第14章 数字信号处理的硬件实现
一、概述 二、DSP的特点 三、DSP的发展 四、DSP的开发 五、DSP的应用
一、概述
Digital Signal Processing (DSP)： 一门新的学科：研究信号分析与 处理的理论和各种算法
Digital Signal Processor (DSP)： 数字信号处理器：将数字信号处理 的理论用于实际。
N 1
X (k) x(n)W nk
n0
y(n) x(k)h(n k)
k
rx (m)
1 N
N 1
x(n)x(n m)
n0
乘法 累加
例如，4－bit无符号数相乘：
Hardware 1011
x 1110 10011010
一步执行
Microcode
1011 x 1110
0000 1011. 1011.. 1011...
么，该系统要在50 s 内，至少要完成100
次乘法，99次加法，才谈得上“实时实现”。
CPU的类型：
1. 通用型CPU（GPP）； 2. 单片机（MCU）； 3. DSP； 4. 嵌入式系统； 5. ASIC； 6. FPGA
通用处理器（GPP）：
事务密集型处理机制 冯.诺依曼结构：统一的程序和数据空间 采取各种方法提高计算速度：
Waiting Time Processing Time
n
n+1
Sample Time
如果
Waiting Time 0
则认为该系
统可以实时 实现。
例如，阶次 N 100 的FIR滤波器，其输入输 出关系是
99
y(n) x(k)h(n k) k 0
假定要处理的信号的抽样频率为200KHz，那
TI eXpressDSP框架：是一个开放式的、集成的软 件开发环境，它不但包含了上述的常用软件工具，并 且在功能上大大扩展，而且为使用者提供了良好的人 机交互界面。它包含如下4个部分：
① 集成开发环境 CCS（code composer studio）
② 实时基础软件 DSP/BIOS；
③ 算法标准 XDAIS（eXpressDSP algorithm standard）；
1980
1990 2000 2010
50 3 5
20 256 $150.00 250 50K
3"
50 0.8 40 80 2K $15.00 12.5 500K 6"
50 0.1 5,000 1,000 32K $5.00 0.1 5M 12"
5 0.02 50,000 10,000
1M $0.15 0.001
C54 的多总线结构：
高级多总线结构
3个数据总线(CB,DB,EB) 1个程序总线(PB) 4个地址总线(PAB,CAB,DAB,EAB)
2. “流水线（pipeline）式” 的指令执行 实际上，DSP中采用多级流水线结构
3. 具有硬件乘法器是DSP最突出的特点，从而 大大提高了运算速度。 数字信号处理中最常用的运算：
三、DSP的发展
TYPICAL DEVICE CAPABILITIES
Die size (mm) Technology (uM)
MIPS MHz RAM (bytes) Price Power (mW/MIPS) Transistors Wafer size
TYPICAL DEVICE CAPABILITIES
1. TI早期的软件开发工具
（1） TMS320宏汇编编辑/编译／连接器(macro assembler／compiler /linker)
（2） TMS320系列最佳的ANSIC编译器(ANSIC compiler)
（3）代码调试工具（debugger）
（4）软件仿真器(simulator)
软件仿真器是一个软件程序，它运行在PC上，可 模拟TM5320的整个指令系统，从而达到程序检验和 开发的目的。
它们与ALU并行工作;所有这些设置，都是 为了提高运行速度；
6. 为方便数据的读、写及与片外设备的 通信，DSP上一般都集成有DMA、串 行通信口、定时器及中断处理器等， 具有和不同速度存储器相连接的硬件 和软件的等待功能；
7. 高的时钟速度，极快的运算能力：
MFLOPS：百万次浮点操作/秒 MOPS： 百万次操作/秒 MIPS： 百万条指令/秒 Others： MAC、Instruction Cycle Time
50M 12"
Texas Instruments（TI：德州仪器公司）:
TMS320C2000 TMS320C5000 TMS320C6000 TMS320C1x、C2x、C3x、C4x、C5x、C8x
Analog Devices（AD：模拟器件公司）:
ADSP-21xx TigerSharc DSP SHARC DSP
• 8-bit Apple（6502）， • NEC PC-8000（Z80） • 8086/286/386/486/ • Pentium/Pentium II/ Pentium III • PowerPc 64-bit CPU •（SUN Sparc，DEC Alpha, HP）
单片机（MCU):
应用 系统 设计
系统 配置
源代码 编辑
编译与 连接
软件 模块 集成
软件 调试
软件 分析
CCS 的组成模块
（一）TI DSP 硬件开发工具
在 DSP 系统开发的不同阶段需要不同的开发系 统，如供初学者使用的学习系统，供对所选用的 DSP及其他器件进行评估的评估系统，供最后调试 的开发系统。
8. 部分DSP芯片上有片上的A/D及脉宽调制
通道（PWM），这一类DSP除了有强的
运算能力外，还有着很好的控制能力 ；
总之，先进周密的硬件设计、方便完整 的指令系统、配套的开发工具以及高速、实 时信号处理市场的巨大需要，从而使DSP微 处理器在飞速发展的计算机领域中异军突起、 大放光彩。目前，数字信号处理器的硬件、 软件及第三方（Third Party)的相关产品，已 形成一个巨大的产业。
控制密集型处理机制。4bit、 8bit单片 机多应用于玩具、家电及工业控制； 16bit 单片机除控制功能外，还有较强的信息处 理的能力。但实时处理较困难。
• INTEL MCS/48/51/96（98） • MOTOROLA HCS05/011
数字信号处理器（DSP）：
运算密集型处理机制。最有可能实时实 现复杂 运算的器件！
功耗；
“*”～“BC”，(Boot Load)； “*”～“LBC”，低 功耗、
TMS320C2000系列
TMS320C5000 系列：
TMS320C6000 系列：
专用DSP芯片：在制造时，其内部结构已符
合相应算法的流程，只需按要求输入数据即可， 无需再编程。这些产品有：
INMOS公司的卷积/相关器A100； PLESSY公司的卷积/相关器PDSP16256； HARRIS公司的卷积/相关器HSP43168； AUSTEK公司的FFT专用芯片A41102； PLESSY公司的专用FFT芯片PDSP16515； AD公司的小波压缩芯片ADV601.
将信号处理的理论用于实际，即是“实 现”：
软件 实现:
(教学, 科研, 开发的前期) DSP软件包
MATLAB Signal Processing Tool Box
硬件 CPU, MCU,
实现: DSP
有可能 “实时实 现”：
所谓“实时（Real-Time）实现”，是指一 个实际的系统在人们听觉，视觉或按任务要求 所允许的时间范围内能及时地完成对输入信号 的处理并将其输出。
四、DSP的开发
开发步骤： 1. 算法研究与仿真（MATLAB, C, 汇编）； 2. 选择DSP芯片及其它元器件； 3. 系统原理设计，画原理图； 4. 系统硬件仿真； 5. 制印刷线路板（PCB）； 6. 系统焊接、调试，加载软件。
开发步骤：
DSP系统的 设计与调试
TI产品开发支持
（一）TI DSP软件开发工具
10011010
Cycle 1 Cycle 2 Cycle 3 Cycle 4
Cycle 5
一步一步执行
例如：C54中的硬件乘法器
4. 高性能的DSP提供了“并行（parallel）”工 作 的能力。所谓并行，是指多个DSP，或DSP 内部的多个单元同时在完成一个共同的任务；
5. 片上存储器：(On chip Memory ); 专用寻址单元：(Addressing Logic )
TMS320C6201 DSP 时钟：200MHz，运算能力：1600MIPS。 1024点的FFT，仅需要70us;
TMS320C64系列的DSP 最大时钟速度可达600MHz，因此，时钟
周期仅为1.67ns,其运算能力可达4800MIPS； 该系列特别适用于图像处理、三维成像、
多媒体及其它高速运算的场合。
例如，我们每天使用的手机，将要普及的 数字电视等，都是实时的数字信号处理系统。
要想在极短的时间内完成对信号的处理， 一方面需要快速的算法、高效的编程，另一方 面，则需要高性能的硬件支持。数字信号处理 器（DSP）即是为实时实现数字信号处理任务 而特殊设计的高性能的一类CPU。
严格地说，“实时实现”是指，一个系统 在每一个抽样间隔内都能完成全部所需要的计 算任务，即：
TMS320C25 DSP的内部 结构
DSP分定点处理器和浮点处理器两大类
定点DSP：
采用定点数来实现数值运算时，其操作数大都 采用整型数来表示。整型数的大小取决于所用的字 长，字的位数越多，所能表示的数的范围越大。例 如，对16bit字长，其表示的数的最大范围是