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1、DSP控制器及其应用,第1章：TMS系列DSP概述,1.1 DSP概况1.2 TMS320LF芯片概述1.3 TMS320LF240 x DSP CPU控制器的功能结构图1.4 TMS320LF240 x DSP 存储器映射图,1.1 TMS320系列DSP概况,数字信号处理系统框图,1.1 TMS320系列DSP概况,1.DSP与DSP技术DSP(Digital Signal Processing)-数字信号处理的理论和方法。DSP(Digital Signal Processor)-用于数字信号处理的可编程微处理器。DSP技术(Digital Signal Process)-是利用专门或通
2、用数字信号处理芯片，通过数字计算的方法对信号进处理的方法与技术。,1.1 TMS320系列DSP概况,2.CPU、MCU、DSP区别与联系 20世纪70年代微处理器问世以来，一直沿着3个方向发展。这三类微处理器各有其特点。虽然在技术上不断借鉴和交融，但又有各自不同的应用领域。CPU：微型计算机中央处理器。（如：奔腾等）MCU：单片微型计算机（如MCS-51，MCS-96等）DSP：可编程的数字信号处理器。,谐波检测有源滤波,雅克比矩阵,机器人控制,1.1 TMS320系列DSP概况,DSP芯片的应用通用数字信号处理语音识别与处理图形/图像处理仪器仪表 自动控制,医学工程家用电器通信计算机国防军
3、事,1.1 TMS320系列DSP概况,3.DSP技术发展的两个领域理论：数字信号处理的理论和方法近年来得到迅速的发展，为各种实时处理的应用提供了方法基础。如：声音图像压缩编码，加密解密，调制解调，智能天线。应用：为了满足市场需求，随着微电子科学与技术的进步，DSP的性能在迅速提高。如：时钟频率达到1.1GHZ；处理速度每秒90亿次，32位浮点运算，吞吐率达到2Gbit/s两者关系：理论推动了应用，应用促进理论的发展。,1.1 TMS320系列DSP概况,4.DSP的理论基础它以众多的经典理论体系作为自己的理论基础，同时它又是新兴学科理论基础。经典理论体系：微积分，概率统计，随机过程，数值分析
4、，网络理论，通信理论，控制论。新兴学科：人工智能，模拟识别，神经网络。,1.1 TMS320系列DSP概况,5.DSP的实现方法PC机软件实现。PC机+专用处理机。通用单片机（51、96系列等）专用DSP芯片。通用可编程DSP芯片。,1.1 TMS320系列DSP概况,6.DSP系统的特点（与模拟信号处理系统相比）接口简单、方便精度高、抗干扰能力强，稳定性好编程方便、易于实现复杂算法可程控集成方便,DSP 外观与封装,1.1 TMS320系列DSP概况,7.DSP芯片的结构特点（1）改进的哈佛结构,1.1 TMS320系列DSP概况,（2）多总线结构 多总线结构可以保证在一个机器周期内多次访问
5、程序空间和数据空间。DSP指令执行有P、T、D、E 四阶段（由6条数据/地址总线并行实现)，可以在一个机器周期内从程序存储器取1条指令、从数据存储器读2个操作数和向数据存储器写1个操作数，大大提高了DSP的运行速度。,1.1 TMS320系列DSP概况,（3）流水线技术(pipeline)DSP处理器流水线技术是将各指令的各个步骤重叠起来执行，而不是一条指令执行完成之后，才开始执行下一条指令。,1.1 TMS320系列DSP概况,（4）多处理单元 DSP内部一般包括多个处理单元，如算术逻辑运算单元(ALU)、辅助寄存器运算单元(ARAU)、累加器(ACC)及硬件乘法器(MUL)等。它们可以在一
6、个指令周期内同时进行运算。多处理单元结构，特别适用于大量乘加操作的矩阵运算、滤波、FFT、Viterbi译码等。,1.1 TMS320系列DSP概况,（5）指令周期短、功能强 采用4m NMOS制造工艺，早期DSP的指令周期约400ns，运算速度为5MIPS。采用高性能CMOS制造工艺，其运行速度更快。TMS320LF240 x运行速度可达30MIPS，使得指令周期缩短到30MHz。TMS320C54x运行速度可达100MIPS。TMS320C6203的时钟为300MHz，运行速度达到2400MIPS。DSP指令功能强大，一条特殊指令可完成十分复杂的功能。如：TMS320C54x中的FIRS和
7、LMS指令，分别用于系数对称的FIR滤波器和LMS算法。,1.1 TMS320系列DSP概况,（6）运算精度高 早期DSP的字长为8位，后来逐步提高到16位、24位、32位。为防止运算过程中溢出，有的累加器达到40位。浮点DSP提供了更大的动态范围，如TMS320C3x、TMS320C4x等。,1.1 TMS320系列DSP概况,（7）丰富的外设 片内具有主机接口(HPI)直接存储器访问控制器(DMAC)外部存储器扩展口 串行通信口 中断处理器 锁相环时钟产生器 测绘访问口（实现符合IEEE 1149.1标准在片 仿真）,1.1 TMS320系列DSP概况,（8）功耗低 一般DSP芯片功耗为0
8、.54W。采用低功耗技术的DSP芯片只有0.1W，（电池供电）如：TMS3205510仅0.25mW，特别适用于便携式数字终端。,1.1 TMS320系列DSP概况,DSP最重要的特点：特殊的内部结构、强大的信息处理能力及较高的运行速度。DSP芯片是高性能系统的核心:DSP能实时处理大量数据，特别是在声音、图像等不允许时间延迟领域的应用十分理想。如：DSP已成了全球70%数字电话的“心脏”，同时DSP在网络领域也有广泛的应用。,1.1 TMS320系列DSP概况,8.DSP芯片的分类（1）按用途分类 通用型DSP芯片（本课程主要讨论的芯片）一般指可以用指令编程的DSP芯片，适合普通的DSP应用
9、，如TI公司的一系列DSP芯片属于通用型DSP芯片。专用型DSP芯片 为特定的DSP运算而设计，如数字滤波、卷积和FFT等，通过加载数据、控制参数或在管脚上加控制信号的方法使其具有有限的可编程能力。如Motorola公司的DSP56200。,1.1 TMS320系列DSP概况,（2）按数据格式分定点 DSP 数据以定点格式工作的DSP芯片称为定点DSP芯片，该芯片简单、成本较低。两种基本表示方法：整数表示方法：主要用于控制操作、地址计算和其他非信号处理的应用。小数表示方法：主要用于数字和各种信号处理算法的计算中。定点表示并不意味着一定是整数表示。,1.1 TMS320系列DSP概况,（2）按数
10、据格式分浮点 DSP 数据以浮点格式工作的DSP芯片称为浮点DSP芯片，该芯片运算精度高、运行速度快。浮点数在运算中，表示数的范围由于其指数可自动调节，因此可避免数的规格化和溢出等问题。但浮点DSP一般比定点DSP复杂，成本较高。,1.1 TMS320系列DSP概况,9.DSP芯片的发展及趋势（1）DSP芯片的发展历程 1978年 第一片DSP诞生S2811(Microsystems公司AMI子公司)1986年以来得到突飞猛进的发展。现今：生产DSP厂家80多个，品种300多种。TI公司市场份额：60%；AD公司市场份额：15%；Motorola市场份额：10%；Lucent市场份额：5%；,
11、1.1 TMS320系列DSP概况,（2）TI公司DSP芯片简介 第一代：TMS32010及其系列产品（1982年）第二代：TMS32020、TMS320C25/C26/C28 第三代：TMS320C30/C31/C32，第四代：TMS320C40/C44，第五代：TMS320C50/C51/C52/C53/C54和集多个DSP于一体的高性能DSP芯片TMS320C80/C82等 第六代：TMS320C62x/C67x等。,1.1 TMS320系列DSP概况,（3）国内DSP的发展概况 1983年引进（TMS32010）我国DSP产品主要来自海外。TI公司的产品约占国内DSP市场的90%，其余
12、为Lucent、AD、Motorola、ZSP和NEC等公司。现状：DSP开发工具/DSP硬件平台开发/DSP应用软件开发 国内较知名的公司：北京“闻亭”、“合众达”等。,1.1 TMS320系列DSP概况,11.TMS320系列DSP发展历程,1.1 TMS320系列DSP概况,1.C1x系列简介 C1x是TMS320系列DSP的首要成员，包括C10、C14、C15、C16和C17五个版本。C1x是市场上最便宜的DSP之一，主要应用于防抱死制动、音乐器材、能量测量、马达控制和数字无磁带应答机等领域。,1.1 TMS320系列DSP概况,2.C2x系列简介 C2x系列DSP控制器，具有很好的性
13、能，集成了Flash存储器、高速A/D、CAN模块等。C2x系列DSP芯片价格低，具有较高的性能和适用于数字化控制领域的功能。因此在工业自动化、电动机控制、家用电器和消费电子等领域得到广泛应用。,1.1 TMS320系列DSP概况,3.C2xx系列简介 TMS320C2xx系列DSP是C2x的一个升级版本，它的指令周期缩减到2550ns，增加了基于JTAG的仿真，有多达4.5K的片内数据/程序RAM。主要面向计算机、工业、用户终端和电话等新的DSP应用。,1.1 TMS320系列DSP概况,4.C5x系列简介 C5x系列DSP芯片包括C54x和C55x两大类 C54x：具有高度的操作灵活性和运
14、行速度。其结构采用改进的哈佛结构，具有专用硬件逻辑的CPU，片内存储器，片内外设，以及一个效率很高的指令集。16位定点DSP，适应远程通信等实时嵌入式应用的需要。,1.1 TMS320系列DSP概况,C55x：是C5000系列DSP中的子系列，是从C54x发展起来的，并与之原代码兼容。C55x工作在0.9V时，功耗低至0.005mW/MIPS。工作在400MHz钟频时，可达800MIPS。和120MHz的C54相比，300MHz的C55x性能提高5倍，功耗为C54系列的1/6。因此，C55x非常适合个人的和便携式的应用，以及数字通信设施的应用。,1.1 TMS320系列DSP概况,5.C6x系
15、列简介 TMS320C6x系列是TI公司从1997年推出。采用TI的专利技术VeloiTI和新的超长指令字结构，性能达到很高的水平。第一款芯片C6201，在200MHz钟频时，达到1600MIPS。2000年以后推出的C64x，在钟频1.1GHz时，可以达到8800MIPS以上，即每秒执行近90亿条指令。片内DMA引擎和64个独立的通道，使其I/O带宽达到2GB/s。,1.1 TMS320系列DSP概况,C6x推出了C62x/C67x/C64x等3个子系列。C62x是TI公司于1997年开发的一种新型定点DSP芯片。可同时执行8条指令，其运算能力可达2400MIPS。C67x是一种新型浮点DS
16、P芯片。可同时执行8条指令，其运算能力可达1G FLOPS。C64x是C6000系列中最新的高性能定点DSP芯片，可以提供超过2GB/s的持续带宽。与C62x相比，C64x的总性能提高了10倍。,1.1 TMS320系列DSP概况,TMS320C6x系列主要应用 1)数字通信 适合于FFT/IFFT，Read-Solomon编解码，循环回声综合滤波器，星座编解码，卷积编码，Viterbi解码等信号处理算法的实时实现。如 ADSL(非对称数字用户线)，线缆调制解调器(cable modem)移动通信（移动电话基站、3G基站里的收发器、智能天线、）,1.1 TMS320系列DSP概况,2)图像处理
17、 C6x系列DSP广泛地应用在图像处理领域。例如，数字电视、数字照相机与摄像机、打印机、数字扫描仪、雷达/声呐及医用图像处理等，在这些应用中，DSP用来做图像压缩、图像传输、模式及光学特性识别、加密/解密及图像增强等。,1.2 TMS320LF240 x芯片概述,TMS320LF240 x系列是TMS320C2x家族中最新、功能强大的DSP芯片，是为了满足控制应用而设计的。高性能、高速度：集成了高性能的DSP内核和微处理器的片内外设；每秒3000万条指令(30MIPS)的处理速度。高可靠性、可编程性：LF240 x DSP的16位定点DSP内核为模拟系统的设计者提供了一个不牺牲系统精度和性能的
18、数字解决方案。,1.2 TMS320LF240 x芯片概述,两个事件管理器模块EVA和EVB，为开发者提供完整的、高效的马达控制方案，提供所有的PWM和IO，可以控制所有类型的电机。采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减少了控制器的损耗；30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns，从而提高了控制器的实时控制能力。片内有高达32K16位的Flash程序存储器;高达2.5K字16位的数据/程序RAM;544字节双端口RAM(DARAM);2K字的单口RAM(SARAM)。可扩展的外部存储器总共具有192K16位的空间，分别为64K字程序存储器空间、64K字的数据存储空间和64K字的I/O空间。,1.2 TMS320LF240 x芯片概述,10位ADC转换器，其特性为:最小转换时间为500ns、8个或16个多路复用的输入通道，采集时间和转换时间分开，提高了采样率和输入阻抗，并且支持自动顺序采样，不需CPU干预。CAN总线控制器，可以为控制器、传感器、激励源以及其它节点提供良好的通讯，特别适用于工业现场和汽车等强噪声和恶劣的环境中。5个外部中断(两个驱动保护、复位和两个可屏蔽中断)。,1.3 TMS320LF240 x DSP CPU控制器的功能结构图,1.4 TMS320LF240 x DSP存储器映射图,
