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D S P 技 术 及 应 用

D S P 技 术 及 应 用. 主讲教师 李璟 博士 Tel ： 86875672 13185081728 Email ： lijing@cjlu.edu.cn. 前导课程 : 微机原理 , 单片机原理 , 数 字信号处理 理论教学： 28 学时 实验： 12 学时. 成绩评定. 考试： 70% 实验： 20% 平时： 10%. 教材与主要参考书. 教材 《TMS320LF240x DSP 结构、原理及应用 》. 刘和平等编著 . 北京航空航天大学出版社， 2002 年 4 月。 主要参考书

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  1. D S P技 术 及 应 用 主讲教师 李璟 博士 Tel：86875672 13185081728 Email：lijing@cjlu.edu.cn

  2. 前导课程:微机原理, 单片机原理, 数 字信号处理 理论教学：28学时 实验：12学时

  3. 成绩评定 • 考试： 70% • 实验： 20% • 平时： 10%

  4. 教材与主要参考书 • 教材 • 《TMS320LF240x DSP结构、原理及应用》.刘和平等编著.北京航空航天大学出版社，2002年4月。 • 主要参考书 • 《DSP基础理论与应用技术》.李哲英等编著.北京航空航天大学出版社，2002年6月。 • 《TMS320F206 DSP结构、原理及应用》.李刚编著.北京航空航天大学出版社，2002年5月。

  5. 课堂授课时间分配: (28学时) • 第1章 TMS320LF240x概述 —— 2 • 第2章 TMS320LF240x DSP内部资源介绍 —— 2 • 第3章 TMS320C240x寻址方式和指令系统 —— 2 • 第4章 程序编写和调试环境简介 —— 5 • 第6章 数字输入/输出模块(I/O) —— 2 • 第7章 事件管理器模块(EV) —— 3 • 第8章 模数转换模块(ADC) —— 2 • 第9章 串行外设接口模块(SPI) —— 2 • 第10章 串行通信接口模块(SCI) —— 2 • 第11章 CAN控制器模块 —— 2 • 第12章 应用实例 —— 2

  6. 第1章： TMS320LF240x概述 • 1.1 TMS320系列DSP概况 • 1.2 TMS320LF240x芯片概述 • 1.3 TMS320LF240x DSP CPU控制器的功能结构图 • 1.4 TMS320LF240x DSP 引脚功能介绍 • 1.5 TMS320LF240x DSP 存储器映射图

  7. 1.1 TMS320系列DSP概况 • 数字信号处理系统框图

  8. 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。

  9. 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。

  10. 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。

  11. 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，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。

  12. 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。

  13. 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

  14. 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

  15. 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程序空间和数据空间。 如：TMS320C54x内部有P、C、D、E 4条总线(每条总线又包括地址总线和数据总线)，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。

  16. 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。

  17. 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。

  18. 1.1 TMS320系列DSP概况 （5）指令周期短、功能强 采用4μm 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。TMS320LF240x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LMS指令，分别用于系数对称的FIR滤波器和LMS算法。

  19. 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。

  20. 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）

  21. 1.1 TMS320系列DSP概况 （8）功耗低 一般DSP芯片功耗为0.5～4W。 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。

  22. 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。

  23. 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，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。

  24. 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。

  25. 1.1 TMS320系列DSP概况 （2） 按数据格式分 • 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。

  26. 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%；

  27. （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

  28. （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

  29. 10. 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 ☉国防军事 1.1 TMS320系列DSP概况

  30. 1.1 TMS320系列DSP概况 • 11. TMS320系列DSP发展历程

  31. 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。

  32. 2. C2x系列简介 • C2x系列DSP控制器，具有很好的性能，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

  33. 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25~50ns，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

  34. 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

  35. • 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

  36. 5. C6x系列简介 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

  37. 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DSP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

  38. 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

  39. 2) 图像处理 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。 1.1 TMS320系列DSP概况

  40. TMS320LF240x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。TMS320LF240x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：LF240x 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数字解决方案。 1.2 TMS320LF240x芯片概述

  41. 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。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32K×16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192K×16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 TMS320LF240x芯片概述

  42. 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。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)。 1.2 TMS320LF240x芯片概述

  43. 1.3 TMS320LF240x DSP CPU控制器的功能结构图

  44. TMS320LF2407控制器具有144个引脚，如图1.1所示(p.2)TMS320LF2407控制器具有144个引脚，如图1.1所示(p.2) TMS320LF2407控制器是所有240x控制器中的一种功能最全的控制器，有该系列所有的信号。引脚功能如表1.1所示(p.3) 1.4 TMS320LF240x DSP引脚功能介绍

  45. 1.5 TMS320LF240x DSP存储器映射图

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