第7章數(shù)字信號處理的硬件實(shí)現(xiàn)

7.1DSP技術(shù)的概念及其開展7.2DSP處理器的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(shù)主要實(shí)現(xiàn)途徑：1、信號處理軟件包

缺點(diǎn)是軟件實(shí)時(shí)處理較差，因此，多用于教學(xué)與科研當(dāng)中。2、專用的數(shù)字信號處理機(jī)

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

2/24/202527.1DSP技術(shù)的概念及其開展7.1.1DSP系統(tǒng)的根本概念典型的實(shí)時(shí)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(gè)方面：(1)接口方便。系統(tǒng)接口與其它數(shù)字系統(tǒng)或設(shè)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(shè)計(jì)人員在開發(fā)過程中靈活方便地對軟件進(jìn)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(fù)性好。數(shù)字系統(tǒng)便于測試、調(diào)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(biāo)準(zhǔn)性，便于大規(guī)模集成。2/24/20254DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的一般過程如圖

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

一般來說，選擇DSP芯片時(shí)考慮以下諸多因素。

1、

DSP芯片的運(yùn)算速度DSP芯片的運(yùn)算速度可以用以下幾種性能指標(biāo)來衡量：

(1)指令周期。就是執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，通常以ns為單位。

(2)MAC時(shí)間。即一次乘法和一次加法的時(shí)間。

(3)FFT執(zhí)行時(shí)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(diǎn)操作。(7)BOPS。即每秒執(zhí)行十億次操作。2、DSP芯片的價(jià)格開發(fā)階段選用某種價(jià)格稍貴的DSP芯片，等到系統(tǒng)開發(fā)完畢，其價(jià)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(nèi)RAM和ROM的數(shù)量，外部可擴(kuò)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(yùn)算精度定點(diǎn)DSP芯片的字長為16位或32位，浮點(diǎn)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(shí)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(yīng)用場合，功耗也是一個(gè)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(gè)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(gè)重要的里程碑；1980年，NEC公司推出的μPD7720成為第一個(gè)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(gè)采用CMOS工藝生產(chǎn)浮點(diǎn)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(gè)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)

7.2.1哈佛結(jié)構(gòu)馮·諾曼結(jié)構(gòu)將指令、數(shù)據(jù)、地址存儲在同一存儲器中，統(tǒng)一進(jìn)行編址，靠指令計(jì)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(jié)構(gòu)那么將數(shù)據(jù)和程序分別存儲在不同的存儲器當(dāng)中，即程序存儲器(PM)，數(shù)據(jù)存儲器(DM)，它們各自獨(dú)立單獨(dú)編址，獨(dú)立訪問。與此相對應(yīng)，系統(tǒng)中還設(shè)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(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)。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(yùn)算，因而幾乎所有的DSP芯片都設(shè)置了硬件乘法器，以及相應(yīng)的MAC(乘法并累加)一類的指令。例如利用TMS32021實(shí)現(xiàn)上式給出的FIR濾波器，每個(gè)抽頭需要重復(fù)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(shí)現(xiàn)延遲MPY；相乘APAC；將乘法結(jié)果加到ACC中2/24/202514如果是第二代DSP芯片TMS320C25每個(gè)抽頭的運(yùn)算時(shí)間將條降為1條，即：

RPT255 ；重復(fù)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(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP芯片廣泛采用指令流水線以減少指令執(zhí)行時(shí)間，從而增強(qiáng)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(gè)三級流水線操作的例子。

2/24/2025167.2.4其它特點(diǎn)1、獨(dú)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(shè)2/24/2025177.3TI系列DSP

在TI公司提供的產(chǎn)品系列當(dāng)中，使用較為廣泛的定點(diǎn)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(zhuǎn)換器，以及可靠CAN模塊，主要應(yīng)用于數(shù)字化的控制系統(tǒng)當(dāng)中。1、TMS320C24x系列DSPTMS320C24x系列所到達(dá)的20MIPs，可以應(yīng)用自適應(yīng)控制、Kalman濾波、狀態(tài)控制等先進(jìn)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(diǎn)DSP。它和C27x原代碼和目標(biāo)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(yùn)行。2/24/2025207.3.2TMS320C5000系列DSPC5000是16bit定點(diǎn)DSP系列，當(dāng)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(yīng)用目標(biāo)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(yīng)遠(yuǎn)程通信等實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用的需要，具有很好的操作靈活性和很高的運(yùn)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(hù)用戶在C54x上的投資。C55x工作在0.9V時(shí)，功耗低至0.005mW/MIPS。工作在400MHz鐘頻時(shí)，可達(dá)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(gè)人的和便攜式的應(yīng)用，以及數(shù)字通信設(shè)施的應(yīng)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(shù)VeloiTI、VeloiTI2和新的超長指令字(VLIW)結(jié)構(gòu)，使該系列DSP的性能到達(dá)很高的水平。該系列的第一款芯片C6201，在200MHz鐘頻時(shí)，到達(dá)1600MIPS。而2000年以后推出的C64x，在鐘頻1.1GHz時(shí)，可以到達(dá)8800MIPS以上，即每秒執(zhí)行近90億個(gè)指令。在鐘頻提高的同時(shí)，VeloiTI和VeloiTI2充分利用結(jié)構(gòu)上的并行性，可以在每個(gè)周期內(nèi)完成更多的工作。2/24/2025231、應(yīng)用領(lǐng)域〔1〕通信信號處理；〔2〕圖像視頻多媒體2、硬件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)，而且還需要學(xué)習(xí)使用其開發(fā)工具和環(huán)境。以下圖給出了一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)C編譯器，可以將標(biāo)準(zhǔn)C語言源文件編譯成為相應(yīng)芯片種類的匯編語言源代碼文件，進(jìn)而匯編和連接，產(chǎn)生可執(zhí)行的目標(biāo)文件。

1、C編譯器的主要特點(diǎn)(1)完全符合ANSIC標(biāo)準(zhǔn)。(2)編譯器軟件包內(nèi)帶有一個(gè)完整的運(yùn)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(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)從C源代碼到高效匯編代碼的轉(zhuǎn)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(biāo)文件庫作為連接器的輸入。(5)公用目標(biāo)文件格式(COFF：CommonObjectFileFormat)使用戶能夠在連接時(shí)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(nèi)有一個(gè)外殼程序只用一個(gè)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(yùn)行支持庫；(9)編譯器具有靈活的匯編語言接口，使用直接調(diào)用協(xié)議，易于編寫可以相互調(diào)用的匯編和C函數(shù)。(10)對于獨(dú)立的嵌入式應(yīng)用，允許復(fù)位時(shí)運(yùn)行C代碼。

2/24/202529綜上所述，C編譯器在作編譯時(shí)，分為兩步實(shí)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(jìn)一步的匯編和連接，才能生成可執(zhí)行代碼。2、TMS320標(biāo)準(zhǔn)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(shí)候兩個(gè)指針表達(dá)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(dá)式。

2/24/202530(3)數(shù)據(jù)流優(yōu)化目的就是優(yōu)化表達(dá)式的描述，檢測出并去除不必要的賦值操作，防止重復(fù)計(jì)算已經(jīng)算過的值。(4)優(yōu)化轉(zhuǎn)移，簡化控制流程(5)循環(huán)相關(guān)變量的優(yōu)化(6)循環(huán)流程當(dāng)中的其它優(yōu)化(7)函數(shù)調(diào)用的內(nèi)聯(lián)擴(kuò)展(8)存放器變量(9)以省時(shí)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(shí)現(xiàn)循環(huán)處理的優(yōu)化。(11)并行指令有一些浮點(diǎn)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(gè)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(jìn)制轉(zhuǎn)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(jī)器語言的目標(biāo)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(kuò)展名是“.asm〞。由匯編器所建立的目標(biāo)文件，其缺省的文件擴(kuò)展名是“.obj〞。用匯編器可以建立列表文件，其缺省的文件擴(kuò)展名是“.lst〞。

2/24/2025332、連接器(Linker)連接器的根本任務(wù)是將目標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(gè)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(gè)查錯(cuò)的工具，它接受已經(jīng)連接好的目標(biāo)文件作為輸入，產(chǎn)生一個(gè)交叉引用列表作為輸出。

5、十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換公用程序(HexConversionUtility)這個(gè)十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換公用程序就是用來將COFF目標(biāo)文件轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的十六進(jìn)制格式。

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

(1)調(diào)試器的主要特征

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

多操作支持；多級調(diào)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(qiáng)大的命令集；(2)調(diào)試器的調(diào)試模式

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

2/24/202538(3)調(diào)試器窗口

命令顯示窗：命令窗口提供一個(gè)可以鍵入各種命令的區(qū)域，并顯示各種信息，如進(jìn)程信息、錯(cuò)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(diào)試器使用方法簡介

調(diào)試器配置：包括內(nèi)存配置和顯示配置，其中內(nèi)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(yùn)行程序：方法主要有：RUN、RUNB、GO、單步運(yùn)行等。

觀察運(yùn)行結(jié)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(shí)時(shí)條件下進(jìn)行軟件調(diào)試的調(diào)試工具，它不需要目標(biāo)硬件支持，只需在計(jì)算機(jī)(如PC)上運(yùn)行，是一種廉價(jià)方便的調(diào)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(xué)者進(jìn)行DSP編程練習(xí)的一套根本的實(shí)時(shí)軟件調(diào)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(zhuǎn)換芯片；DSK可以與PC機(jī)進(jìn)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(nèi)部RAM執(zhí)行。4、評價(jià)模塊(EVM)2/24/2025415、仿真器(XDS)仿真器，即擴(kuò)展開發(fā)系統(tǒng)，可用來進(jìn)行系統(tǒng)級的集成調(diào)試，是進(jìn)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(jìn)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(gè)仿真引腳，通過串口訪問的移位存放器，依次構(gòu)成掃描通道。該掃描通道提供對內(nèi)部的器件存放器和狀態(tài)機(jī)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(shí)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(gè)插槽)；IEEE1149.1(JTAG)或