DSP原理及应用C54X_精品文档Word文档下载推荐.doc

1、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、

2、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

3、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

4、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。1.2 DSP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

5、、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（Von Neuman）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（Von Neuman）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

6、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： 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； 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。1.3 DSP芯片的特点（1）采用多总线结构 D

7、SP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

8、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

9、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0.54W，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。1.4 TMS3

10、20C54xDSP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。1.4.1 TMS320C54X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

11、能力为40/50/66/80/100 MIPS；（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1717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12.7 MIPS，实现半速率GSM 需26.2 MIPS，而实现全速率GSM 语音编码器仅需2.3 MIPS，实现IS-54/136 VSELP语音编码仅需12.8 MIPS；（3） 低功耗方式。TMS320C54X

12、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IS54/136 VSELP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-Buffered Serial Port）和与外部处理器通信的HPI（Host Port Interface）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，B

13、SP的最大数据吞吐量为50M bit/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BSPHPIC54120/255/3.3/3.05K28K2个标准口C54210K 2K1个TDM口1C5433.3/3.010KC5456K48K1个标准口C546C54815/20/2532K2LC/VC54910/12.5/153.3/2.516KVC5402103.3/1.84K表1 TMS320C54X的资源配置1.4.2 TMS320C54xDSP芯片的主要特性：（1）CPU1、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（