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1、DSP原理与应用,Digital Signal Processor,第一章 概述,1.1 DSP概述,数字信号处理数字信号处理或者说对信号的数字处理，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并进行有效的传输与应用，它是20世纪60年代发展起来的并广泛应用于许多领域的新兴学科。数字信号处理系统是以数字信号处理为基础的。图1-1所示为一个典型的DSP系统。信号处理的实质是对信号进行变换。信号处理的目的是获取信号中包含的有用信息，并用更直观的方式进行表达。,图1-1 数字信号处理系统简化框图,DSP,1.1 DSP概
2、述,DSP系统的输入信号可以有各种各样的形式，例如：声音、图像、温度、压力等。假设我们输入的是语音信号，DSP系统首先对语音信号进行滤波和抽样，根据奈奎斯特定理，抽样频率至少必须是输入带限信号最高频率的2倍，以防止信号频谱混叠，保证语音信息不丢失。,1.1 DSP概述,单片机与数字信号处理器,单片机它将微处理器和部分外围功能(如ROM、RAM及外部串口等)集成在一个芯片上，组成微型计算机。数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)是功能更强大的单片机，是现代电子技术、大规模集成电路、计算机技术和数字信号处理技术相结合的产物，特别适合于数字信号处理运算，主要应用于
3、实时快速实现各种数字信号处理算法(如卷积运算、FFT、矩阵乘法等)。,DSP芯片与单片机的主要区别在于数值处理和高速控制。DSP有硬件乘法器，存储容量大得多。DSP采用的是改进的哈佛结构并广泛采用流水线技术，多个控制和运算部件并行工作，从而大大提高了运算速度。DSP芯片内有多条数据、地址和控制总线，另外，它还有特殊指令：MAC(连乘加指令，单周期同时完成乘法和加法运算)、RPTS和RPTB(硬件判断循环边界条件，避免破坏流水线)；特殊寻址方式：位倒序寻址(实现FFT快速倒序)和循环寻址。,单片机与数字信号处理器,微处理器Microprocessor 微处理器（MPU）通常代表一个功能强大的CP
4、U,但不是为任何已有的特定计算目的而设计的芯片。这种芯片往往是个人计算机和高端工作站的核心CPU。微控制器 用来实现实时控制的核，以及输入输出接口都集成在片上，确保在嵌入式应用中的高的性价比，几乎能满足各类电子产品对运算能力和外设的要求。,1.1 DSP概述,1.1.1 发展历程,20世纪70年代 DSP理论和算法基础的提出。80年代 DSP的出现：1982年TI公司推出世界上第一款DSP：TMS320C10;90年代的典型DSP：ADI公司的ADSP2106x/ADSP21160，出色的浮点处理能力，多用于雷达/声纳等信号处理独特的多DSP互联能力（Link口），被称为“多DSP系统的实现标
5、准”。TI公司的TMS320C62x/C67x，单片处理能力在同时期较高，在DSP市场应用较广，占用较大份额,21世纪初的典型DSP：ADI公司的TigerSHARC系列DSP：TS101/TS201当前处理能力最强的浮点DSP，面向雷达、3G通信市场TI公司的C64系列DSP：TSM320C6414/15/16当前处理能力最强的定点DSP。,1.1.1 发展历程,1.1.2 DSP 特点,DSP采用改进的哈佛总线结构，内部有两条总线：数据总线和程序总线。采用流水操作，支持任务的并行处理。在一个指令周期内实现一次或多次乘法累加运算。在DSP中集成多个地址产生单元，支持循环寻址等特殊指令。DSP
6、有一组或多组独立的DMA控制逻辑。DSP支持重复运算。DSP提供多个串行或并行的I/O接口以及特别I/O接口。,1.1.3 DSP的选型,1、系统特点2、算法格式3、系统精度4、处理速度5、功耗6、性能价格比7、支持多处理器8、系统开发的难易程度,四大厂商（传统）,Texas Instruments （德州仪器）公司Analog Devies（模拟设备）公司Agere,即Lucent Technologies（朗讯技术）公司Motorola（摩托罗拉）公司大约还有80家DSP产商,1.1.4 TI公司DSP,TMS320系列DSP平台,TMS320C2000系列DSP主要用于代替MCU，应用于
7、各种工业控制领域，尤其是电机控制领域。TMS320C5000系列DSP是为实现低功耗、高性能而专门设计的16位定点DSP芯片，它主要应用于通信和消费类电子产品，如手机、数码相机、无线通信基础设备、IP电话、MP3等。TMS320C6000系列的DSP主要应用于高速宽带和图像处理等高端应用，如宽带通信、3G基站和医疗图像处理等。,1.2 DSP的典型应用,通信领域中的通信基站、网络服务器等高端产品。消费类电子产品。家电、控制系统等。,表1-1 TMS320系列DSP的典型应用,1.2 DSP的典型应用,通信 72 计算机 12 军品 4工业 3仪器 2消费类 2办公自动化 2,1.3 DSP的发
8、展趋势,1、系统级集成DSP是潮流2、 DSP和微处理器的融合3、 DSP和FPGA的融合4、可编程DSP是主导产品5、追求更高的运算速度6、定点DSP是主流,DSP多种分类方式,按照数据类型分类定点处理器： ADSP218x/219x，Blackfin，TMS320C2x/C5x/C62x/C64x，浮点处理器：ADSP2106x/2116x/TS101/TS20 x，TMS320C40/C67x浮点处理比定点处理的数据动态范围大，更适合与雷达、声纳等信号处理系统。浮点处理器同时也可以实现定点处理，而且处理能力很强。按照数据位数分类：16bit DSP32bit DSP按照用途分类：用于消费
9、电子的DSP：如Blackfin，低功耗，处理音频和视频，用于高端实时信号处理得DSP：如TigerSHARC、C64等，用于雷达信号处理等大处理量的系统。,TMS320X28xx系列DSP综述,1 TMS320X28xx系列DSP内核特点,TMS320C2000系列是美国TI公司推出的最佳测控应用的定点DSP芯片，其主流产品分为四个系列：C20 x、C24x、C27x和C28x。C20 x可用于通信设备、数字相机、嵌入式家电设备等；C24x主要用于数字电机控制、工业自动化、电力变换系统等。近年来，TI公司又推出了具有更高性能的改进型C27x和C28x系列芯片，进一步增强了芯片的接口能力和嵌入
10、功能，从而拓宽了数字信号处理器的应用领域。TMS320C28x系列是TI公司最新推出的DSP芯片，是目前国际市场上最先进、功能最强大的32位定点DSP芯片。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如工业自动化控制、电力电子技术应用、智能化仪器仪表及电机、交直流伺服控制系统等。,TMS320C281x功能框图,2 TMS320X28xx处理器外设功能介绍,TMS320F281 x系列DSP(数字信号处理器) 是基于TMS320 C2000 内核的定点数字信号处理器。器件上集成了多种先进的外设，为电机及其他运动控制领域应用的实现提供
11、了良好的平台。与F24x系列数字信号处理器相比，F281x系列数字信号处理器提高了运算的精度(32位)和系统的处理能力(达到150 MIPS)。该系列数字信号处理器还集成了128KB的Flash存储器，4KB的引导RAM，数学运算表，从而大大改善了应用的灵活性。128位的密码保护机制有效地保护了产品的知识产权。两个事件管理器模块为电机及功率变换控制提供了良好的控制功能。16通道高性能12位ADC单元提供了两个采样保持电路，可以实现双通道信号同步采样。,外设资源,F281x处理器集成了很多外设，处理器将所有的外设都映射到了数据存储器空间。每个外设被分配一段相应的地址空间，主要包括配置寄存器、输入
12、寄存器、输出寄存器和状态寄存器。每个外设只要通过简单的访问存储器中的寄存器就可以使用该设备。,外设资源,事件管理器通用I/O模数转换模块SPI和SCI通信接口CAN总线通信模块,看门狗PLL（锁相环）时钟模块多通道缓冲串口外部中断接口存储器及其接口,1 事件管理器（281x处理器）,处理器上有EVA和EVB两个事件管理器每个事件管理器模块包括：定时器、比较单元、捕捉单元、PWM逻辑电路、正交编码脉冲电路及中断逻辑电路等,2 A/D转换模块,ADC模块将外部的模拟信号转换成数字量，ADC模块可以将一个控制信号进行滤波或者实现运动系统的闭环控制。在电机控制系统中，采用ADC模块采集电机的电流或电压
13、实现电流环的闭环控制。10位分辨率（24x，240 x）12位分辨率（281x，280 x）16个多路复用模拟输入通道（281x）,3 SPI外设接口,SPI是一个高速同步串行通信接口，能够实现DSP与外部设备之间的高速串行通信。应用中经常使用SPI接口和扩展外设的移位寄存器、LCD显示以及ADC等外设通信。,4 SCI通信接口,SCI属于双线的异步串行通信接口，即平时所说的通用异步收发器 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）口，并采用NRZ（No-Return-Zero）数据格式，可以通过SCI串行接口与CPU或其他的异步外设进行
14、通信。SCI-A和SCI-B,5 CAN总线通信模块,CAN总线是一种串行通信协议，具有较强的抗干扰能力，可以应用在电磁噪声比较大的场合。F281x的CAN总线接口模块是增强型的CAN接口，完全支持CAN2.OB总线规范。它有32个可配置的接收/发送邮箱，支持消息的定时邮递功能。最高通信速率可以达到1Mbps，可以使用该接口构建高可靠的CAN总线网络。,6 看门狗,看门狗主要用来检测软件和硬件的运行状态，当内部计数器溢出时，将产生一个复位信号。为了避免产生不必要的复位，要求用户定期对看门狗定时器进行复位。如果不明的原因使CPU中断程序，看门狗将产生一个复位信号，使CPU复位，程序从系统软件的开
15、始执行。看门狗有效地提高了系统的可靠性。,7 通用目的数字量I/O,在TMS320F281 x处理器有限的引脚当中，相当一部分都是特殊功能引脚和GPIO引脚共用的。实际上，GPIO作为与其他设备进行数据交换的通道，也是非常有用的。GPIOMux寄存器选择这些引脚的功能，如果配置成通用的数字IO引脚，则还需要通过DATDIR数据和方向控制寄存器来控制。,8 PLL时钟模块,锁相环（PLL）模块主要用来控制DSP内核的工作频率，外部提供一个参考时钟输入，经过锁相环倍频或分频后提供给DSP内核。C281 x数字信号处理器能够实现0.510倍的倍频。,9 多通道缓冲串口,多通道缓冲串口主要有以下几个特
16、点：支持全双工通信模式；双缓冲数据寄存器，能够实现连续的通信数据流；收发的帧和时钟相互独立；可以采用外部移位时钟或内部的时钟；支持8位、12位、16位、20位、24位或32位的数据格式；,帧同步和数据时钟的极性都是可编程的；可编程的内部时钟和同步帧；支持A-bis模式；能同CODEC、AIC（Analog Interface Chips）等标准串行A/D和D/A器件接口；两个16x16深度的发送通道FIFO；两个16x16深度的接收通道FIFO。,10 多通道缓冲串口,11 外部中断接口,F281x支持多种外设中断，外设中断扩展模块（PIE）最多支持96个独立的中断。并将这些中断分成8组，每一
17、组有12个中断源，根据中断向量表来确定产生的中断类型。CPU快速响应外设中断。中断响应延时为9个系统时钟。,12 存储器及其接口,F28lx采用同一编址方式， TMS320F240 x采用程序、数据和I/O分开编址TMS320F281x芯片内部提供18KB的SARAM和128KB的Flash存储器。等处理器上提供了外部存储器扩展接口，外部最高可达1MB的寻址空间。,13 内部集成电路,支持18位格式传输；7位和10位寻址模式；支持多个主发送器和从接收器；支持多个从发送器和主接收器；1个16位接收FIFO，1个16位发送FIFO；,4 TMS320C28x应用领域,工业自动化泵驱动 压缩机器人技
18、术汽车数字电源高级传感电机类型,C2812系列芯片的主要性能,1高性能静态CMOS（Static CMOS）技术150MHz（时钟周期6.67ns）低功耗（核心电压1.8V，I/O口电压3.3V）Flash编程电压3.3V2JTAG边界扫描（Boundary Scan）支持3高性能的32位中央处理器（TMS320C28x）16位16位和32位32位乘且累加操作16位16位的两个乘且累加哈佛总线结构（Harvard Bus Architecture）强大的操作能力迅速的中断响应和处理统一的寄存器编程模式可达4兆字的线性程序地址可达4兆字的数据地址代码高效（用C/C+或汇编语言）与TMS320F2
19、4x/LF240 x处理器的源代码兼容,4片内存储器8K16位的Flash存储器1K16位的OTP型只读存储器L0和L1：两块4K16位的单口随机存储器（SARAM）H0：一块8K16位的单口随机存储器M0和M1：两块1K16位的单口随机存储器5根只读存储器（Boot ROM）4K16位带有软件的Boot模式标准的数学表6外部存储器接口（仅F2812有）有多达1MB的存储器可编程等待状态数可编程读/写选通计数器（Strobe Timing）三个独立的片选端,C28x系列芯片的主要性能,7时钟与系统控制支持动态的改变锁相环的频率片内振荡器看门狗定时器模块8三个外部中断9外部中断扩展（PIE）模块
20、可支持96个外部中断，当前仅使用了45个外部中断10128位的密钥（Security Key/Lock）保护Flash/OTP和L0/L1 SARAM防止ROM中的程序被盗113个32位的CPU定时器12马达控制外围设备两个事件管理器（EVA、EVB）与C240兼容的器件,C28x系列芯片的主要性能,13串口外围设备串行外围接口（SPI）两个串行通信接口（SCIs），标准的UART改进的局域网络（eCAN）多通道缓冲串行接口（McBSP）和串行外围接口模式1412位的ADC，16通道28通道的输入多路选择器两个采样保持器单个的转换时间：200ns单路转换时间：60ns15最多有56个独立的可编
21、程、多用途通用输入/输出（GPIO）引脚16高级的仿真特性分析和设置断点的功能实时的硬件调试,C28x系列芯片的主要性能,17开发工具ANSI C/C+编译器/汇编程序/连接器支持TMS320C24x/240 x的指令代码编辑集成环境DSP/BIOSJTAG扫描控制器（TI或第三方的）硬件评估板18低功耗模式和节能模式支持空闲模式、等待模式、挂起模式停止单个外围的时钟19封装方式带外部存储器接口的179球形触点BGA封装带外部存储器接口的176引脚低剖面四芯线扁平LQFP封装没有外部存储器接口的128引脚贴片正方扁平PBK封装20温度选择A：-40 +85S：-40 +125,C28x系列芯片的主要性能,
