DSP原理及应用C54X_精品文档Word文档下载推荐.doc
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在过去的二十多年时间里,数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。
数字信号处理是利用计算机或专用处理设备,以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理,以得到符合人们需要的信号形式。
数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来的。
数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。
反过来,数字信号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提高。
而数字信号处理的实现则是理论和应用之间的桥梁。
数字信号处理是以众多学科为理论基础的,它所涉及的范围极其广泛。
例如,在数学领域,微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具,与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。
近来新兴的一些学科,如人工智能、模式识别、神经网络等,都与数字信号处理密不可分。
可以说,数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础,同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。
数字信号处理的实现方法一般有以下几种:
(1)在通用的计算机(如PC机)上用软件(如Fortran、C语言)实现;
(2)在通用计算机系统中加上专用的加速处理
(3)用通用的单片机(如MCS-51、96系列等)实现,这种方法可用于一些不太复杂的数字信号处理,如数字控制等;
(4)用通用的可编程DSP芯片实现。
与单片机相比,DSP芯片具有更加适合于数字信号处理的软件和硬件资源,可用于复杂的数字信号处理算法;
(5)用专用的DSP芯片实现。
在一些特殊的场合,要求的信号处理速度极高,用通用DSP芯片很难实现,例如专用于FFT、数字滤波、卷积、相关等算法的DSP芯片,这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现,无需进行编程。
在上述几种方法中,第1种方法的缺点是速度较慢,一般可用于DSP算法的模拟;
第2种和第5种方法专用性强,应用受到很大的限制,第2种方法也不便于系统的独立运行;
第3种方法只适用于实现简单的DSP算法;
只有第4种方法才使数字信号处理的应用打开了新的局面。
虽然数字信号处理的理论发展迅速,但在20世纪80年代以前,由于实现方法的限制,数字信号处理的理论还得不到广泛的应用。
直到20世纪70年代末80年代初世界上第一片单片可编程DSP芯片的诞生,才将理论研究结果广泛应用到低成本的实际系统中,并且推动了新的理论和应用领域的发展。
可以毫不夸张地说,DSP芯片的诞生及发展对近20年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。
1.2DSP芯片的基本结构,原理和功能
数字信号处理器(DSP)是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器,主要用于实时快速实现各种数字信号处理的算法。
数字信号处理不同于普通的科学计算与分析,它强调运算的实时性。
除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制能力外,针对实时数字信号处理的特点,在处理器的结构、指令系统、指令流程上作了很大的改进,其主要特点如下:
(1)冯•诺伊曼(VonNeuman)结构
该结构采用单存储空间,即程序指令和数据共用一个存储空间,使用单一的地址和数据总线,取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行。
当进行高速运算时,不但不能同时进行取指令和取操作数,而且还会造成数据传输通道的瓶颈现象,其工作速度较慢。
图1冯·
诺伊曼(VonNeuman)结构
(2)哈佛(Harvard)结构
该结构采用双存储空间,程序存储器和数据存储器分开,有各自独立的程序总线和数据总线,可独立编址和独立访问,可对程序和数据进行独立传输,使取指令操作、指令执行操作、数据吞吐并行完成,大大地提高了数据处理能力和指令的执行速度,非常适合于实时的数字信号处理。
微处理器的哈佛结构如图2所示。
图2哈佛结构
(3)改进型的哈佛结构
改进型的哈佛结构是采用双存储空间和数条总线,即一条程序总线和多条数据总线。
其特点如下:
①允许在程序空间和数据空间之间相互传送数据,使这些数据可以由算术运算指令直接调用,增强芯片的灵活性;
②提供了存储指令的高速缓冲器(cache)和相应的指令,当重复执行这些指令时,只需读入一次就可连续使用,不需要再次从程序存储器中读出,从而减少了指令执行作需要的时间。
如:
TMS320C6200系列的DSP,整个片内程序存储器都可以配制成高速缓冲结构。
1.3DSP芯片的特点
(1)采用多总线结构
DSP芯片都采用多总线结构,可同时进行取指令和多个数据存取操作,并由辅助寄存器自动增减地址进行寻址,使CPU在一个机器周期内可多次对程序空间和数据空间进行访问,大大地提高了DSP的运行速度。
TMS320C54x系列内部有P、C、D、E等4组总线,每组总线中都有地址总线和数据总线,这样在一个机器周期内可以完成如下操作:
从程序存储器中取一条指令;
从数据存储器中读两个操作数;
向数据存储器写一个操作数。
(2)采用流水线技术
利用这种流水线结构,加上执行重复操作,就能保证在单指令周期内完成数字信号处理中用得最多的乘法-累加运算。
图3四级流水线
(3)配有专用的硬件乘法-累加器
为了适应数字信号处理的需要,当前的DSP芯片都配有专用的硬件乘法-累加器,可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作,从而可实现数据的乘法-累加操作。
如矩阵运算、FIR和IIR滤波、FFT变换等专用信号的处理。
(4)具有特殊的DSP指令
为了满足数字信号处理的需要,在DSP的指令系统中,设计了一些完成特殊功能的指令。
TMS320C54x中的FIRS和LMS指令,专门用于完成系数对称的FIR滤波器和LMS算法。
(5)快速的指令周期
由于采用哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的指令以及集成电路的优化设计,使指令周期可在20ns以下。
TMS320C54x的运算速度为100MIPS,即100百万条/秒。
(6)硬件配置强
新一代的DSP芯片具有较强的接口功能,除了具有串行口、定时器、主机接口(HPI)、DMA控制器、软件可编程等待状态发生器等片内外设外,还配有中断处理器、PLL、片内存储器、测试接口等单元电路,可以方便地构成一个嵌入式自封闭控制的处理系统。
(7)支持多处理器结构
为了满足多处理器系统的设计,许多DSP芯片都采用支持多处理器的结构。
TMS320C40提供了6个用于处理器间高速通信的32位专用通信接口,使处理器之间可直接对通,应用灵活、使用方便;
(8)省电管理和低功耗
DSP功耗一般为0.5~4W,若采用低功耗技术可使功耗降到0.25W,可用电池供电,适用于便携式数字终端设备。
1.4TMS320C54xDSP芯片的主要特性
TMS320C54x(简称’C54x)是TI公司为实现低功耗、高速实时信号处理而专门设计的16位定点数字信号处理器,采用改进的哈佛结构,具有高度的操作灵活性和运行速度,适应于远程通信等实时嵌入式应用的需要,现已广泛地应用于无线电通信系统中。
TMS320C54X是为实现低功耗、高性能而专门设计的定点DSP芯片,其主要应用是无线通信系统等。
该芯片的内部结构与TMS320C5X不同,因而指令系统与TMS320C5X和TMS320C2X等是互不兼容的。
1.4.1TMS320C54X的主要特点包括:
(1)运算速度快。
指令周期为25/20/15/12.5/10ns,运算能力为40/50/66/80/100MIPS;
(2)优化的CPU结构。
内部有1个40位的算术逻辑单元,2个40位的累加器,2个40位加法器,1个17×
17的乘法器和1个40位的桶形移位器。
有4条内部总线和2个地址产生器。
此外,内部还集成了维特比加速器,用于提高维特比编译码的速度。
先进的DSP结构可高效地实现无线通信系统中的各种功能,如用TMS320C54X实现全速率的GSM需12.7MIPS,实现半速率GSM需26.2MIPS,而实现全速率GSM语音编码器仅需2.3MIPS,实现IS-54/136VSELP语音编码仅需12.8MIPS;
(3)低功耗方式。
TMS320C54X可以在3.3V或2.7V电压下工作,三个低功耗方式(IDLE1、IDLE2和IDLE3)可以节省DSP的功耗,TMS320C54X特别适合于无线移动设备。
用TMS320C54X实现IS54/136VSELP语音编码仅需31.1mW,实现GSM语音编码器仅需5.6mW;
(4)智能外设。
除了标准的串行口和时分复用(TDM)串行口外,TMS320C54X还提供了自动缓冲串行口BSP(auto-BufferedSerialPort)和与外部处理器通信的HPI(HostPortInterface)接口。
BSP可提供2K字数据缓冲的读写能力,从而降低处理器的额外开销,指令周期为20ns时,BSP的最大数据吞吐量为50Mbit/s,即使在IDLE方式下,BSP也可以全速工作。
HPI可以与外部标准的微处理器直接接口。
表1是TMS320C54X系列部分DSP芯片比较表。
TMS320C54X
指令周期(ns)
工作电压(V)
片内RAM(字)
片内ROM(字)
串行口
BSP
HPI
C541
20/25
5/3.3/3.0
5K
28K
2个标准口
C542
10K
2K
1个TDM口
1
C543
3.3/3.0
10K
C545
6K
48K
1个标准口
C546
C548
15/20/25
32K
2
LC/VC549
10/12.5/15
3.3/2.5
16K
VC5402
10
3.3/1.8
4K
表1TMS320C54X的资源配置
1.4.2TMS320C54xDSP芯片的主要特性:
(1)CPU
1、先进的多总线结构。
2、40位算术逻辑运算单元(ALU),包括1个40位桶形移位寄存器和2个独立的40位累加器。
3、17位*17位并行乘法器,与40位专用加法器相连,用与非流水线式单周期乘法/累加(