第7章數(shù)字信號處理的硬件實現(xiàn)

7.1DSP技術的概念及其開展7.2DSP處理器的主要結構特點7.3TI系列DSP7.4DSP的開發(fā)環(huán)境2/24/20251數(shù)字信號處理技術主要實現(xiàn)途徑：1、信號處理軟件包

缺點是軟件實時處理較差，因此，多用于教學與科研當中。2、專用的數(shù)字信號處理機

方便、經(jīng)濟，但是它的靈活性和適應性都較差。3、采用單片信號處理器(ChipDigitalSignalProcessor通常簡稱為DSP)把設計師的精力從繁雜的布線和煩瑣的調試等硬件設計中轉向軟件設計。

2/24/202527.1DSP技術的概念及其開展7.1.1DSP系統(tǒng)的根本概念典型的實時信號處理系統(tǒng)2/24/20253DSP系統(tǒng)的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)接口方便。系統(tǒng)接口與其它數(shù)字系統(tǒng)或設備的接口是相互兼容的，這樣便于信息的交換與傳輸。(2)編程方便。系統(tǒng)中的可編程芯片可使設計人員在開發(fā)過程中靈活方便地對軟件進行修改和升級。(3)穩(wěn)定性好。系統(tǒng)以數(shù)字處理為根底，與模擬系統(tǒng)相比受環(huán)境溫度以噪聲的影響較小，可靠性高。(4)可重復性好。數(shù)字系統(tǒng)便于測試、調試和大規(guī)模生產(chǎn)。(5)集成方便。系統(tǒng)中的數(shù)字部件具有高度的標準性，便于大規(guī)模集成。2/24/20254DSP系統(tǒng)的設計的一般過程如圖

2/24/20255針對上圖個局部處理的過程(1)根據(jù)應用系統(tǒng)的目標確定系統(tǒng)的性能指標，以及信號處理的要求。(2)根據(jù)系統(tǒng)的要求進行高級語言的模擬，通常使用C語言或MATLAB語言。(3)設計DSP系統(tǒng)，DSP系統(tǒng)的設計包括硬件設計和軟件設計兩個方面。硬件設計選擇適宜的DSP芯片，然后設計DSP芯片的外圍電路及其它電路。軟件設計和編程。2/24/202567.1.2DSP芯片的選擇

一般來說，選擇DSP芯片時考慮以下諸多因素。

1、

DSP芯片的運算速度DSP芯片的運算速度可以用以下幾種性能指標來衡量：

(1)指令周期。就是執(zhí)行一條指令所需要的時間，通常以ns為單位。

(2)MAC時間。即一次乘法和一次加法的時間。

(3)FFT執(zhí)行時間。2/24/20257(4)MIPS。即每秒執(zhí)行百萬條指令。

(5)MOPS。即每秒執(zhí)行百萬次操作。(6)MFLOPS。即每秒執(zhí)行百萬次浮點操作。(7)BOPS。即每秒執(zhí)行十億次操作。2、DSP芯片的價格開發(fā)階段選用某種價格稍貴的DSP芯片，等到系統(tǒng)開發(fā)完畢，其價格可能已經(jīng)下降一倍甚至更多。3、DSP芯片的硬件資源

主要包括：片內RAM和ROM的數(shù)量，外部可擴展的程序和數(shù)據(jù)空間，總線接口，I/O接口等。2/24/202584、DSP芯片的運算精度定點DSP芯片的字長為16位或32位，浮點芯片的字長一般為32位，累加器為40位。

5、DSP芯片的開發(fā)工具在選擇DSP芯片的同時必須注意其開發(fā)工具的支持情況，包括軟件和硬件的開發(fā)工具。

6、DSP芯片的功耗在某些DSP應用場合，功耗也是一個需要特別注意的問題。7、其他2/24/202597.1.3DSP開展1978年，AMI公司研發(fā)世界上第一個單片DSP芯片是研制的S2811；1979年Intel公司，展示的商用可編程器件Intel2920成為DSP芯片開展的一個重要的里程碑；1980年，NEC公司推出的μPD7720成為第一個具有乘法器電路的商用DSP芯片。1982年，日本的Hitachi公司推出第一個采用CMOS工藝生產(chǎn)浮點DSP芯片。在DSP芯片市場中，最成功的是美國德克薩斯儀器公司〔TexasInstruments，簡稱TI〕。2/24/202510TI公司從1982年推出其產(chǎn)品：第一代DSP芯片TMS32021及其系列產(chǎn)品包括TMS32021、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等；第二代，TMS32021、TMS320C25/C26/C28等；第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32；第四代DSP芯片TMS320C40/C44；第五代DSP芯片TMS320C50/C51/C52/C53以及集多個DSP于一體的高性能DSP芯片TMS320C80/C82等。目前TI公司常用的DSP芯片為以下三大系列，即TMS320C2000，TMS320C5000；TMS320C6000。2/24/2025117.2DSP處理器的主要結構特點

7.2.1哈佛結構馮·諾曼結構將指令、數(shù)據(jù)、地址存儲在同一存儲器中，統(tǒng)一進行編址，靠指令計數(shù)器提供的地址來區(qū)別取出的是數(shù)據(jù)、地址還是指令。2/24/202512哈佛結構那么將數(shù)據(jù)和程序分別存儲在不同的存儲器當中，即程序存儲器(PM)，數(shù)據(jù)存儲器(DM)，它們各自獨立單獨編址，獨立訪問。與此相對應，系統(tǒng)中還設置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。目前使用的DSP芯片都采用了改進的哈佛結構。2/24/2025137.2.2硬件乘法器和特殊的DSP指令考慮到數(shù)字信號處理算法中存在著大量的乘加運算，因而幾乎所有的DSP芯片都設置了硬件乘法器，以及相應的MAC(乘法并累加)一類的指令。例如利用TMS32021實現(xiàn)上式給出的FIR濾波器，每個抽頭需要重復執(zhí)行下屬指令256次：LT；裝乘數(shù)到T存放器DMOV；在存儲器中移動數(shù)據(jù)以實現(xiàn)延遲MPY；相乘APAC；將乘法結果加到ACC中2/24/202514如果是第二代DSP芯片TMS320C25每個抽頭的運算時間將條降為1條，即：

RPT255 ；重復執(zhí)行下條指令256次MACD ；LT、DMOV、MPY和APAC2/24/2025157.2.3指令系統(tǒng)的多級流水線與哈佛結構相關，DSP芯片廣泛采用指令流水線以減少指令執(zhí)行時間，從而增強了處理器的處理能力。TMS320系列處理器的流水線深度從二到四級不等。下面是一個三級流水線操作的例子。

2/24/2025167.2.4其它特點1、獨立直接存儲器訪問(DMA)總線及其控制器2、數(shù)據(jù)地址發(fā)生器(DAG)3、豐富的外設2/24/2025177.3TI系列DSP

在TI公司提供的產(chǎn)品系列當中，使用較為廣泛的定點DSP芯片有三大系列，即用于數(shù)字控制系統(tǒng)的TMS320C2000系列產(chǎn)品，用于功耗低、便攜式的無線通信終端的TMS320C5000系列產(chǎn)品，以及高性能32位的TMS320C62XX等系列的產(chǎn)品。

2/24/2025187.3.1TMS320C2000系列DSPTMS320C2000系列DSP控制器，具有很好的性能，集成了Flash存儲器、高速A/D轉換器，以及可靠CAN模塊，主要應用于數(shù)字化的控制系統(tǒng)當中。1、TMS320C24x系列DSPTMS320C24x系列所到達的20MIPs，可以應用自適應控制、Kalman濾波、狀態(tài)控制等先進的控制算法，C24x與早先的C2x系列原代碼兼容，向上與C5x的原代碼兼容。2/24/2025192、TMS320C28x系列DSPTMS320C28x是高性能32bit定點DSP。它和C27x原代碼和目標代碼兼容。但凡使用C2xLPCPU編寫的代碼，都可以重新編譯后在C28x上運行。2/24/2025207.3.2TMS320C5000系列DSPC5000是16bit定點DSP系列，當前廣泛使用的主流為TMS320C54X系列芯片，以及TI較晚推出的TMS320C55X系列芯片。其主要應用目標是手持通信系統(tǒng)，例如，、PDA和GPSSOHO(小型辦公室和家庭辦公室)的語音和數(shù)據(jù)系統(tǒng)等。1、TMS320C54x系列DSPTMS320C54x系列DSP適應遠程通信等實時嵌入式應用的需要，具有很好的操作靈活性和很高的運行速度。2/24/2025212、TMS320C55x系列DSPC55x是從C54x開展起來的，并與之原代碼兼容，以便保護用戶在C54x上的投資。C55x工作在0.9V時，功耗低至0.005mW/MIPS。工作在400MHz鐘頻時，可達800MIPS。與120MHz的C54x相比，300MHs的C55x性能提高5倍，功耗降為1/6。因此，C55x非常適合個人的和便攜式的應用，以及數(shù)字通信設施的應用。2/24/2025227.3.3TMS320C6000系列DSP該系列是TI公司從1997年開始推出的新型DSP系列。采用TI的專利技術VeloiTI、VeloiTI2和新的超長指令字(VLIW)結構，使該系列DSP的性能到達很高的水平。該系列的第一款芯片C6201，在200MHz鐘頻時，到達1600MIPS。而2000年以后推出的C64x，在鐘頻1.1GHz時，可以到達8800MIPS以上，即每秒執(zhí)行近90億個指令。在鐘頻提高的同時，VeloiTI和VeloiTI2充分利用結構上的并行性，可以在每個周期內完成更多的工作。2/24/2025231、應用領域〔1〕通信信號處理；〔2〕圖像視頻多媒體2、硬件結構3、TMS320C62x和TMS320C64x4．TMS320C67x5、DM64x數(shù)字媒體處理器2/24/2025247.4DSP的開發(fā)環(huán)境

對于DSP工程師來說，除了需要熟悉和掌握DSP本身的結構和技術指標，而且還需要學習使用其開發(fā)工具和環(huán)境。以下圖給出了一個DSP的軟件開發(fā)流程圖。本章將以TI公司的TMS320系列DSP芯片為例，簡要介紹目前使用得比較廣泛的開發(fā)環(huán)境和工具。2/24/2025252/24/2025267.4.1C編譯器TI公司為TMS320系列DSP芯片提供了系列的C編譯器。這些標準C編譯器，可以將標準C語言源文件編譯成為相應芯片種類的匯編語言源代碼文件，進而匯編和連接，產(chǎn)生可執(zhí)行的目標文件。

1、C編譯器的主要特點(1)完全符合ANSIC標準。(2)編譯器軟件包內帶有一個完整的運行支持庫。(3)該編譯器能夠作高水平的優(yōu)化，使用多種先進技術實現(xiàn)從C源代碼到高效匯編代碼的轉換。

2/24/202527(4)歸檔器公用程序(ArchiverUtility)，將文件歸入單一的文檔或庫中，可以對庫作文件的添加、刪除、替換，也可以將目標文件庫作為連接器的輸入。(5)公用目標文件格式(COFF：CommonObjectFileFormat)使用戶能夠在連接時定義自己系統(tǒng)的存儲器映射，將C源代碼和數(shù)據(jù)連接到特定的存儲區(qū)域，從而最大限度地改善其性能。(6)該編譯器包內有一個外殼程序只用一個命令，就可以編譯、匯編和連接，直接從C源文件產(chǎn)生可執(zhí)行的COFF文件。

2/24/202528(7)可以生成多種列表文件；(8)用戶可以使用C編譯器軟件包所提供的建庫公用程序(Library-BuildUtility)，通過不同的選擇來建立自己運行支持庫；(9)編譯器具有靈活的匯編語言接口，使用直接調用協(xié)議，易于編寫可以相互調用的匯編和C函數(shù)。(10)對于獨立的嵌入式應用，允許復位時運行C代碼。

2/24/202529綜上所述，C編譯器在作編譯時，分為兩步實現(xiàn)：第一步分析源代碼，第二步產(chǎn)生匯編語言源程序，需要作進一步的匯編和連接，才能生成可執(zhí)行代碼。2、TMS320標準C編譯器的優(yōu)化TMS320的C編譯器能作多種優(yōu)化處理，從而極大地改善了其匯編所得代碼的效率。這些處理包括：(1)代數(shù)式改變，字符簡化，常數(shù)合并(2)別名澄清，它確定什么時候兩個指針表達式不能指向同一單元，從而使得編譯器能自由地優(yōu)化這些表達式。

2/24/202530(3)數(shù)據(jù)流優(yōu)化目的就是優(yōu)化表達式的描述，檢測出并去除不必要的賦值操作，防止重復計算已經(jīng)算過的值。(4)優(yōu)化轉移，簡化控制流程(5)循環(huán)相關變量的優(yōu)化(6)循環(huán)流程當中的其它優(yōu)化(7)函數(shù)調用的內聯(lián)擴展(8)存放器變量(9)以省時為根底的存放器配置2/24/202531(10)循環(huán)處理的優(yōu)化利用自動增量尋址模式和塊循環(huán)可以實現(xiàn)循環(huán)處理的優(yōu)化。(11)并行指令有一些浮點指令可以成對地并行執(zhí)行。7.4.2匯編語言工具TMS320的匯編語言工具是一個軟件包，其中包括：匯編器，連接器，歸檔器，交叉引用列表器和十六進制轉換公用程序。2/24/2025321、匯編器(Assembler)TMS320的匯編器將匯編語言的源程序文件匯編成為機器語言的目標程序文件，其格式為COFF，即通常指的“.obj〞文件。匯編器的輸入文件為匯編語言源文件，其缺省的文件擴展名是“.asm〞。由匯編器所建立的目標文件，其缺省的文件擴展名是“.obj〞。用匯編器可以建立列表文件，其缺省的文件擴展名是“.lst〞。

2/24/2025332、連接器(Linker)連接器的根本任務是將目標文件連接在一起，產(chǎn)生可執(zhí)行模塊。連接器可以接受的輸入文件包括匯編器產(chǎn)生的COFF目標文件、命令文件、庫文件以及已局部連接好了的文件。它所產(chǎn)生的可執(zhí)行COFF目標模塊可以裝入各種開發(fā)工具或由TMS320器件來執(zhí)行。根據(jù)用戶的要求，連接器還可以建立一個連接映射列表，用來描述存儲器的分配、輸入和輸出程序段的位置，以及外部符號重新定位后的地址。2/24/2025343、歸檔器(Archiver)歸檔器允許用戶將一組文件歸入檔案文件中。

4、交叉引用列表器(Cross—ReferenceLister)交叉引用列表器是一個查錯的工具，它接受已經(jīng)連接好的目標文件作為輸入，產(chǎn)生一個交叉引用列表作為輸出。

5、十六進制轉換公用程序(HexConversionUtility)這個十六進制轉換公用程序就是用來將COFF目標文件轉換成標準的十六進制格式。

2/24/2025357.4.3系統(tǒng)集成與調試工具TI公司為TMS320系統(tǒng)的集成與調試所提供的工具主要包括：C/匯編源碼調試器(C/AssemblySourceDebugger)；軟仿真器(Simulation)；入門套件(DSK，DSPStarterKit)；標準評估模塊(EVM)；仿真器XDS(ExlendedDevelopmentSystem)。2/24/2025361、C/匯編源碼調試器C/匯編源碼調試器是一種工作在PC機上的先進的軟件接口，它與調試工具(如軟仿真器、標準評估模塊和仿真器)配合使用。

(1)調試器的主要特征

提供完善的控制程序運行的特征，如：條件執(zhí)行，單步執(zhí)行，斷點設置和消除，批文件執(zhí)行命令。

多操作支持；多級調試；可靈活配置的界面；2/24/202537全屏幕編輯；連續(xù)更新；綜合數(shù)據(jù)顯示；功能強大的命令集；(2)調試器的調試模式

自動模式：在自動模式中，調試器自動顯示當前正在運行的代碼，或者是匯編語言，或者是C語言。這也是缺省的調試模式。匯編模式；混合模式；

2/24/202538(3)調試器窗口

命令顯示窗：命令窗口提供一個可以鍵入各種命令的區(qū)域，并顯示各種信息，如進程信息、錯誤信息或命令輸出。代碼顯示窗：顯示匯編語言代碼或C語言代碼。數(shù)據(jù)顯示窗：觀察和修改各種類型的數(shù)據(jù)。

(4)調試器使用方法簡介

調試器配置：包括內存配置和顯示配置，其中內存配置尤為重要。裝入程序：裝入的是編譯匯編鏈接后生成文件。

2/24/202539運行程序：方法主要有：RUN、RUNB、GO、單步運行等。

觀察運行結果；編輯和更改數(shù)據(jù)。2、軟仿真器(Simulation)軟仿真器是一種模擬DSP芯片各種功能并在非實時條件下進行軟件調試的調試工具，它不需要目標硬件支持，只需在計算機(如PC)上運行，是一種廉價方便的調試工具。

2/24/2025403、入門套件(DSK，DSPStarterKit)入門套件是TI公司提供給初學者進行DSP編程練習的一套根本的實時軟件調試工具。DSK板上除了有一片DSP芯片之外，還提供了可用于聲音輸入和輸出接口的模數(shù)模接口芯片，即A/D和D/A轉換芯片；DSK可以與PC機進行通信，在PC上匯編后的程序可以通過串行或并行接口下載到DSP芯片的內部RAM執(zhí)行。4、評價模塊(EVM)2/24/2025415、仿真器(XDS)仿真器，即擴展開發(fā)系統(tǒng)，可用來進行系統(tǒng)級的集成調試，是進行DSP芯片軟硬件開發(fā)的最正確工具。目前采用邊界掃描仿真接口(JTAG)進行仿真。掃描仿真器不采用插入仿真的方法，而是利用DSP芯片上提供的幾個仿真引腳，通過串口訪問的移位存放器，依次構成掃描通道。該掃描通道提供對內部的器件存放器和狀態(tài)機的訪問，允許完全的可觀察和控制。2/24/202542XDS510/XDS510WS就屬于掃描仿真器，可以對TMS320C2XX、TMS320C3X、TMS320C4X、TMS320C5X、TMS320C54X、TMS320C8X和TMS320C6X等片種實施全速掃描式仿真。

2/24/202543TI提供的一套XDS510仿真器包括：

XDS510仿真器的PC板(占用PC一個插槽)；IEEE1149.1(JTAG)或