定点数字信号处理器dsp技术与应用.ppt

1-1,定点数字信号处理器（DSP）技术与应用,16位定点DSP—ADSP218X/219X,1-2,课程的主要内容和目的,本课程主要介绍 ADSP-218X / 219X系列16位定点DSP的体系结构和软/硬件开发环境，通过几个典型的实验使大家初步掌握DSP系统的硬件构成、 软件开发以及系统的综合调试方法。 课程的重要性： —— 直接面向应用。 —— IT工程师三大实用技能 * PCB设计 * DSP应用 * FPGA应用,1-3,第一部分,数字信号处理器（DSP）概述,1-4,数字信号处理及数字信号处理器（DSP）Digital Signal Processor,1-5,数字信号处理,数字信号处理的特点,特别强调运算处理的实时性（Real-Time Capability),,,,,模拟/数字转换 A/D Converter,,数字信号 处理运算,,数字/模拟转换,D/A Converter,,,,,,待处理 的信号,,,,,,处理后 的信号,1-6,数字信号处理器（DSP）结构特点,— DSP面向高性能、重复性、数值运算密集型的实时处理，它具有适合数字信号处理算法的指令、适合数字信号处理数据结构的存储器结构和寻址机构、并行处理能力和嵌入式性能等。其体系结构一般具有以下特点： 采用分离地址与数据总线的哈佛结构（CPU：冯 .诺伊曼结构），有着较高的指令执行速度，但结构复杂需要两套地址产生电路。 采用流水线技术，使取指、译码、取操作数、执指等步骤并行完成，提高了指令的执行速度。 除了算数逻辑单元（ALU）外，具有独立的乘加器，使其能够在一个周期内完成相乘和累加两个操作，加快了各种典型处理算法的处理速度。 具有适用于典型处理算法的特殊存储器寻址方式，如循环寻址、位反序寻址等。 针对实时处理的专用的数据接口（RAM、DMA、SPORT，etc.)，使数据的存取速度得以提高。 专门的指令流控制逻辑，如无附加开销的循环转移指令。 集成度高，能够实现单片、低功耗的处理系统。,1-7,数字信号处理器（DSP）的应用领域,通用数字信号处理（数字滤波、卷积、相关、变换等） 通信（高效调制/解调、编/解码器、自适应均衡、IP处理、软件无线电等） 语音处理（语音识别/合成/压缩/解压缩等） 图形/图象处理（图象变换、模式识别、图象压缩/解压缩等） 自动控制（高精度、高速度伺服控制） 军事/航空/航天（雷达/声呐信号处理、雷达成像、制导/火控系统、导航/定位系统、战场C3I系统等） 消费电子（数字高清晰度电视（HDTV）、CD/VCD/DVD编解码器、多媒体信息处理、汽车电子等）,1-8,DSP的典型应用—MPEG-4因特网摄像机,1-9,DSP的分类,—— 主要分为通用DSP和专用DSP两大类 通用DSP：其所要实现的处理算法由软件程序控制实现。应 用灵活性大，通过更改软件程序能够实现不同的 处理算法。 产品是各种类型的可编程DSP芯片，应用较广泛 的是： TI公司的TMS320系列 AD公司的ADSP21XX系列 专用DSP：针对某种具体应用而设计，所要实现的处理算法 由硬件直接实现。运算处理速度极高，但完成的 算法单一、精度和动态范围有限，需要与外围电 路配合才能构成系统，功耗也较大，因此应用范 围较窄， 主要应用于仪器/ 仪表以及军事等需要 极高处理能力的领域。 主要产品：FFT专用DSP、卷积/相关器、复乘加 器等。 * 用ASIC/FPGA实现的DSP,1-10,DSP的分类,横向滤波器 FFT 复乘/累加器 求模/相角,嵌入式DSP 定点 DSP 32bit浮点DSP 32bit浮点并行DSP 超高性能DSP,16bit 定点DSP 24bit 定点DSP,通用DSP,1-11,数字信号处理器（DSP）的开发与调试,— DSP系统的设计分为硬件/软件两个部分。两者可以在各自的开发平台上分别进行前期设计与调试，然后进行系统的联调。具体开发流程如图所示。 硬件设计 — DSP选型/系统结构确立 — 性能/功耗分析 — 开发周期/成本分析 — 电路设计/调试 调试工具： DSP在线硬件仿真器（Emulator)、DSP开发/评估板（Evaluation Board)、 示波器、逻辑分析仪。 软件设计 — 算法确定/程序流程图 — 软件编制（汇编/C语言） — 汇编/编译/链接 — 软件模拟 调试工具： 汇编/编译/链接程序，软件模拟/调试器（Simulator/Debugger) 系统联调——对整个系统的软/硬件进行的综合调试。 调试工具：硬件仿真器、DSP开发/调试集成环境（IDE/IDDE）、DSP OS，etc.,1-12,ADSP-218x在线仿真器,1-13,ADSP-218x开发/评估板,1-14,ADSP-218x开发/评估板所包含的功能部件,1-15,DSP系统的开发流程图—系统级设计,系统功能要求,系统性能及算法模拟,,,处理速度、开发周期、 体积、成本，功耗、 供货、升级,器件选型： DSP型号、存储器、I/O、 FPGA、A/D、D/A,,系统设计框图,,,,,,硬件设计,软件设计,1-16,DSP系统的开发流程图—电路/软件设计,电路原理图设计,生成电路网表,设计印制电路板,印制板制造,器件安装,软件流程图绘制,高级语言程序设计,汇编语言程序设计,汇编算法库,实时运行库,,,,编译,汇编,,,链接,,,,,,软件模拟,,修正,,,,,,,,,硬件调试,,,,,,,,软/硬件系统联调,示波器 逻辑分析仪,,1-17,DSP系统的开发流程图—系统联调,系统在线仿真,,,硬件电路,软件程序,PC机仿真,,仿真结果?,,,有误错,修正,,,固化程序,,嵌入系统设备进行联调,,连接外部设备,,综合测试,,满足系统要求?,,,否,修正,,,,否,修正,,,成品制造,,示波器 逻辑分析仪,,1-18,DSP及其开发的新趋势,单片系统（System-On-Chip) —— 随着VLSI技术的发展，针对一定的应用领域，可以使整个系统以DSP为核心进行设计，并将应用中所涉及的诸如 RAM、I/O、A/D、D/A等附加电路单元全部集成在一片IC芯片中，并且包括处理单元在内的各功能块都具有可重定义特性（Re-Configurable) . 这样一来，系统以后的功能扩展与升级将非常简单，只需要重新编写软件程序即可。同时系统的功耗会大大的降低， 可靠性会大大的提高。而这对便携/移动应用非常重要。 模块化设计 —— DSP及支持芯片/软件生产厂商，均依据一定的标准，设计生产电路板级DSP处理模块， 同时为这种模块提供丰富的符合标准的软件开发系统和算法资源库。 这样做的好处是降低了硬件设计难度、 减少了硬件设计时间， 更重要的是模块化设计得到了丰富的软件支持，大大提高了设计效率。,1-19,二进制代数复习,1-20,DSP中的二进制数表示方法,ADSP-2100系列定点数DSP使用2的补码进行操作。若要有效地对该系列DSP进行编程，了解以下概念及定义是非常重要的。 1) 有符号 / 无符号数格式 2) 小数 / 整数格式 3) 小数的范围 4) 16进制到2进制的转换 5) 2进制到16进制的转换,1-21,2进制（Binary ）- （16进制）Hexadecimal – 10进制（Decimal ）数据转换表,,Decimal,,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15,Hexadecimal,,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F,Binary,,0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111,1-22,有符号数与无符号数,,无符号数,有符号数,0x0000 0V (最小负值),,0xFFFF 5V (最大正值),0x8000 -5V (最小负值),,0x0000 0V,,0x7FFF 5V (最大正值),,,S/U,U U U U U U U U U U U U U U U,0,15,,,2进制表示,实际物理量,1-23,有符号数（原码）与2的补码,有符号数（原码）的最高位（MSB）为符号位。 1——表示负数 0——表示正数 * 有符号数（原码）“0”有两种表示方法（+/-0）。 * 有符号数（原码）的运算比较复杂，类似于正负数的笔算 ，先要比较两个数绝对值的大小，然后确定如何计算，最 后在确定符号位。 2的补码——Xcmp = 2^n + X (n-字长位数） * 性质：正数的补码与其原码相同。负数的补码仍是负数，它是 将其原码的符号位保持不变而将其数值部分求补得到。 “0”在补码中的表示是唯一的。 * 补码的求法：一个负数的补码等于其原码除符号位保持不变外 ，其余各位按位求反，再在最低位加1。 * 补码的运算：符号位与数值位一样参加运算（若符号位有进位 则丢弃）。 * 溢出的判别：“双高位判别法” Cs：最高位（符号位）的进位情况。 若有进位，Cs = 1; Cp：数值部分的最高位的进位情况。若有进位，Cp = 1; Overflow = Cs xor Cp,1-24,2的补码表示方法,对于2的补码表示法， 一个数符号位的位权值是-(2)^(M-1)，M是2进制小数点左边的位数。对于一个 4.2 型式的数字, 符号位的位权值是 -(2^3).,,,,例子:,0101.01 = 0 * (-8) + 1 * (4) + 0 * (2) + 1 * (1) + 0 * (1/2) + 1 * (1/4) = 5.25 1101.01 = 1 * (-8) + 1 * (4) + 0 * (2) + 1 * (1) + 0 * (1/2) + 1 * (1/4) = - 2.75,,2进制小数点,符号位,,,,1-25,小数与整数表示法,• 1.15型式的小数格式,,S F F F F F F F F F F F F F F F,•,S I I I I I I I I I I I I I I I,•,,小数点,,小数点,• 16.0型式的整数格式,,,1-26,DSP是针对小数表示型式 进行优化设计的 DSP也支持整数表示型式,,1-27,16位二进制数的表示范围,,1-28,不同数制表示实例,,,+5 V,-5 V,0 V,,0x7FFF,0x0000,0x8000,,,,,,1,2,3,4,5,格式,0x7FFF,,0x3FFF,,0x0000,,0xCCCD,,0x8000,1),,2),,3),,4),,5),16.0,,1.15,,1-29,有两种将16进制数转换为10进制数的方法，一种简单，一种较复杂. 复杂的方法 : 先将16进制数转换成2进制数. 确定小数点的位置. 将每一位的2进制位数值乘以其响应的位权值。 例子: 将 0x2A00（ 以1.15 、2的补码格式表示）转换10进制数值 0x2A00 = 0.010 1010 0000 0000 = 2^-2 + 2^-4 + 2^-6 = 0.25 + 0.0625 + 0.015625 = 0.328125 = 0.33 = 1/3 简单的方法 : 先将16进制数直接转换成10进制数（整数—整数）。再用转换后的10进制数除以2^N，N是2进制小数点右边的位数。 例子: 将 0x2A00（ 以1.15 、2的补码格式表示）转换10进制数值 0x2A00 10752 / 2^15 = 10752 / 32768 = 0.328125,,16进制(1.15 格式)到10进制转换,1-30,,,,有两种将10进制数转换为16进制数的方法，一种简单，一种较复杂. 复杂的方法: 将10进制数用其2^N 的型式表示出来。 例子: 将0.8125转换成以1.15、 2的补码表示的16进制数值 简单的方法: 将10进制数乘以2^N ，N是1.15格式小数点右边的位数值。然后再计算16进制数值。 例子: 将0.8125转换成以1.15、 2的补码表示的16进制数值 0.8125 * 2^15 = 0.8125 * 32768 = 26624 0x6800,10进制到16进制转换 (1.15 格式),0.8125 =>,,,,,,,,,,,2,-2,2,-1,2,0,2,-3,2,-4,2,-5,2,-6,2,-7,1,1/2,1/4,1/8,1/16,1/64,1/32,1/128,0,0,0,0,1,0,1,1,=> 0x6800,