第一章 简述DSPWord文件下载.docx
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要想学习到DSP的精粹所在就必须掌握如何在一个DSP系统上面开发程序，而现实当中我们进行DSP程序编写的时候是在一个完整的系统里面进行的，本书当中以F2812开发板为实例进行完整的剖析，达到真正的由浅到深，手把手教学，来领略DSP的魅力所在。
1.1.2DSP的特点
对于没有使用过DSP的初学者来说，第一个困惑就是DSP与其他的嵌入式处理器究竟有什么不同，它和单片机，ARM有什么区别。
事实上，DSP也是一种嵌入式处理器，它完全可以完成单片机的功能。
唯一重要的区别在于DSP支持单时钟周期的"
乘加"
运算。
这几乎是所有厂家的DSP芯片的一个共有特征。
几乎所有的DSP处理器的指令集中都会有一条MAC指令，这条指令可以把两个操作数从RAM中取出相乘，然后加到一个累加器中，所有这些操作都在一个时钟周期内完成，拥有这样一条指令的处理器就具备了DSP功能。
具有这条指令就称之为数字信号处理器的原因在于，所有的数字信号处理算法中最为常见的算术操作就是"
。
这是因为数字信号处理中大量使用了内积，或称"
点积"
的运算。
无论是FIR滤波，FFT，信号相关，数字混频，下变频。
所有这些数字信号处理的运算经常是将输入信号与一个系数表或者与一个参考信号相乘然后对其进行积分（累加），这就表现为将两个向量（或称序列）进行点积。
因此，为了能在硬件上实现上述的点积功能，DSP生产商放弃使用传统的冯诺依曼架构（单一总线结构）来设计处理器，转而使用哈佛架构。
所谓哈佛结构是将数据和程序分别存储在两个不同的存储空间（一个程序存储器，一个数据存储器，如图1-1所示），而每个存储器又都进行独立的编址和独立的访问，因此这使得程序空间和数据空间的同时访问成为可能。
系统中具有程序的地址总线和程序的数据总线，也具有数据的地址总线和数据的数据总线：
这种结构允许我们在一段的机器周期内同时获取指令和操作数，可以大幅提高程序的执行速度和数据的吞吐率。
同时为了加快处理器中的运算在DSP中还集成了多个地址产生单元以支持循环寻址和位翻转寻址。
了解DSP的这一特点后，当我们设计一个嵌入式系统时，首先要考虑处理器所实现的算法中是否有点积运算，即是否要经常进行两个数组的乘加，（记住数字滤波，相关等都表现为两个数组的点积）如果有的话，每秒要做多少次，这样就能够决定是否采用DSP，采用多高性能的DSP了。
不难发现DSP程序设计最终是比较偏向于算法的，因此DSP程序是高效并简洁的，对于程序员的能力要求相对较高，x86程序通过牺牲执行效率来降低编程的难度，而DSP编程则相反，提高程序的编写难度从而使得程序的执行效率非常的高，某些时候甚至可以十分接受汇编程序的执行效率。
图1-1
DSP同样采用流水线设计，每条指令划分为取指令、译码、取数、执行等如干操作、由片内多个功能单元分别完成，支持任务的并行处理。
图1-2给出了典型的8级流水线处理器的指令执行操作。
图1-2典型的8级流水线操作
DSP是数字信号处理运算处理器，那么根据数字信号处理的要求，DSP芯片主要特性总结如下：
1.采用哈弗结构，程序空间和数据空间分开，CPU可以同时访问指令和数据；
2.在一个指令周期内可以完成一次乘法和加法运算；
3.片内具有快速RAM，通常可以通过独立的数据总线在程序空间和数据空间中同时访问；
4.具有低开销或者无开销循环及跳转的硬件支持；
5.具有快速的终端处理和硬件I/O支持；
6.可以并行执行多个操作；
7.支持流水线才做，使得取址、译码和执行等操作可以重叠执行。
1.1.3DSP的发展趋势
随着技术的发展和各种应用领域的需求，DSP面临的要求是处理速度更高，功能更多更全，功耗更低，价格更低。
其发展具有以下趋势：
1.系统级集成DSP是潮流
缩小DSP芯片的尺寸始终是DSP的技术发展方向。
当前的DSP多数给予RISC结构，这种结构的优点就是芯片尺寸小，功耗低，性能高。
各DSP厂商纷纷采用新工艺，改进DSP核心，并将DSP核心与MPU核心等其他专用处理单元以及外围电路、存储单元统统集成在1个芯片上，即系统级DSP集成电路。
这种DSP系统包含优化的各种加速处理单元和外设单元，可以全方位的满足各种数字终端设备对性能、价格及功能等的需求。
2.DSP与MCU结合
MCU是主要用于执行定向的控制任务的通用处理器，成本低，因此广泛应用于智能控制领域，但是其数字信号处理能力很差。
DSP则可以弥补MCU的不足，在许多领域中都需要同时具有智能控制和数字信号处理的功能，比如我们日常生活实用的手机、给予声音或图像识别的智能控制等。
因此可以把DSP和MCU结合起来，在单颗芯片上集成DSP和MCU，将加速在网络技术产品、智能电话、物联网的开发，同时简化的设计和PCB体积，并有效降低整体系统成本。
3.DSP与FPGA结合
FPGA是可编程门阵列器件，FPGA由于其结构的特殊性，在处理大量并行数据方面出类拔萃，但对于定期系数更新、决策控制任务或高速串行数学运算这类任务来说，它们的优化程度比不上DSP处理器。
因此，FPGA和DSP的结合可以实现宽带信号处理，大幅度提升数字信号处理速度，可为广泛的应用提供最有的解决方案。
4.追求更高的运算速度。
目前一般的DSP运算速度为100MIPS，即每秒钟可运算1亿条指令。
但仍嫌不够快。
由于电子设备的个人化和客户化趋势，DSP必须追求更高更快的运算速度，才能跟上电子设备的更新步伐。
DSP运算速度的提高，主要依靠新工艺改进芯片结构。
目前，TI的TM320C6X芯片由于采用VLIW（VeryLongInstructionWord超长指令字）结构设计，其处理速度已高达2000MIPS，计划今年年中批量生产，这是迄今为止的最高速度。
当前DSP器件大都采用0.5μm--0.35μmCMOS工艺，按照CMOS的发展趋势，DSP的运算速度再提高100倍（达到1600GIPS）是完全有可能的。
5.定点DSP是主流
从理论上讲，虽然浮点DSP的动态范围比定点DSP大，且更适合于DSP的应用场合，但定点运算的DSP器件的成本较低，对存储器的要求也较低，而且耗电较省。
因此，定点运算的可编程DSP器件仍是市场上的主流产品。
据统计，目前销售的DSP器件中的80%以上属于16位定点可编程DSP器件，预计今后的比重将逐渐增大。
1.2DSP的选型
DSP处理器的应用领域很广，但实际上没有一个处理器能完全满足所有的或绝大多数的应用需要，在拟采用DSP进行系统设计时需要根据系统的特点、性能要求、成本、功耗以及技术开发周期等因素进行综合考虑。
一般情况下主要考虑以下几个方面的因素。
1．系统特点
每种DSP都有自己比较适合的应用领域，在系统设计时必须根据系统的特点进行选择。
以TI公司的DSP为例，C6000系列处理器具有处理速度快、精度高等特点，更适合图像处理、通信设各等应用领域。
因此，在系统设计时首先要根据系统的特点进行处理器的具体选择。
2．算法格式
数字信号处理算法有多种，不同的系统、不同的算法对算法的格式和处理的精度要求不同。
浮点算法是相对较复杂的常规算法，利用浮点数据可以实现大的数据动态范围。
采用浮点DSP设计系统时，一般不需要考虑处理的动态范围和精度，更适合采用高级语言编程，因此浮点DSP比定点DSP在软件编写方面更容易，但成本和功耗高。
由于成本、功耗等问题，定点DSP在实际应用中使用更为广泛。
工程技术人员可以通过分析和算法模拟，确定算法的动态范围和精度，然后根据确定的动态范围和精度确定选用的DSP类型。
在采用定点DSP实现浮点算法时，要根据确定的动态范围和精度对数据进行合理的定标处理，这种处理必须人为地参与，DSP并不能识别，因此编程相对较难。
3．系统精度
系统的精度要求直接决定采用浮点还是定点DSP以及处理器的数据宽度，当然可以采用较低数据宽度的处理器实现高精度的数据处理，比如采用16位处理器实现04位的数据处理，但只能通过软件来实现，相应的会增加编程的难度。
4．处理速度
处理速度是选用DSP时最重要的考虑因素。
DSP的速度通常是指令周期的时间，也有的指核心功能如FIR或IIR滤波器的运算时间。
有些DSP采用特大指令字组（VLIW）的结构，在一个周期内可执行多条指令。
DSP的处理速度与时钟的工作频率有密切关系。
5．功耗
很多DSP用在手提式设各中，如手机、PDA、手提式声音播放机等。
功耗是这些产品主要考虑的问题。
很多处理器供应商降低工作电压，比如3.3V、2.5V、1.8V；
同时增加电源电压管理功能，比如增加“睡眠模式”，在不用时切断大部分电源和不用的外围设各，以降低能量消耗。
6．性能价格比
在满足设计要求条件下要尽量使用低成本DSP，即使这种DSP编程难度很大而且灵活性差◇在处理器系列中，越便宜的处理器功能越少，片上存储器越小，性能也比价格高的处理器差。
封装不同的DSP器件价格也存在差别，例如，PQFP和TQFP封装比PGA封装便宜得多。
7．支持多处理器
在某些数据计算量很大的应用中，经常要求使用多个DSP处理器。
在这种情况下，多处理器互连和互连性能（关于相互间通信流量、开销和时间延迟）成为重要的考虑因素。
如ADI的ADSP－2lO6X系列提供了简化多处理器系统设计的专用硬件。
8．系统开发的难易程度
不同的应用，对开发简便性的要求不一样。
对于研究和样机的开发，一般要求系统工具能便于开发，因此选择DSP时需要考虑的因素有软件开发工具（包括汇编、链接、仿真、调试、编译、代码库以及实时操作系统等部分）、硬件工具（开发板和仿真机）、高级工具（例如基于框图的代码生成环境）以及相应的技术支持情况。
1.3TI公司的DSP简介
谈到DSP就不得不说德州仪器（TI）公司，它是世界上第一个硅晶体管和第一个集成电路的发明者，现主要从事新型数字信号处理器与模拟电路方面的研究、制造和销售。
随着数字信号处理日益走进人们的生活，TI公司的DSP产品也广泛被人们所接受。
TI公司在原来已被人们熟知的TMS320C1X、TMS320C25、TMS320C3X/4X、TMS320C5X、TMS320C8X的基础上发展了三种新的DSP系列，它们是：
TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000系列，成为当前和未来相当长时期内TIDSP的主流产品，前面提到的那些老型号产品均将被这三种新系列产品替代。
根据不同的应用领域，T1公司推出的三大指令集架构，一般称之为“平台（Platform）”，如图1-3所示。
图1-3TMS320系列DSP平台
1.最佳控制:
TMS320C2000DSP平台
TMS320C2000DSP平台将各种高级数字控制功能集成于一颗芯片上。
强大的数据处理和控制能力可以大幅提高应用效率和降低功耗。
TMS320C28x系列DSP是目前控制领域最高性能的处理器，具有精度高、速度快、集成度高等特点，为不同控制领域提供了高性能解决方案。
TMS320C24x系列DSP则为不同应用平台提供了基本的解决方案。
2.最低功耗:
TMS320C5000DSP平台
TMS320C5000DSP专门针对消费类数字市场而设计。
最低耗电仅0.33mA/Mhz。
TMS320C55x与TMS320C54x系列DSP均可以用于便携式产品开发。
常见的应用有GPS接收器、可穿戴计算设备、3G移动电话、MP4播放器等等。
TMS320C5000DSP平台也特别注重运算速度，是语音及资料应用产品的最佳解决方案。
3.最高性能:
TMS320C6000DSP平台
TMS320C6000DSP是运算能力最强的DSP平台，应用于采用高级语言编程的DSP，其应用定位在网络交换、图像处理、雷达信号处理等高端领域。
如今最新的TMS320C6000DSP平台的处理器均采用多核心设计，运行速度超过1G，性能比早期的TMS320C62x系列DSP提高近100倍，为高端应用提供了最佳的解决方法。
而本书讲授所用的TMS320F2812芯片则是TI公司推出TMS320C2000系列中最新的的32位定点DSP芯片，也是目前性价比最高的DSP芯片之一。
它不但具有强大的数字信号处理能力，而且还具备了较为完善的时间管理能力和嵌入式控制功能，因此被广泛应用于工业控制，特别是应用在处理速度、处理精度方面有较高要求的领域，或者是应用于需要大量数据处理的测控场合，例如工业自动化控制、电子电力技术应用、只能化仪器仪表、电机伺服控制系统等。
1.3.1DSP的典型应用
DSP技术的迅猛发展以及应用领域的不断拓展，使得DSP的功能越来越多样。
例如，厂商们新推出多种款式可选择的独立器件、DSP与MPU相结合的器件、为执行DSP功能量身定做的MPU器件，以及许多公司为ASIC或SoC解决方案所提供的软/硬DSP内核。
但无论是通用DSP还是专用的DSP器件，其应用可以归结为以下几个方面。
首先，目前通信领域中的通信基站、网络服务器等高端产品大多采用DSP技术实现，而且由于3G和VoIP将开始商业运营，3G宽带无线基础通信系统、IP电话系统、多信道调制解调器以及多信道xDSL也是高端DSP的主要应用领域，针对这些通信与网络基础设施应用的DSP也将得到迅猛增长。
Freescale（原摩托罗拉半导体部）的OnyxDSP系列如DSP563xx系列DSP产品、TI公司的C6000系列DSP产品将是上述广泛应用的最佳选择。
其次，DSP是消费类电子产品中的关键器件，例如应用于VoIP网关产品。
VoIP包括压缩语音信号并将它们通过使用IP、基于信息包的网络以数据的形式传送。
拨号连接到VoIP网关的可以是modem、传真或者话音，整个通路中的语音采集与压缩、数据转换与传输、数据获取与恢复等均采用DSP器件实现。
音响产品也是DSP的巨大应用市场，例如MP3／MP4播放机、高保真音响设各等，DSP算法允许将CD品质的录音从Internet下载到P（，然后传送到便携式播放机，通过解压DSP芯片实现回放。
这些强调性能、成本、功耗等综合性能指标的产品采用DSP（比如TI公司的C5000系列）是非常理想的选择。
此外，原本基于MCU的家电、系统控制等应用领域现在越来越多地采用DSP器件。
目前市场上的处理器多数是基于MCU的处理器。
为了赢得市场，大多数客户正寻求更高性能的处理器产品，以加强家电及控制产品的功能和性能，采用DSP的家电产品将越来越多。
在这方面，Freescale公司的DSP56800系列及TI公司的C2000系列具有MCU的简单易用性．可针对家电应用市场。
1.4C2000实时控制平台
TI公司的C2000平台系列DSP是专为实时控制量身打造的，支持高性能集成外设的32位微控制器，能够单片实现绝大多数典型控制系统。
同时经过优化的内核可以有效提高系统的可靠性和灵活性。
目前提供Piccolo、Delfino浮点和28x定点三个系列处理器。
Piccolo通过将32位的高性能、增强型外设以及小型封装进行完美结合，设计人员仅需使用一个MCU即可为此前难以承担较高成本的应用添加实时控制与系统管理功能。
PiccoloF2802x/F2803x常用作MCU使用，其采用最新的架构技术成果及增强型外设，其封装尺寸最少为38引脚，能够在低成本的应用中带来32位实时控制功能的优势，可以方便最小系统开发。
F2806x则在F2802x/F2803x基础上增加了浮点处理功能，工作频率也更高，处理器的片内外设也进行了加强。
DelfinoF2833x作为专业面向浮点运算的DSP，可以极大简化开发周期，对控制应用平均提升处理能力50%。
F2834x是在F2833x基础上开发，提供超过600MFLOPS的浮点运算能力，并且片内资源也进行了相应的扩充。
28x系列DSP和F2833x在处理器针脚上完全兼容，除了内核是定点之外，其余功能与F2833x完全一致。
本书将主要以F2812为例，介绍DSP的工作原理。
C2000平台的DSP主要面向实时控制领域应用，如实时控制通过在诸如太阳能微型逆变器、LED照明、大型家用电器以及混合动力车载电池等工业、消费类及车载应用中实施高级算法，从而可实现更高的系统效率与精度。
1.4.1TMS320F28x片内资源
在我们所熟悉的处理器当中，无论是ARM还是x86都是使用冯诺依曼结构的，以存储器为核心，通过总线来完成数据和程序的读写操作，具有操作简单，制造成本低的特点，方便程序为其编写程序。
但是在DSP厂商所推出的DSP却抛弃了冯诺依曼结构，使用了一种全新的结构——哈佛结构（如图1-4）。
哈佛结构的主要特点是将程序和数据分开放在不同的存储空间上，每个存储空间都可以独立访问，而且程序总线和数据总线都是分开的，有别于冯诺依曼结构的将数据和程序放在一起通过总线来获取的方式，就相当于哈佛结构可以同时通过程序总线和数据总线在同一时刻对程序和数据进行操作，克服了冯诺依曼体系的不足，使得数据的吞吐率提高一倍。
但却以提高了编程难度为代价。
程序总线
数据总线
程序空间
存储空间
总线
（a）哈佛结构（b）冯诺依曼结构
图1-4哈佛结构与冯诺依曼结构的示意图
在本书当中所讲解的F2812同样采用的是哈佛结构，该芯片具有128K*16位的Flash，最高的工作频率为150MHz。
为了实现低功耗，当内核的电压为1.8V时，主频为135MHz；
当内核电压为1.9V时，主频为150MHz，能在一个周期内完成一次32位*32位的乘法累加运算或者2次16位*16位的乘法累加运算。
它整合了DSP和微控制器的最佳特性，集成了事件管理器（EV）、看门狗电路、A/D转换模块、SCI通信接口、SPI外设接口、eCAN总线通信模块，通用数字I/O口，多通道缓冲串口，外部中断接口等等多功能模块，为功能复杂的控制系统设计提供了方便。
依靠以上的丰富的外设功能模块，加上哈佛结构带来的性能优势，DSP提供了无与伦比的双精度浮点运算能力，成为复杂计算和自动控制领域的明星。
1.4.2F2812的片内外设
在上面提到过在F2812上拥有丰富的外设模块，如果是初学者看了相信会非常懊恼，怎么从来都没有听过，它们有什么功能呢？
要怎么用才对呢？
各位读者不要心急，下面先来对每一个外设单元都进行简单的介绍，在往后的章节当中会对每一个模块都进行一次详细的讲解，在本章当中只是让大家有个了解，方便以后的深入学习，先要知道的大概。
（1）事件管理器（EV）
1、具有两个事件管理器（EventManager）EVA、EVB。
两个事件管理器具有相同的功能的定时器、比较器、捕获单元，只是命名不同而已。
2、每个事件管理器具有两个通用定时器。
3、每个事件管理器具有三个全比较单元。
4、每个事件管理器具有三个捕获单元。
5、总共可以产生4路独立的PWM波形和6对12路互补的PWM波形，可以使得F2812广泛的应用于电力电子，电机控制领域。
（2）模拟量转换成数字量的ADC模块
1、理论上采用精度为12位，在实际使用中采用精度为9位到10位，经过硬件、软件校正措施，精度可有效提高。
2、2*8路输入通道。
3、具有2个采样保持器。
4、具有单一或者级联两种转换模式。
5、具有转换速率为80ns（12.5MSPS）。
（3）串行通信接口SCI
1、每个F2812芯片都具有2个串行通信接口SCIA和SCIB。
2、采用接收。
发送双线制。
3、SCI是标准的异步串行通信接口，即UART。
4、支持可编程配置多达64K种不同的波特率。
5、可实现半双工或者全双工的通信模式。
6、具有16级深度的发送/接收FIFO功能，从而有效降低了串口通信CPU的开销，具有发送接收的延时控制。
（4）串行外围设备接口SPI
1、具有两种可选择的工作模式，主模式和从模式。
2、支持125种可编程波特率。
3、发送和接收可以同步操作，可实现全双工通信模式。
4、具有16级深度的发送/接收FIFO功能，发送数据的时候数据与数据之前的延时可以进行控制。
（5）局域网通信控制器CAN
1、支持完全兼容的CAN2.0总线协议。
2、最高支持1Mbps的总线通信速率。
3、具有32个可编程的邮箱,每个可独立配置接收和发送。
4、具有低功耗模式。
5、具有可编程的总线唤醒模式。
6、可自动应答远程请求。
（6）多通道缓冲串行接口McBSP
1、全双工通信方式。
2、双倍缓冲的传送和三倍缓冲的接收，并适用于连续的数据流。
3、128个通道可以用于传送和接收。
4、多通道选择模块允许和终止每一个通道的传输。
5、用两个16级、32位的FIFO代替DMA（直接存储器存取）。
6、可直接链接于工业标准的多媒体数
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