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DSP 技术及应用陈金鹰教授陈金鹰教授 (( 博士博士 ))

信息工程学通信工程系

第一章 DSP 技术概述第二章 DSP 芯片结构介绍第三章 DSP 指令系统及特点第四章 DSP 软件开发过程第五章汇编语言编程举例

主要内容

第一章第一章 DSPDSP 技术概技术概述述

第三节 DSP 芯片的选择

第一节 DSP 系统概述

第四节 DSP 芯片的主要优点与应用领域

第五节 DSP 应用系统的开发工具

第二节 DSP 芯片技术的发展

第一节 DSP 系统概述

DSP 系统模拟系统

数字信号模拟信号

运算过程强调控制实时处理

FPGA/CPLD DSP 芯片模拟器件

一、 DSP 系统的特点 1. 精度高

模拟网络元件（ R 、 L 、 C 等）精度 10-3

模拟网络系统难

数字系统17 位字长

DSP 、 D/A精度 10-3

2. 可靠性强

信号信号放大器 A

信号信号

放大器 B

计算机 A

计算机 B

A 、 B 结果可能不

同

A 、 B 结果果相同

只要误差不超过 0 、 1 判决电平

3. 集成度高

DSP 系统

表面贴装

ASIC 芯片DSPCPLDFPGA

开发

压缩体积降低成本

4. 接口方便以现代数字技术为基础的系统或设备都是兼容的，系统接口方便。

5. 灵活性好

DSP 系统DSPCPLDFPGA

可编程可编程可编程

改变软件不同的功能硬件更简单

DSP 系统开发周期大大缩短

6. 保密性好

DSP 系统DSPCPLDFPGA

可编程

保密性好

隐蔽内部总线地址变化

做成 ASIC

保密性能几乎无懈可击

7. 时分复用

信号的采样频率与 DSP系统的运算速度相比较低的场合。

系统 n

信道 1信道 2信道 n

实时性要求不高的场合。

应用场合DSP 系统

系统 2

系统 1

二、 DSP 系统的设计思路

输入抗混

叠滤波器

A/D D/ADSP芯片

平滑滤波器

输出

典型的 DSP 系统

1. 总体方案设计 DSP 应用

定义系统性能指标

选择 DSP 芯片

软件编程硬件设计

软件调试硬件调试

系统集成

系统调试

DSP 系统设计前：•明确设计任务 •给出设计任务书功能描述准确功能描述清楚描述的方式人工语言流程图算法描述 •将设计任务书转化为量化的技术指标。

技术指标的确定

系统采样频率

信号频率

最复杂的算法所需最大时间

对实时程度的要求

片内、外RAM 的容量

数量及程序的长短

16 、 32 位定点、浮点运算

系统所要求的精度

输入输出端口要求

计算、控制

选定DSP芯片型号

成本供货能力技术支持开发系统体积功耗工作环境温度

DSP

A/DD/ARAM性能指标

其它因素的考虑

总体设计

算法仿真

高级语言 Matlab

最佳算法

初步参数

软件系统初步分工硬件

2. 软件设计阶段源程序

汇编器汇编目标文件

链接器连接

调试器调试

代码转换

C 语言汇编语言混合语言

代码写入EEPROM

可执行文件软件仿真

反复

3. 硬件设计阶段

硬件实现方案

确定最优硬件实现方案画出硬件系统框图

性能指标工期成本等

器件的选型

DSP 芯片、 A/DD/A 、内存、电源、逻辑控制、通信、人机接口、总线等

DSP 芯片

根据是用于控制还是计算目的，选择：

不同的厂商不同系列不同工作频率不同工作电压不同工作温度采用定点或浮点型芯片

器件的选型原则

A/D 变换

根据采样频率、精度：确定 A/D 型号是否要求片上自带采样

保持器多路器基准电源等。

器件的选型原则

D/A 变换根据信号频率、精度：是否要求基准电源多路器输出运放等。

存储器

RAM 、 EPROM （或 EEPROM 、 Flash Memory ），主要考虑：

工作频率内存容量位长（ 8位 /16 位 /3

2 位）接口方式（串行 /并行）、工作电压（ 5V/3.3V或其他）。

器件的选型原则

逻辑控制

先确定所用器件，如 PLD 、 EPLD 或 FPGA；再根据自己的特长和公司芯片

的特点决定采用哪家公司的哪一系列产品；

最后根据 DSP 芯片的频率决定芯片的工作频率，并以此来确定使用的芯片。

器件的选型原则

通信接口

根据与其他系统通信的速率决定采用的通信方式：串口并口总线

器件的选型原则

总线选择

根据使用场合、数据传输速率的高低（总线宽度、频率高低、同步方式等）选择：

PCIISA现场总线

器件的选型原则

人机接口可以通过单片机构成

通信，也可在 DSP 的基础上直接构成。键盘显示器等

器件的选型原则

电源选取

主要考虑电压的高低和电压的大小。

电压高低要匹配电流容量要足够

必须清楚了解器件的使用和系统的开发，对于关键环节要做仿真。

原理图设计

PCB板设计要求 DSP 系统设计人员既要熟悉系统工

作原理，又要清楚布线工艺和系统结构设计。软、硬件调试借助仿真工具或开发工具进行软、硬件仿真调试时，往往要反复多次调试。

4. 系统集成系统集成：是将软硬件结合起来，并组合成样机，在实际系统中运行，进行系统测试。如果系统测试结果符合设计指标，则

样机设计完毕。但由于在软硬件调试阶段调试的环境

是模拟的，因此在系统测试时往往会出现一些问题，应找出原因，不断改进。

第二节 DSP 芯片技术的发展1978 年， AMI公司生产的 S2811；

1979 年美国 Intel 公司的商用可编程器件2920；这两种是 DSP 芯片的一个主要里程碑。特点：没有现代 DSP 芯片所必须有的单周

期乘法器。1980年，日本 NEC公司推出 μPD7720 。特点：是第一片具有乘法器的商用 DSP 芯

片。

1982年，美国德州仪器公司（ Texas Instruments——TI ）推出第一代 DSP TMS320010 及其系列产品，目前已发展到第六代。TI公司的系列 DSP产品已经成为了当今世界最有影响的 DSP 芯片，其 DSP市场占有量占全世界份额的近 50%，成为世界上最大的 DSP 芯片供应商。

1982年，日本东芝公司推出浮点 DSP 芯片。

1984年， AT&T公司推出 DSP32 ，是较早的具备较高性能的浮点 DSP 芯片。

1986年， Motorola 公司推出了定点 DSP MC56001 。 1990年，推出了与 IEEE浮点格式兼容的浮点 DSP 芯片 MC96002 。美国模拟器件公司（ Analog Devices—A

D ）相继推出了定点 DSP 芯片 ADSP21xx系列，浮点 DSP 芯片 ADSP210xx系列。

20多年来， DSP 芯片得到了迅猛发展，主要体现在如下方面：

1. 在生产工艺上采用 1µm以下的 CMOS 制造工艺技术和砷化镓集成电路制造技术，使集成度更高，功耗更低，从而使高频、高速的 DSP 处理器得到更大的发展。2. 基本结构上以 RISC 结构、单片并行计算机结构为主导，脉冲阵列和数据流阵列也将成为并行处理器的主要体系结构。设计、测试简单，易模块化，易于实现流水线操作和多处理器结构。

3. 模拟 /数字混合上集滤波、 A/D 、 D/A 及DSP 处理于一体，将成为 DSP 发展的主要方向，是 DSP厂商的主要增长点。4. DSP 技术与 ASIC 技术融合上在 DSP 芯片中嵌入 ASIC 模块，进一步扩大 DSP逻辑控制功能。5. 代码兼容性上将推出更新的、更强大的优化 C 编译器来适应不同型号的 DSP 代码生成，各种 DSP 的开发、加速、并行处理插件板也将大量涌现。

第三节 DSP 芯片的选择设计 DSP 应用系统，选择 DSP 芯片是非

常重要的一个环节。只有选定了 DSP 芯片才能进一步设计其

外围电路及系统的其它电路。选择原则：根据实际应用系统需要、应用

场合、目的，选择满足所需功能、成本低、耗电小、使用方便、有技术支持、升级方便的芯片。

1 ． TI 公司的 DSP 芯片 TI公司常用的 DSP 芯片可以归纳为三大系列：（ 1 ） TMS320C2000 系列，称为 DSP 控制

器，集成了flash 存储器、高速 A/D 转换器以及可靠的 CAN模块及数字马达控制的外围模块，适用于三相电动机、变频器等高速实时工控产品等需要数字化的控制领域。

（ 2 ） TMS320C5000 系列，这是 16 位定点DSP 。主要用于通信领域，如 IP 电话机和 IP 电话网关、数字式助听器、便携式声音 /数据 / 视频产品、调制解调器、手机和移动电话基站、语音服务器、数字无线电、小型办公室和家庭办公室的语音和数据系统。

一、主要的 DSP 芯片种类

（ 3 ） TMS320C6000 系列 DSP 采用新的超长指令字结构设计芯片。其中 2000年以后推出的 C64x，在时钟频率为 1.1GHz时，可达到 8800MIPS 以上，即每秒执行90亿条指令。其主要应用领域为：

1 ）数字通信完成 FFT、信道和噪声估计、信道纠错、干扰估计和检测等。

2 ）图像处理完成图像压缩、图像传输、模式及光学特性识别、加密 / 解密、图像增强等。

2 ． AD 公司的 DSP 芯片特点：系统时钟一般不经分频直接使用。定点 DSP 芯片的程序字长为 24 位，数

据字长为 16 位。一般具有 2个串行口、 1个内部定时器和 3个以上的外部中断源，此外还提供 8位 EPROM 程序引导方式。

浮点 DSP 芯片，程序存储器为 48 位，数据存储器为 40 位，支持 32 位单精度和 40 位扩展精度的 IEEE浮点格式，内部具有 32×48 位的程序 Cache ，有 3 至 4 个外部中断源。

AD 的 BLACKFIN ADSP-21535

3． AT&T公司的 DSP 芯片定点 DSP 芯片的程序和数据字长均为 16

位，有 2个精度为 36 位的累加器，具有 1个深度为 15 字的指令 Cache，片内具有 2K字的程序 ROM和 512 字的数据 RAM 。

浮点 DSP 芯片， 80/100ns的指令周期，片内具有 3个 512 字的 RAM块，或 2个 512 字的 RAM块加 1个 4K字的 ROM块。可以寻址 4M 字的外部存储器。具有 4个 40位精度的累加器和 22个通用寄存器。

LUCENT 用 STARCORE 开发的新 DSP

4．Motorola 公司的 DSP 芯片定点 DSP 芯片程序和数据字长为 24 位，

有 2个精度为 36 位的累加器。浮点 DSP 芯片，累加器精度达 96 位，

可支持双精度浮点数，该芯片的指令周期为50/60/74ns。内部具有 10个 96 位或 32位基于寄存器的累加器。适合于自适应滤波的专用定点 DSP 芯片，

程序字长和数据字长分别为 24 位和 16 位，累加器精度为 40 位。

40M Semiconductor Products Sector 1.55 of 74

www.motorola.com/mcore

MM••CORE + DSPCORE + DSPDSP56652 DSP56652 -- DUAL CORE INTEGRATEDDUAL CORE INTEGRATEDCELLULAR BASEBAND PROCESSORCELLULAR BASEBAND PROCESSOR

DSPDebug

BasebandSerial Port

AudioSerial Port

SmartcardInterface

ExternalBus

Interface

DSP/MCUInterface1024 x 16

PRAM512 x 24

Clocks/PLL

M•COREµRISC

MCU core

M•COREµRISC

MCU core

µCDebug

JTAG

UART

MUXRAM

512 x 32

ROM4K x 32

KeypadInterface

GPTTDMATimer

Data RAM13k x 16

Timer/PITWatchdog

QSPISerial Port

Data ROM20k x 16

PROM48K x 24

56600DSP core

Target Application (目标应用)» Digital Communications(数字通信)

Dual Cores (双核心)» M56600 16-bit DSP core» M200 32-bit RISC core

Voltage (电源电压)» 2.0V +/- 0.2V

Frequency (工作频率)» DC-60Mhz DSP» DC-20Mhz M•CORE

Power Dissipation (功耗)» 0.9 mW/MHz DSP» 0..28 mW/MHz M•CORE

Temperature (温度范围)» -40 to 85C (Industrial)

Packaging (封装形式)» 196-pin PBGA

Technology (工艺)» 0.32µ (1Q98)

990407

5．其他公司NEC公司的 μPD77C25 、 μPD77220

定点 DSP 芯片和μPD77240 浮点 DSP 芯片等。

LUCENT的 DSP1600 等，INTEL也有自己的 DSP产品。

INTEL&AD 的新 DSP CORE

1 ． DSP 芯片的运算速度 MAC 时间：一次乘法和一次加法的时间。大部

分 DSP 芯片可在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法操作。FFT 执行时间：运行一个N点 FFT程序所需时

间。由于 FFT运算在数字信号处理中很有代表性，因此 FFT运算时间常作为衡量 DSP 芯片运算能力的一个指标。

MIPS ：每秒执行百万条指令。MOPS ：每秒执行百万次操作。MFLOPS ：每秒执行百万次浮点操作。BOPS ：每秒执行十亿次操作。

二、选择芯片考虑的因素

2． DSP 芯片的价格如果采用价格昂贵的 DSP 芯片，即使性能

再好，其应用范围也受到一定限制，尤其是民用产品。

3． DSP 芯片的硬件资源不同 DSP 芯片所提供的硬件资源不同，如

片内 RAM 、 ROM 的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口、 I/O接口等。

4． DSP 芯片的运算精度一般的定点 DSP 芯片字长为 16 位，少数

24 位。浮点芯片的字长一般为 32 位，累加器为 40 位。

5． DSP 芯片的开发工具在 DSP 系统的开发过程中，如果没有

开发工具的支持，要想开发一个复杂的 DSP 系统几乎是不可能的。功能强大的开发工具，可使开发时间大大缩短。

6． DSP 芯片的功耗便携式的 DSP 设备、手持设备、野外

应用的 DSP 设备等对功耗有特殊的要求。7．其他因素除了上述因素外，还要考虑到封装形

式、质量标准、供货情况、生命周期等。

一般地讲：定点 DSP 芯片的价格较便宜，功耗较低，

但运算精度稍低。浮点 DSP 芯片的优点是运算精度高，用

C 语言编程调试方便，但价格稍高，功耗较大。

DSP 应用系统的运算量是确定选用 DSP芯片处理能力的基础。运算量小，则可选用处理能力不是很强的 DSP 芯片，降低系统成本。如果单片 DSP 芯片达不到要求，则需选

用多个 DSP 芯片并行处理。

第四节 DSP 芯片的主要优点与应用领域一、 DSP 芯片的优点 1．哈佛结构

2．多总线结构和多处理单元 3. 流水线技术4．特殊的 DSP 指令5．指令周期短 6. 运算精度高 7. 硬件配置强8. 耗电省

二、 DSP 芯片的主要应用领域据预测， 2007年MPU/MCU/DSP 总计销售

额达到 564亿美元，预计 2011年达到 845亿美元规模。2007年MCU 单元出货量预计大幅增长 21% ，销售收入将达 140亿美元，比 2006年的 124亿美元增加 13% 。 2008年，预计 MCU销售将再次增长 13% ，达到 158亿美元。数字信号处理器，预计年增长率为 9% ， DSP销售额为 79亿美元，预计 2008年 DSP市场规模达到 89亿美元，增长率达到 13% 。

二、 DSP 芯片的主要应用领域

目前 DSP 的应用主要包括如下方面：（ 1 ）信号处理如数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、希尔伯特变换、小波变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等。

（ 2 ）通信如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话、个人通信系统、移动通信、个人数字助手（ PDA ）、 X.25 分组交换开关等。（ 3 ）语音如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音存储、扬声器检验、文本转语音等。

消费电子正在全面数字化，现在音频广播，电视广播也在向数字化迈进， HDTV接收机、 SDTV 电视机、机顶盒及数字广播收音机等已经或都将进入市场。 MP3播放机方兴未艾。在国外，电子产品约占整车费用的 30% ，在中国目前只占到整车费用的 15%-20% 。汽车电子包括汽车上的娱乐装置，远程信息处理和自动控制装置，这些设备都离不开 DSP 。

（ 4 ）军事如保密通信、雷达处理、声纳处理、图像处理、射频调制解调、导航、导弹制导等。（ 5 ）图形与图像如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画与数字地图、机器人视觉、模式识别、工作站等。（ 6 ）仪器仪表如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理、数字滤波、模式匹配、暂态分析等。

（ 7 ）自动控制如引擎控制、声控、机器人控制、磁盘控制器、激光打印机控制、电动机控制等。（ 8）医疗助听器、超声设备、诊断工具、病人监护、胎儿监控、修复手术等。（ 9）家用电器如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话与电视、电动工具、固态应答机等。（ 10 ）汽车如自适应驾驶控制、防滑制动器、发动机控制、导航及全球定位、振动分析、防撞雷达等。

DSP产业链

DSP 的发展己有 25年历史了， DSP 芯片己达到相当高的水平，现在国际上已形成包括DSP 芯片设计、制造， DSP 开发工具研制生产、应用和咨询共同组成的产业链。全球有 5万多客户选用 TI 定制的软件开发

环境，使他们能非常容易地将 DSP 结合到他们的系统中去。围绕 DSP 周边的业务就由许许多多的称为第三方 (T hird Party ) 的小公司承担， TI 的 Third Party 有 650多家公司，他们生产数千种基于 DSP 的产品。

DSP产业链围绕 DSP 芯片产业化可以成立公司的业务很多，

概括起来有以下一些：DSP 开发工具：如各种仿真软件、调试软件、硬

件仿真器、评估板、初学者实验套件、教学套件等。DSP 应用软件：符合各种国际和区域性标准的语

音、图像、视频、数据通信等 DSP 软件。例如不少公司从事 ITU - T G. 系列语音压缩编码标准的 DSP编程，如 G.711 、 G.722 、 G.726 、 G.728 、 G.723 、 G.729 等。音频编码有MPEG1 ， 2 ， 4 的MP3 、 AAC ， Dolb y 的 AC-3 等。图像编码有 JPEG 、 J PEG2000 、 H.261 、 H.263 、 H.264 。数据通信，如各种传输速率的 Modem 、 xDSL 、 Cable Modem ，回声抵消、 DTMF 等都有很大的市场。

DSP产业链DSP 电路板卡：在实际应用中需要专门的 DSP

硬件电路板卡，利用这些板卡可以进行二次应用开发。例如很多语音信箱供应商就是购买 DSP 语音压缩卡做的产品，很多为广播电台提供音频工作站的供应商就要购买 DSP音频压缩卡，如做视频监控系统的就必须购买 DSP 图像压缩卡等等。　　 DSP 应用系统开发： GSM手机、 MP3播

放机、数码相机、空调、无线局域网、蓝牙、 PDA等。　　 DSP咨询：国外有一些 DSP 的咨询公司，

他们起到 DSP 用户和 DSP 芯片供应商、 DSP 第三方之间的桥梁作用，也会为客户提供设计、提供软件和硬件及出版资料图书，有些还办培训班。

DSP产业链中国电子信息产品市场对 DSP 的需求稳定增长，

今后五年我国 DSP市场销售额仍会保持年平均 28%以上的复合增长率，中国已成为了 DSP 芯片的最大市场，数码相机、 IP 电话和手持电子设备的热销带来了对 DSP 芯片的巨大需求。目前，中国 DSP市场的主要应用集中在移动电话

领域，然而随着 DSP 对数字信号高速运算与同步处理能力的提高， DSP 的应用领域将逐渐扩展到新型数字消费类产品领域。 DSP 芯片在数字消费类产品中主要从事图像压缩与传输等图像信号的处理，语音的编码、合成、识别及高保真等语音信号的处理及通信信号的调制解调、加密、多路复用、扩频、纠错编码等处理。

第五节 DSP 应用系统的开发工具开发工具的好坏对代码的长度、代码的执

行速度起着关键的作用，开发工具的功能是否齐全，使用是否方便，在很大程度上将影响 DSP 系统的开发周期以及产品上市时间。由于不同厂商、不同系列的 DSP 都有自己的开发工具，因此开发工具的选择也是重要的一环。

代码产生工具对用户开发的高级语言或汇编语言源代码进行编译，生成可以在目标 DSP上运行的可执行代码。代码调试工具根据调试者的命令观察 DSP 的状态，控制 DSP 代码的执行，进行结果显示，对用户的代码进行调试或性能测试。

DSP 的开发工具

1. 代码产生工具（ 1 ） TMS320 优化 C 编译器（ Optimizing ANSI C Compilers） C 编译器的输入是C 语言源代码，输出为 TMS320 汇编代码，它用于把符合 ANSI 标准的 C 代码转换为目标DSP 汇编代码，使用户可以用 C 语言编写代码。并且，配套的代码调试工具支持 C 代码的源码调试。 TI公司的编译器支持除 TMS320C1x外的所有 DSP产品。

TI公司的开发工具

（ 2 ） TMS320 汇编器、连接器（ Assembler、 Linker）汇编器和连接器用于把汇编代码转换为可在目标 DSP上运行的可执行目标代码。支持宏汇编和目标库，产生的目标代码可重新定位，在程序地址空间中的具体地址可变。其中汇编器用于把汇编语言文件转换成机器语言的目标文件。连接器用于把多个目标文件连接成可执行的目标代码。在连接过程中，连接器完成目标代码的定位、解决符号的外部引用等。

2．代码调试工具（ 1 ） TMS320源码调试器（ C Source Debugger）它在 PC 机或工作站上运行，是开发环境中主机与软件仿真器、软件评价模块或硬件仿真器之间的标准接口。它与这些调试器一起配合使用，完成对用户程序的调试。程序调试可以在 C 、汇编或 C/汇编混合模式下进行调试，调试器具有条件执行、单步执行、断点等基本功能，并支持多个 DSP 。

（ 2 ） TMS320 软件仿真器（ TMS320 Software Simulators） TMS320 软件仿真器是一个软件程序，它在 PC 机或工作站上运行，通过模拟 DSP 的运行验证和调试 TMS320 程序。采用软件仿真器，编程者可以在没有目标硬件的情况下进行软件开发。在软件仿真器上调试用户软件时，可以用对主机数据文件的读写代替对特定 I/O的数据读写，以模拟与 DSP 接口的 I/O器件；另外软件仿真还可以模拟中断信号。

（ 3 ） TMS320 系统调试和评价工具 TMS320有一系列系统调试工具用于代替或协助目标系统进行软件评价和开发。现有的产品有：DSK初学者开发套件（ DSP Starter Kit）EVM 软件评估模块（ Evaluation Module）XDS510 硬件仿真器（ Extend Development Support Emulators）。TI公司还提供集成开发工具 CCS （ Code Composer Studio）， CCS 可从网上下载，可进行软、硬件仿真和系统分析，受到广泛应用。

1.DSP 应用系统模型包括哪些主要部分？2.DSP 系统有何特点？3. 设计一个 DSP 系统应考虑哪些问题？4. 选择 DSP 芯片的依据是什么？5. 比较不同种类 DSP 芯片的区别是什么？6.在你接触到的问题中，哪些可用 DSP来解决？7. 开发 DSP 系统可用哪些开发工具？8. 试列举 DSP 芯片的特点。

思考题