DSP系統(tǒng)設計DigitalSignalProcessor數字信號處理器為什么要開展研究性教學改革上課記筆記考試背筆記考后全忘記學生掌握的、真正能運用的知識是靠學生自己學得的，而不是教師教給的。教學目標知識目標：數字信號處理基礎算法、DSP芯片體系結構、語音或圖像等應用領域基礎知識。能力目標：DSP系統(tǒng)軟硬件開發(fā)基本能力、系統(tǒng)設計和調試能力。素質目標：文獻閱讀與分析、需求分析、技術方案設計。教學方案

以學生為主體，將學生的自主學習和老師的有效指導相結合，教師協引導學生閱讀分析文獻并擬定面向個人研究興趣的設計題目。設計題目按個人選定，依據應用領域分組。教師引導全班同學以課堂討論形式點評學生的設計方案并提出問題。同學在實踐環(huán)節(jié)中實施設計方案并進行功能型驗證，如果可能則進一步測試相關技術指標。課程的考核方法

課程成績結合課堂討論和展示、實踐環(huán)節(jié)表現、文獻綜述報告、設計報告等環(huán)節(jié)統(tǒng)一評定。感興趣和基礎好的同學可以參加實驗板調試，加分環(huán)節(jié)設計能力的培養(yǎng)：單元設計題目30多個，2人一個；系統(tǒng)設計每人一個題目。9/4

緒論；DSP概況；開發(fā)環(huán)境；文獻檢索和分析綜述11/4

實驗1：CCS開發(fā)環(huán)境的使用16/4文獻分析報告和討論18/4

DSP的硬件結構、指令系統(tǒng)、實驗系統(tǒng)介紹23/4

DSP的軟件設計、目標文件格式25/4

實驗2定時器波形產生實驗30/4

定時器中斷控制的ADC采樣率、柵欄效應討論2/5

實驗3定時器中斷控制的ADC實驗7/5實驗4：FFT實驗

柵欄效應、歌曲頻譜分析9/5McBSP與音頻信號分析應用案例14/5

實驗5音頻信號采集和放送16/5

DSP設計案例1，工程設計流程；21/5實驗系統(tǒng)設計與調試經驗23/5

機動28/5設計方案研討30/5

設計方案研討4/6設計方案研討6/6設計方案研討11/6設計方案研討13/6總結與討論課程信息教材：TMS320C55xDSP原理及應用（第3版）。作者：汪春梅，孫曉波學時：30學時上課，10學時實驗，2周的課程設計。學習方法：主動學習、多實踐、多上網查相關資料、深入思考，與其他微處理器（單片機、ARM等）對比學習。

[1]DSP芯片的原理與開發(fā)應用（第4版），張雄偉等編著，電子工業(yè)出版社，2009[2]曾義芳.《DSP開發(fā)應用技術》.北京航空航天大學出版社2008[3]芯片數據手冊、應用案例[4]公司網站.

http://.；http://；http://；http://；[5]61IC網站.http://www.61IC.COM[6]合眾達電子http://[7]

聞亭科技/[8]中國DSP網；嵌入式開發(fā)網參考書與相關網址第一章DSP技術概述1.1DSP的一般概念1.2DSP芯片的特點、發(fā)展和應用1.3DSP系統(tǒng)的構成、特點和設計流程1.4DSP芯片的開發(fā)環(huán)境1.1DSP的一般概念強調的是對以數字形式表現的信號進行處理和研究的方法。是一門涉及許多學科且廣泛應用于許多領域的新興學科。DSP包括兩層概念:1）.數字信號處理（DigitalSignalProcessing—DSP）2）.數字信號處理器（DigitalSignalProcessor——DSP）強調的是通過專用集成電路芯片，利用數字信號處理理論，在芯片上運行目標程序，實現對信號的某種處理。第一章DSP技術概述第一章DSP技術概述DSP技術的發(fā)展及現狀

20世紀60年代興起，算法多采用模擬仿真形式研究，無法做到實時處理；

20世紀70年代，集成電路技術發(fā)展，硬件實現FFT和數字濾波成為可能；

20世紀80年代，第一片商用數字信號處理器TMS320C10DSP研制成功；

20世紀90年代，數字信號處理飛速發(fā)展，在工程上實現和推廣應用。

21世紀，數字信號處理器已廣泛應用于各行各業(yè)，發(fā)揮著重要作用。1.1DSP的一般概念第一章DSP技術概述DSP技術的應用

1.通信及多媒體領域應用（1）數字式移動通信系統(tǒng)（2）軟件無線電（SoftwareRadio）（3）高清晰度電視（HDTV）和語音及圖像處理識別應用

2.控制領域的應用（1）電機和機器人控制（2）激光打印機、掃描儀和復印機等消費電子產品（3）網絡控制及傳輸設備3.汽車、石油勘探、飛行器、醫(yī)學4.軍事武裝設備：激光制導靈巧炸彈1.1DSP的一般概念DSPADC音頻,數字視頻

利用X86處理器完成實時數字信號處理

隨著CPU技術的不斷進步，X86處理器的處理能力不斷發(fā)展，基于X86處理器的處理系統(tǒng)已經不僅局限于以往的模擬和仿真，也能滿足部分數字信號的實時處理要求，而各種便攜式或工業(yè)標準的推出，如PC104、PC104Plus結構，以及CPCI總線標準的應用，這些都改善了X86系統(tǒng)的抗惡劣環(huán)境的性能，擴展了X86系統(tǒng)的應用范圍。

（1）處理器選擇范圍較寬：X86處理器涵蓋了從386到奔騰系列，處理速度從100MHz到幾GHz，而為了滿足工控等各種應用，X86廠商也推出了多款低功耗處理器，其功耗遠遠小于商用處理器。（2）主板及外設資源豐富：無論是普通結構，還是基于PC104和PC104Plus結構，以及CPCI總線標準，都有多種主板及擴展子板可供選擇，節(jié)省了用戶的大量硬件開發(fā)時間。（3）有多種操作系統(tǒng)可供選擇：這些操作系統(tǒng)包括Windows、Linux、WinCE等，而針對特殊應用，還可根據需要對操作系統(tǒng)進行剪裁，以適應實時數字信號處理要求。（4）開發(fā)、調試較為方便：X86的開發(fā)、調試工具十分成熟，使用者不需要很深的硬件基礎，只要能夠熟練使用VC、C-Build等開發(fā)工具即可進行開發(fā)。利用X86系統(tǒng)進行實時數字信號處理的優(yōu)點：

X86進行實時信號處理的缺點

（1）數字信號處理能力不強：X86系列處理器沒有為數字信號處理提供專用乘法器等資源，尋址方式也沒有為數字信號處理進行優(yōu)化，實時信號處理對中斷的響應延遲時間要求十分嚴格，通用操作系統(tǒng)并不能滿足這一要求；（2）硬件組成較為復雜：即使是采用最小系統(tǒng)，X86數字信號處理系統(tǒng)也要包括主板（包括CPU、總線控制、內存等）、非易失存儲器（硬盤或電子硬盤、SD卡或CF卡）和信號輸入/輸出部分（這部分通常為AD擴展卡和DA擴展卡），如果再包括顯示、鍵盤等設備，系統(tǒng)將更為復雜；（3）系統(tǒng)體積、重量較大，功耗較高：即使采用緊湊的PC104結構，其尺寸也達到96mm×90mm，而采用各種降低功耗的措施，X86主板的峰值功耗仍不小于5W，高功耗則對供電提出較高要求，則需要便攜系統(tǒng)提供容量較大的電池，進一步增大了系統(tǒng)的重量；（4）抗環(huán)境影響能力較弱：便攜系統(tǒng)往往要工作于自然環(huán)境當中，溫度、濕度、振動、電磁干擾等都會給系統(tǒng)正常工作帶來影響，而為了克服這些影響，X86系統(tǒng)所需付出的代價將是十分巨大的。

利用通用微處理器完成實時數字信號處理

通用微處理器的種類多，包括51系列及其擴展系列，德州儀器公司的MSP430系列，ARM公司的ARM7、ARM9、ARM10系列，等等，利用通用微處理器進行信號處理的優(yōu)點如下。

(1)可選范圍廣：通用微處理器種類多，使用者可從速度、片內存儲器容量、片內外設資源等各種角度進行選擇，許多處理器還為執(zhí)行數字信號處理專門提供了乘法器等資源。（2）硬件組成簡單：只需要非易失存儲器，A/D、D/A即可組成最小系統(tǒng)，這類處理器一般都包括各種串行、并行接口，可以方便地與各種A/D、D/A轉換器進行連接。（3）系統(tǒng)功耗低，適應環(huán)境能力強。

（1）信號處理的效率較低：以一個兩個數值乘法為例，處理器需要先用兩條指令從存儲器當中取值到寄存器中，用一條指令完成兩個寄存器的值相乘，再用一條指令將結果存到存儲器中，這樣，完成一次乘法就花費了4條指令，使信號處理的效率難以提高。（2）內部DMA通道較少：數字信號處理需要對大量的數據進行搬移，如果這些數據搬移全部通過CPU進行，將極大的浪費CPU資源，但通用處理器往往DMA通道數量較少，甚至沒有DMA通道，這也將影響信號處理的效率。利用通用微處理器進行信號處理的缺點每條指令可通過片內多功能單元完成取指、譯碼、取操作數和執(zhí)行等多個步驟，實現多條指令的并行執(zhí)行，從而在不提高系統(tǒng)時鐘頻率的條件下減少每條指令的執(zhí)行時間。其過程如圖1.2.3所示。

針對這些缺點，當前的發(fā)展趨勢是在通用處理器中內嵌硬件數字信號處理單元，如很多視頻處理器產品都是在ARM9處理器中嵌入H.264、MPEG4等硬件視頻處理模塊，從而取得了較好的處理效果；而另一條路徑是在單片中集成ARM處理器和DSP處理器，類似的產品如德州儀器的OMAP處理器及最新的達芬奇視頻處理器，它們就是在一個芯片中集成了一個ARM9處理器和一個C55x處理器或一個C64x處理器。如:TMS320DM270ARM9+TMS320C5909TMS320DM355ARM+協處理器圖像硬壓縮MPEG4TMS320DM375ARM+協處理器圖像硬壓縮MPEG4\H.264TMS320DM360ARM+協處理器圖像硬壓縮MPEG4\H.264

隨著微電子技術的快速發(fā)展，FPGA的制作工藝已經進入到45nm時期，這意味在一片集成電路當中可以集成更多的晶體管，芯片運行更快，功耗更低。其主要優(yōu)點如下。（1）適合高速信號處理：FPGA采用硬件實現數字信號處理，更加適合實現高速數字信號處理，對于采樣率大于100MHz的信號，采用專用芯片或FPGA是適當的選擇。（2）具有專用數字信號處理結構：縱觀當前最先進的FPGA，如ALTERA公司的StratixⅡ、Ⅲ系列、CycloneⅡ、Ⅲ系列，Xilinx公司的Virtex-4、Virtex-5系列都為數字信號處理提供了專用的數字信號處理單元，這些單元由專用的乘法累加器組成，所提供的乘法累加器不僅減少了邏輯資源的使用，其結構也更加適合實現數字濾波器、FFT等數字信號處理算法。利用（FPGA）進行實時數字信號處理（1）開發(fā)需要較深的硬件基礎：無論用VHDL還是VerilogHDL語言實現數字信號處理功能都需要較多的數字電路知識，硬件實現的思想與軟件編程有著很大區(qū)別，從軟件算法轉移到FPGA硬件實現存在著很多需要克服的困難。（2）調試困難：對FPGA進行調試與軟件調試存在很大區(qū)別，輸出的信號需要通過示波器、邏輯分析儀進行分析，或者利用JTAG端口記錄波形文件，而很多處理的中間信號量甚至無法引出進行觀察，因此FPGA的更多工作是通過軟件仿真來進行驗證的，這就需要編寫全面的測試文件，FPGA的軟件測試工作是十分艱巨的。使用FPGA的缺點

數字信號處理器（DigitalSignalProcessor，DSP）是一種專門為實時、快速實現各種數字信號處理算法而設計的具有特殊結構的微處理器。DSP芯片已成為集成電路中發(fā)展最快的電子產品之一。DSP芯片迅速成為眾多電子產品的核心器件，DSP系統(tǒng)也被廣泛地應用于當今技術革命的各個領域——通信電子、信號處理、自動控制、雷達、軍事、航空航天、醫(yī)療、家用電器、電力電子，而且新的應用領域還在不斷地被發(fā)現、拓展?？梢哉f，基于DSP技術的開發(fā)應用正在成為數字時代應用技術領域的潮流。利用數字信號處理器實時實現數字信號處理第一章DSP技術概述

DSP芯片的結構和特點1).處理器實現的兩種結構馮?諾依曼結構1.2DSP芯片1).處理器實現的兩種結構哈佛結構第一章DSP技術概述

DSP芯片的結構和特點1.2DSP芯片第一章DSP技術概述DSP芯片的結構和特點2).處理器的多總線和流水線

DSP芯片都采用多總線結構，可同時進行取指令和多個數據存取操作，并由輔助寄存器自動增減地址進行尋址，使CPU在一個機器周期內可多次對程序空間和數據空間進行訪問，大大地提高了DSP的運行速度。3).采用流水線技術流水線結構，加上執(zhí)行重復操作，就能保證在單指令周期內完成數字信號處理中用得最多的乘法-累加運算。1.2DSP芯片第一章DSP技術概述DSP芯片的結構和特點4).配有專用的硬件乘法-累加器

為了適應數字信號處理的需要，當前的DSP芯片都配有專用的硬件乘法-累加器，可在一個周期內完成一次乘法和一次累加操作，從而可實現數據的乘法-累加操作。如矩陣運算、FIR和IIR濾波、FFT變換等專用信號的處理。5).具有特殊的DSP指令

為了滿足數字信號處理的需要，在DSP的指令系統(tǒng)中，設計了一些完成特殊功能的指令。如：TMS320C55xx中的FIRSADD指令和LMS指令，分別用于對稱結構FIR濾波算法和LMS算法。1.2DSP芯片第一章DSP技術概述DSP芯片的結構和特點6)．快速的指令周期

由于采用哈佛結構、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的指令以及集成電路的優(yōu)化設計，使指令周期可在20ns以下。7)．支持多處理器結構為了滿足多處理器系統(tǒng)的設計，許多DSP芯片都采用支持多處理器的結構。如：TMS320C40提供了6個用于處理器間高速通信的32位專用通信接口，使處理器之間可直接對通，應用靈活、使用方便1.2DSP芯片第一章DSP技術概述

DSP芯片的分類

按照用途，可將DSP芯片分為通用型和專用型兩大類

通用型DSP芯片：一般是指可以用指令編程的DSP芯片，適合于普通的DSP應用，具有可編程性和強大的處理能力，可完成復雜的數字信號處理的算法。

專用型DSP芯片：是為特定的DSP運算而設計，通常只針對某一種應用，相應的算法由內部硬件電路實現，適合于數字濾波、FFT、卷積和相關算法等特殊的運算。主要用于要求信號處理速度極快的特殊場合。

1.2DSP芯片第一章DSP技術概述DSP芯片的分類根據芯片工作的數據格式，可分為定點DSP和浮點DSP兩類定點DSP芯片：數據以定點格式工作。浮點DSP芯片：數據以浮點格式工作。不同的浮點DSP芯片所采用的浮點格式有所不同，有的DSP芯片采用自定義的浮點格式，有的DSP芯片則采用IEEE的標準浮點格式。1.2DSP芯片第一章DSP技術概述DSP芯片的分類TI公司的DSP芯片：浮點DSP：

TMS320C3x系列32bit第三代1990年；

TMS320C4x系列32bit第四代1990年；

TMS320C67x系列64bit第七代1998年。定點DSPC2x、C24x稱為C2000系列，主要用于數字控制系統(tǒng)；

C54x、C55x稱為C5000系列，主要用于功耗低、便于攜帶的通信終端；1.2DSP芯片

C5000系列（定點、低功耗）：C54XX，C55X相比其它系列的主要特點是低功耗，所以最適合個人與便攜式上網以及無線通信應用，如手機、PDA、GPS等應用。處理速度在80MIPS--400MIPS之間。C54XX和C55XX一般只具有McBSP同步串口、HPI并行接口、定時器、DMA等外設。值得注意的是C55XX提供了EMIF外部存儲器擴展接口，可以直接使用SDRAM，而C54XX則不能直接使用。C2000系列（定點、控制器）：C20X，F20X，F24X，F24XX，C28X，F28XX該系列芯片具有大量外設資源，如：A/D、定時器、各種串口（同步和異步），WATCHDOG、CAN總線/PWM發(fā)生器、數字IO腳等。是針對控制應用最佳化的DSP，在TI所有的DSP中，只有C2000有FLASH，也只有該系列有異步串口可以和PC的UART相連。TI公司DSP介紹C6000系列：C62XX，C67XX，C64XX該系列以高性能著稱，最適合寬帶網絡和數字影像應用。32bit，其中：C62XX和C64XX是定點系列，C67XX是浮點系列。該系列提供EMIF擴展存儲器接口。該系列只提供BGA封裝，只能制作多層PCB。且功耗較大。C3X系列：浮點系列，非主流產品，VC33仍在廣泛使用，但其速度較低，最高在150MIPS，但功耗較低。OMAP系列：OMAP處理器集成ARM的命令及控制功能，另外還提供DSP的低功耗實時信號處理能力，最適合移動上網設備和多媒體家電。TI公司DSP介紹Davinci：TMS320DM644x架構是一款高度集成的片上系統(tǒng)(SoC)，集成了數字視頻所需的許多外部組件。DM644x器件建立在TI性能卓越的TMS320C64x+DSP內核基礎之上，ARM926處理器、視頻加速器、網絡外設及外部存儲器／存儲設備接口等都專門為視頻功能進行了調節(jié)。TMS320DM6443針對視頻編碼及解碼應用進行了調優(yōu)，可提供數字視頻解碼所需要的全部組件，包括帶集成式圖像縮放工具及畫中畫(OSD)引擎的模擬及數字視頻輸出。TMS320DM6446則特別適合視頻編碼與解碼，其專門的視頻處理前端添加了視頻編碼功能，能夠捕獲各種數字視頻格式。其主要應用為網絡照相機、機頂盒、視頻電話、醫(yī)療成像等。TI公司DSP介紹文獻檢索學校主頁>萬方數據>高級檢索推薦參考書《DSP》開發(fā)應用技術，曾義芳編著，北京航空航天大學出版社，2008年1月共10個專題，后附參考文獻500余條該書所附文獻為2008年以前文獻，要求每人至少要包含一條2008年以后的新文獻，越新越好。文獻閱讀和綜述要求每人閱讀一篇學位論文：重點閱讀緒論、摘要和結論部分，了解學科領域的基本知識和發(fā)展狀況，了解該領域所應用DSP芯片的特點和應用方案。不要求閱讀軟硬件設計細節(jié)。每人閱讀至少2篇期刊論文：重點閱讀引言、系統(tǒng)方案、結果和結論。鼓勵增加網站資料每個小組中各人的文獻不得相同，每人一份文獻綜述。每個小組綜合優(yōu)化各綜述，課堂討論。綜述中可以按年代也可以按DSP類別整理。文獻綜述報告要求建立課程公共郵箱4.12前每人將各人檢索文獻的小綜述發(fā)郵箱，組內共享，文件命名為學號+姓名+小綜述4.14日前提交共享綜合優(yōu)化后的綜述報告，文件命名為學號+姓名+綜述4.15日組內商議擇優(yōu)推薦報告人4.16日報告人代表全組報告，Word文檔即可，不要求PPTTMS320系列主要芯片發(fā)展第一章DSP技術概述制造工藝：NMOS→亞微米CMOS→深亞微米CMOS存儲器容量：片內由幾百→幾百K；片外可達Mbit甚至Gbit級內部結構：多處理單元，多總線，多級流水線，接口完善運算速度：指令周期400ns→10ns，速度2.5MIPS→2000MIPS以上集成規(guī)模：集成A/D,D/A,濾波→模擬混合式DSP運算精度：字長8→16→24→32位；累加器40位開發(fā)工具：Simulator→Emulator→C-Compiler→CCS低功耗DSP芯片的發(fā)展現狀和趨勢

1.2DSP芯片第一章DSP技術概述DSP的內核結構將進一步改善DSP和微處理器的融合DSP和高檔CPU的融合DSP和SOC的融合DSP和FPGA的融合實時操作系統(tǒng)RTOS與DSP的結合DSP的并行處理結構功耗越來越低

DSP芯片的發(fā)展現狀和趨勢

1.2DSP芯片第一章DSP技術概述幾種通用數字信號處理器面向電信基礎引用的TMS320TCI6486多核DSP：內部含有6個C64x+megamodule，主要用于語音分組網等電話設備中。TMS320C28x控制DSP：用于工業(yè)自動控制，照明控制系統(tǒng)、光通信網絡系統(tǒng)等。DSP芯片的發(fā)展現狀和趨勢

1.2DSP芯片第一章DSP技術概述幾種通用數字信號處理器TMS320C5000DSP+RISC:集成了C54xDSPCPU內核和ARM7內核，具有數字處理能力和控制接口能力,用于無線數據交換系統(tǒng)等。TMS320C55x低功耗DSP：嵌入式低功耗高性能處理器，面向3G手機、PDA、數字照相機等。OMAP5910處理器：集成了DSP和ARM，通過橋接技術實現了雙CPU的數據交換DSP芯片的發(fā)展現狀和趨勢

1.2DSP芯片DSP開發(fā)工程師數字信號處理算法知識；DSP芯片的結構和開發(fā)要點；DSP系統(tǒng)設計能力。DSP系統(tǒng)基本構成抗混疊濾波A/DD/ADSP平滑濾波輸入輸出存儲器第一章DSP技術概述1.3DSP系統(tǒng)DSP系統(tǒng)模擬系統(tǒng)數字信號模擬信號實時處理模擬器件FPGA/CPLDDSP芯片強調控制運算過程第一章DSP技術概述1.3DSP系統(tǒng)DSP系統(tǒng)的特點:DSP系統(tǒng)的特點

1）.精度高難17位字長模擬網絡元件（R、L、C等）模擬網絡系統(tǒng)數字系統(tǒng)DSP、D/A精度10-3精度10-3第一章DSP技術概述1.3DSP系統(tǒng)2）.可靠性強信號信號放大器A放大器B計算機A計算機B只要誤差不超過0、1判決電平A、B結果可能不同A、B結果果相同DSP系統(tǒng)的特點

第一章DSP技術概述1.3DSP系統(tǒng)3）.集成度高

表面貼裝ASIC芯片DSP系統(tǒng)DSPCPLDFPGA開發(fā)壓縮體積降低成本DSP系統(tǒng)的特點

第一章DSP技術概述1.3DSP系統(tǒng)4）.接口方便以現代數字技術為基礎的系統(tǒng)或設備都是兼容的，系統(tǒng)接口方便。5）.靈活性好

DSP系統(tǒng)DSP