转换。所以一般在一个DSP系统中都有数/模或模/数转换电路，这也限制了DSP的应用。下面是一个采用DSP做信号处理的典型框图: 采用DSP做信号处理的典型框图 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 1-2 DSP的发展与特点 DSP的特点 (1)哈佛结构 程序与数据存储空间分开，各有独立的地址总线和数据总线，取指和读数可以同时进行，从而提高速度。 (2)用指令流水线 (3)硬件乘法/累加器 在卷积、数字滤波、FFT、相关、矩阵运算等算法中，都有∑SA(k)B(n－k)一类的运算，其中包含大量重复乘法和累加。在通用计算机的乘法用软件实现，需要用若干个机器周期。而DSP有专用的硬件乘法器，使用MAC指令(取数、乘法、累加)，可以在单周期内完成。 (4)多种寻找方式 循环寻址(Circular addressing)，位倒序(bit-reversed)等特殊指令，使FFT、卷积等运算中的寻址、排序及计算速度大大提高。1024点FFT的时间己小于1ms。 (5)独立的DMA总线和控制器 有一组或多组独立的DMA总线，可以与CPU的程序、数据总线并行工作。在不影响CPU工作的条件下，DMA速度已达800Mbyte/s以上。(6)多处理器接口现在的DSP中大多都提供了串口和并口，使多个处理器可以很方便的并行或串行工作。如TMS320C40有6个8-bit的接口，VC5420提供MsBSP和16位的并口，ADI的ADSP21160也有类似的结构。 (7)所有DSP芯片都包含JTAG(Joint Test Action Group)标准测试接口(IEEE 1149标准接口)，便于对DSP作片上的在线仿真和多DSP条件下的调试。 DSP的发展 更高的运行速度和信号处理速度 多DSP协同工作 更方便的开发环境 大量专用DSP的出现(DSP核) 更低的价格，或更高的性能/价格比 更广泛的应用(每年以30％增长) 更低的功耗(55X 0.05mw/MIPS) 1-3 TI的DSP系列 DSP的主要供应商 目前市场上的主要DSP生产商包括TI，ADI，Motorola，Lucent和Zilog等，其中TI占有最大市场份额。作为第一片DSP产品TMS32010的生产商和DSP行业的领头者，TI公司的产品包括从低端的低成本低速度DSP到高端大运算量的DSP产品。 TI的三大主力DSP产品 C5000系列:C54X，C54XX，C55X(低功耗) C2000系列:C20X，F20X，F24X，F24XX(控制器) C6000系列:C62XX，C67XX，C64X(高性能) TI其他DSP产品 C3X系列(浮点):C30，C31，C32，VC33 C2x和C5x系列:C20，C25，C50等 C4X、C8X系列 1.4 TI的DSP系列介绍 目前，广泛使用的TI的DSP有三个系列:C2000，C5000和C6000，C3X也有使用，而其他型号都基本淘汰。需要提醒注意的是，同一系列中不同型号的DSP一般都具有相同的DSP核，相同或兼容的汇编指令系统；而它们的差别仅在于片内存储器的大小，外设资源(如定时器、串口、并口等)的多少。不同系列的DSP它们的汇编指令系统不兼容，但汇编语言的语法非常相似。除了汇编语言外，TI还为每个系列都提供了优化c编译器，方便用户使用c(使用ANSI的标准c)语言进行开发，效率可以做到手工汇编的90％甚至更高。下面我们简单介绍这个常用系列: 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 1.C2000系列: C2000系列是一个控制器系列，全部为16位定点DSP。该系列中的一些型号具有片内FLASH RAM，如TMS320F24x，TMS320LF240x等。TI所有DSP中，也只有C2000有FLASH。作为控制器，C2000系列除了有一个DSP核以外，还有大量的外设资源，如A/D、定时器、各种串口(同步或异步)、WATCHDOG、CAN总线、PWM发生器、数字IO脚等等。特别是C2000的异步串口可以与PC的UART相连，也是TI所有DSP中唯一具有异步串口的系列。 图2 ： C2000系列DSP的型号 2.C5000系列: C5000系列是一个定点低功耗系列，特别适用于手持通讯产品，如手机、PDA、GPS等。目前的处理速度一般在80MIPS一400MIPS。C5000系列主要分为C54xx和C55XX两个系列。两个系列在执行代码级是兼容的，但他们的汇编指令系统却不同。目前TMS320VC5402的零售价在￥60一￥80元，性价比极高。C5000包含的主要外设有McBPS同步串口，HPI并行接口，定时器，DMA等。其中C55XX提供EMIF外部存储器扩展接口，允许用户直接使用SDRAM、SBSRAM、SRAM、EPROM等各种存储器。而C54XX没有提供EMIF，所以只能直接使用静态存储器SRAM和EPROM。另外，C5000系列一般都使用双电源供电，其I/0电压和核电压一般不同，而且不同型号也有差别。不过，TI提供了全系列的DC—DC变换器可以解决DSP的电源问题。 C5000系列一般都提供PGE封装，便于PCB板的制作。 图3： C5000系列DSP 3.C3X系列: C3X系列虽然不是目前TI的主流产品，但作为一个32位的低价位浮点DsP，仍然被广泛使用。其中，TMS320VC33的价格大约在￥200元左右，其最高处理速度为150MFLOPs。C3X系列的结构比较简单，外设也比较少，主要有同步串口，DMA通道，定时器，能用于数字I/O的引脚也只有2条。下面是VC33的简单情况: 高品质的浮点DSP，13ns和17ns指令周期 34Kx32Bit片内RAM X5 PLL时钟产生器 低功耗，200mv@150MFLOPS 16/32bits整数和32/40bits浮点数运算 32位指令字，24bits地址线 具有BOOTLOADER。一个串口，两个32位的定时器和DMA 八个扩展精度寄存器，R0，R1，。。R7 双电压共电，1.8V核电压和3.3V的I/O电压 支持JTAG调试标准。四个简单、高效的预译码信号 4.C6000系列: C6000系列是一个32位的高性能的DSP芯片，目前处理速度从800MIPS一2400MIPS，而且还在不断提高。其中，C62XX为定点系列，C67XX和C64XX为浮点系列。同C55XX一样，C6000也提供EMIF扩展存储器接口，方便用户使用各种外部扩展存储器，如SBSRAM、SDRAM、SRAM、EPROM。C6000提供的主要外设有McBPS同步串口，HPI并行接口，定时器，DMA等。另外，在C6000的一些型号中还提供了PCI接口。C6000几乎都只提供BGA球形封装，在PCB板制作时需要多层板，增加了开发和调试的难度。另外，C6000系列的功耗较大，需要仔细考虑DSP与系统其他部分的电力分配，选择适当的DC—DC转换器。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载