DSP芯片原理与应用-全套PPT课件.pptx
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第一章DSP系统与DSP芯片DSP系统DSP芯片1.1DSP系统1.1.1DSP概述数字信号处理技术产生于20世纪60年代以来,随着计算机和信息技术的飞速发展,数字信号处理技术在众多领域得到了广泛的应用。
数字信号处理是利用计算机或专用处理设备,以数字的形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理,以得到符合所需的信号形式。
它以众多学科为理论基础的,它所涉及的范围极其广泛。
数字信号处理的理论和应用是相辅相成的,数字信号处理的实现是理论和应用之间的桥梁。
退出数字信号处理实现过去现在通用计算机:
处理速度慢专用计算机:
通用性差、价格昂贵单片机:
处理速度慢、无法处理复杂的数字信号专用DSP芯片:
用硬件实现特殊算法、处理速度极高、价格昂贵通用DSP芯片:
通用性很强,非常适合于构成运算速度较高、结构复杂的系统,具有很好的应用前景退出1.1.2DSP系统的特点优点:
(1)接口方便。
DSP系统与其他数字技术系统相互兼容。
(2)编程方便。
在开发时可灵活方便地对软件进行修改。
(3)性能稳定。
受环境温度以及噪声的影响较小。
(4)精度高。
16位DSP芯片的数字系统精度可达10-5。
(5)可重复性好。
便于测试、调试和大规模生产。
(6)集成方便。
DSP系统中的数字部件有高度的规范性,便于大规模集成。
退出缺点:
(1)处理简单的信号时,成本增加。
(2)高速时钟可能会带来高频干扰和电磁辐射等问题,而且,DSP系统消耗的功率也较大。
(3)DSP技术需要有丰富的数学知识,开发和调试工具还不尽完善。
虽然DSP系统存在着一些缺点,但其突出的优点已经使其在通信、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。
退出1.1.3DSP系统的设计过程退出1.1.4DSP的应用
(1)信号处理:
如数字滤波、快速傅里叶变换、谱分析等。
(2)自动控制:
如工业控制、引擎控制、机器人控制等。
(3)通信:
如数字移动电话、调制解调器、数据压缩、可视电话等。
(4)语音:
如语音的编码、合成、识别、存储等。
(5)图形图像。
如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、机器人视觉等。
(6)军事。
如保密通信、雷达处理、导航、导弹制导等。
(7)仪器仪表。
如频谱分析、函数产生等。
(8)医疗。
如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等。
(9)家用电器。
如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等。
退出1.2DSP芯片1.DSP芯片的特点
(1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。
(2)程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据。
(3)具有快速RAM,可通过独立的数据总线同时访问两块芯片。
(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。
(5)快速的中断处理和硬件I/O支持。
(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。
(7)可以并行执行多个操作。
(8)流水线操作,取指、译码和执行等操作可以并行执行。
(9)为适应一般系统的开发,片内具有一定容量的闪存(FlashMemory,简写为FLASH),可使得系统的体积更小。
退出1.2.2DSP芯片的基本结构
(1)哈佛结构:
主要特点是将程序和数据分别存储在不同的存储空间中,每个存储器独立编程,独立访问。
与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线,从而使数据的吞吐率提高了一倍。
(2)流水线操作:
处理器可以并行处理24条指令。
退出(3)专用的硬件乘法器:
通用微处理器中的乘法指令往往需要多个指令周期,而由于DSP芯片具有专用的硬件乘法器,使得乘法可在一个指令周期内完成,还可以与加法并行进行,即完成一个乘法和加法只需一个指令周期。
可见,高速的乘法指令和并行操作大大提高了DSP处理器的性能。
(4)特殊的DSP指令:
DSP芯片采用了一些特殊指令,这些特殊指令进一步提高了DSP芯片的处理能力。
退出1.2.3DSP芯片的分类
(1)按基础特性分类:
根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类。
静态DSP芯片:
在某时钟频率范围内的任何时钟频率上,DSP芯片都能正常工作,除计算速度有变化外,没有性能上的下降。
一致性DSP芯片:
指令集和相应的机器代码及管脚结构相互兼容的DSP芯片。
(2)按数据格式分类:
根据DSP芯片工作的数据格式分类。
定点DSP芯片和浮点DSP芯片。
(3)按用途分类分为通用型DSP芯片和专用型DSP芯片。
退出1.2.3DSP芯片的选择选择DSP芯片是非常重要的一个环节。
只有选定了DSP芯片才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。
总的来说,DSP芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。
DSP系统的应用场合和应用目的不同,对DSP芯片的选择也是不同的。
一般来说,选择DSP芯片时应考虑如下因素。
1运算量运算量是确定DSP处理能力的基础。
若运算量小则可选用处理能力不是很强的DSP芯片,这样可以降低系统的成本。
若运算量大则必须选用处理能力很强的DSP芯片。
退出2运算速度运算速度是一个最重要的性能指标,也是选择DSP芯片时所需要考虑的一个主要因素。
(1)指令周期:
即执行一条指令所需的时间。
(2)MAC时间:
即一次乘法加上一次加法的时间。
(3)FFT执行时间:
即运行一个N点FFT程序所需的时间。
(4)MIPS:
即每秒执行的百万条指令操作。
(5)MOPS:
即每秒执行的百万次操作。
(6)MFLOPS:
即每秒执行的百万次浮点操作。
(7)BOPS:
即每秒执行的十亿次操作。
退出3.价格应根据实际系统的应用情况,确定价格适中的DSP芯片。
4.硬件资源不同的DSP芯片的硬件资源是不相同的,如片内RAM、ROM的数量、外部可扩展的程序和数据空间、总线接口、I/O接口等。
即使是同一系列的DSP芯片(如TI的TMS320C24x系列)也具有不同的内部硬件资源。
应根据系统的要求来选择。
5.运算精度一般的定点DSP芯片的字长为16位,浮点芯片的字长一般为32位。
6.开发工具若有强大的开发工具支持,则开发时间就会大大缩短。
退出7功耗在DSP的某些应用场合,功耗也是一个需要特别注意的问题。
如便携式电子设备、野外应用的电子设备等对功耗有特殊的要求。
目前,3.3V供电的低功耗高速DSP芯片已大量使用。
8其他选择DSP芯片还应考虑到封装的形式、质量标准、供货情况、生命周期等。
退出第二第二章章TMS320LF240x的基本原的基本原理理TMS320LF240x的硬件的硬件结结构构TMS320LF240x的片内主要功能模的片内主要功能模块块存存储储器和器和I/O空空间间系系统统配置寄存器配置寄存器系系统统的中断管理的中断管理2.1TMS320LF240x的硬件的硬件结结构构1.TMS320LF240x的硬件的硬件结结构特点构特点
(1)含有两个事件管理器EVA和EVB。
每个事件管理器又包含有两个16位的通用定时器、8个PWM通道、可编程的PWM死区控制、3个捕获单元、正交编码脉冲电路、16通道的ADC电路等。
(2)采用静态CMOS技术,使得供电电压降为3.3V,30MIPS的执行速度使得频率在30MHz时指令周期缩短33ns。
(3)含有可扩展的192KB字外部存储器空间,其中64KB程序存储器空间,64KB数据存储器空间,64KBI/O寻址空间。
(4)基于TMS320C2xxDSP芯片的内核,保证了TMS320LF240x的代码与TMS320系列的其他DSP芯片代码兼容。
退退出出(5)含有高达32KB字的Flash程序存储器,1.5KB的数据/程序RAM,544B的双口RAM和2KB的单口RAM。
(6)含有可实现半双工或全双工通信的串行通信接口(SCI)模块。
(7)含有可单独编程或复用的通用输入/输出引脚共40个。
(8)含有两个电动机驱动保护中断、复位中断和两个可屏蔽外部中断。
(9)含有16位的串行外设(SPI)接口模块,提供了一个高速同步串行总线,可与带有SPI接口的芯片连接。
(10)含有3种低功耗模式的电源管理。
(11)含有一个看门狗定时器模块。
退退出出(12)含有基于锁相环的时钟发生器。
(13)它的10位A/D转换器最小转换时间为500ns,可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。
(14)含有控制器局域网络(CAN)2.0B模块。
退退出出2.1.2TMS320LF240x的引脚的引脚说说明明在TMS320LF240x系列的DSP中,不同型号芯片的引脚数是不同的。
TMS320LF2407A的引脚是该系列芯片的一个超集,即TMS320LF2407A涵盖了其他芯片的所有引脚。
退退出出TMS320LF2407A共有144个引脚,可分为以下几类:
事件管理器A(EVA)引脚;事件管理器B(EVB)引脚;模数转换器(ADC)引脚;通信模块(CAN/SPI/SCI)引脚;外部中断与时钟引脚;振荡器/PLL/FLASH/引导程序及其他引脚;JTAG仿真测试引脚;地址/数据和存储器控制信号引脚;电源引脚。
退退出出2.2TMS320LF240x的片内主要功能模的片内主要功能模块块1.中央中央处处理理单单元元(CPU)CPU是DSP的核心部件,主要进行取数、运算(加、乘、移位等)、送数的操作。
1.输入定标移位器TMS320LF240x芯片的数据总线是16位,而中央算术逻辑单元(CALU)是32位,为了把16位数据转换为32位,必须完成不同数据格式之间的转换,这个转换工作就是由输入定标移位器完成的。
因此,输入定标移位器的16位输入与数据总线相连,32位输出与CALU单元相连。
输入定标移位器作为从数据总线到CALU之间的数据传输路径的一部分,不会额外占用CPU的时钟开销。
退退出出2中央算术逻辑部分由32位的中央算术逻辑单元(CALU)、32位的累加器(ACC)以及32位的输出移位器组成。
注意几个问题:
(1)当加到累加器或从累加器减或将累加器数值移1位或循环移1位时将影响进位标志位C。
退退出出
(2)溢出方式位(OVM)决定累加器如何处理算术运算的溢出,当OVM=1且有溢出发生时,累加器自动填充最大值或最小值;当OVM=0时,累加器中的结果正常溢出。
(3)当未检测到累加器溢出时,其值为0;当溢出发生时,OV位被置1。
(4)根据被测试位的结果,测试控制标志位(TC)位被置1或0。
退退出出3乘法器TMS320LF240x系列DSP内有一个1616位的硬件乘法器,可以在一个机器周期内完成有符号或无符号数的乘法运算,乘积结果为32位。
工作原理如下:
TREG的内容和来自数据存储器或程序存储器中的数相乘,乘积存放到乘积寄存器(PREG)中(32位)。
然后,通过乘积移位器(PSCALE)将PREG的值在送往CALU或进行移位定标处理送入数据存储器。
退退出出乘积移位器根据状态寄存器ST1中的PM值的不同,可进行4种不同形式的移位操作。
PM移位00不移位01左移1位10左移4位11右移6位注:
移位后,PREG中的值不变。
退退出出2.2.2辅辅助寄存器算助寄存器算术单术单元元(ARAU)CPU中还有一个与CALU无关的辅助寄存器算术单元。
其主要功能是在CALU操作的同时执行8个辅助寄存器(AR0AR7)中的算术运算。
辅助寄存器提供了丰富、灵活而有效的间接寻址功能,使用任何一个辅助寄存器提供的16位地址,就可以访问64K字的数据空间。
当前辅助寄存器或当前的AR,由状态寄存器ST0中的辅助寄存器指针(ARP)指定。
在使用当前AR时,其内容即为将被访问的数据存储器的地址。
如果当前程序指令需要从数据存储器中读取数据,则AR将该数据单元的地址送至数据读地址总线;如果当前程序指令需向某个数据寄存器单元写数据,则AR将该地址送至数据写地址总线。
在执行完对数据存储器的操作后,可以通过对辅助寄存器的内容的加减来将辅助寄存器指向下一个即将被操作的数据单元。
退退出出2.2.3状状态态寄存器寄存器TMS320LF240x芯片内含有两个状态寄存器ST0和ST1,它们含有各种状态和控制位。
状态寄存器的内容可以被保存到数据寄存器,也可从数据寄存器中进行加载。
1状态寄存器ST0位1513121110980名称ARPOVOVM1INTMDP复位值X0X11XAODIOVNVTMP:
:
M:
溢:
数:
溢出据中出标存断方志储模位式器式。
位页位。
当指。
针中OV针IN央M。
T决利算M定9可术位全C逻的AMAL辑URDP屏、发单指蔽生LS元针或溢T发和指使出生指令能时溢令可所的出字以有处时中修的理,的改可方低状O屏式V态=7蔽。
1位寄,当连存直断接OV器到。
在M发=ST0IN生0时起T中复,=的位累形辅时、加成助,执器直寄使行中接存能以结O器寻果所V有正(指溢针未常出屏溢(A)蔽R1或P6的)位NO。
中当数V(在断据不OV间;存M溢接=储1出IN寻时单T)址M,为元=时根条地时用据件址,于溢的。
禁选出转可止择的移通所当情指过有前况令的LS辅,、可T助累或、屏寄加执LD蔽存器行P中指器被L断令S。
设T。
对指在置复其令成AR位修时它P或改被的可。
清装最屏载0大。
蔽时正中,值断原发先生的A(时R7PF(FT值RFA被PF复指Fh制令)到除或外负AR值B)中,(8。
IN0T0M00置0010,h)禁。
止S中ET断C、。
CLRC、LST指令均可修改OVM。
退退出出2状态寄存器ST115131211109876543210ARBCNFTCSXMC1111XF11PMX0X11111111100ACPTSXCFMCR:
NBM:
F进:
乘XF位符辅片积试引号助内移脚/。
扩寄控D位状加存展制A方态R法方器标式位A运式的志M位。
算位缓位配。
该结。
冲。
置若位器在S位决XPM指下M。
定=决生针列0当0定X进。
情F,C是引N位当况P否脚RF时EA=进的R0置P中T时行状C被的位1,符态装,被3可号。
载减2置位配扩时法SE乘1置展,运T:
积C的。
算由A指结RD结令BA果I原果可TSR不来X或A产对M移的=BM生该0I映位值T时借位T射直就,测位进到接被禁试时行数装复止的被置据入制符某清位存到号位CA,0储为LA。
RC空展B在L1;R中时间;执C若;;;行当用P指当M=令用带SNC0XON可RL1FMS6,=对1T位指时P指0其令R时令E进对G,装数输行累可据载出清加A配左DARD0置移B指。
CA最时的L令1U高,位D,使A的同后R若用两样装A产之M位的入生前映值CA进射也LU位行到被,符程复最号序结制低扩1存果到位,展储为否AL。
RS空真则BP执中以间时不行。
0。
影填A可响DD通该;SCM和过位若PRSS;UP指EBMT在S=令1指C执对、令,行当C时PL前R1R禁E6GA位C止R输指移与符出令位A号左R对的0S扩比移其U较展进4指位。
条行令后件修,装成改入立。
SE产CA时TC生LU。
、借,编C位移L程R时空C时指位令,以根0可,据0对否填T其则充C位不;的位影若状响PM态复该=1可位1进,。
行PR编程EG程序输时的出,跳进可转行根、符据调号C用扩的状展返右态进移。
行6位程。
序的在跳操转作、时调,用PR和EG返中回的。
内容保持不变。
SPM、LST指令可以修改PM的值。
退退出出2.3存存储储器和器和I/O空空间间在芯片的内部,已经对各部分存储器空间进行了分配,各个部分均有指定的应用条件。
因此在开发DSP控制系统时,对芯片存储器映射图的清醒认识是很重要的。
如程序存储器的0000h003Fh为内部中断的向量表空间,该区间只能存储向量表,而不可存储任何其他内容,否则,中断系统将无法工作。
再如程序存储器的0040h0043h、数据存储器的0400h04FFh、I/O空间的FF00hFF0Eh等均为系统的保留空间,用户不允许使用,否则将引起不可预见的后果。
另外,还应清楚哪些地址范围是特定的内部存储器(如ADC、SCI、SPI等)指定的地址空间,这些空间也是禁止占用的,只允许进行访问。
还有,应清楚哪些空间是系统留给外部扩展用的空间,这一点关系到系统资源的扩展,如外扩程序存储器或数据存储器以及外设接口等。
退退出出2.3.1程序存程序存储储器器寻址范围为64KB(包括片内DARAM和片内EEPROM/ROM)。
当访问片外程序地址空间时,TMS320LF2407自动产生一个访问外部程序地址空间的信号,如PS和DS等。
使用程序存储器中的FLASH空间时还要注意一点,即它有内部和外部两种工作方式,它是受状态系统配置寄存器2的位控制的。
退退出出系统复位后程序指针指向0000h处,程序从该处开始执行,一般要在该处加一条跳转指令使CPU自动转入用户程序的入口。
0000h-003Fh用于存储系统的中断向量表,当有中断请求信号时,CPU从该处取出中断子程序的入口地址。
FLASH的其他区域为用户程序区。
8000h87FFh为单口存储器(SARAM),仿真时,若程序较小,可将程序代码放入该区。
8800hFDFFh为用户扩展区。
退退出出在DSP系统的开发阶段,通常芯片外部扩展一个SRAM作为片外程序存储器以存储被调试的软件代码,以避免频繁对片内FLASH的写操作。
这样做的好处是既可节省开发时间,又可延长芯片的使用寿命。
退退出出2.3.2数据存数据存储储器器寻址范围为64KB。
0000h005Fh为专用寄存器区。
0060h007Fh为双口存储器DARAM(B2),为用户数据区。
0200h02FFh为双口存储器DARAM(B0),当CNF=0时为用户数据区。
0300h03FFh为双口存储器DARAM(B1),用户数据区。
0800h0FFFh为2K字的单口存储器SARAM,为用户数据区。
退退出出以上几个数据区为编程时经常用到的区域,用户可通过命令文件(*.CMD)将自己定义的某些变量安排到某个或某几个数据区中。
DSP对数据存储器空间的寻址方式有两种:
一种寻址方式为全16位地址的寻址;另一种寻址为按页进行寻址的方式。
按页进行寻址方式时,首先利用9条高位地址线将64KB的数据空间划分成512段,每段称为一个数据页(共512个)。
每个数据页有128B(低7位地址决定)。
每个数据页用数据页指针DP值表示(DP值由状态寄存器ST0中的9位数据定义)。
变量在数据页中的具体位置是由指令中的偏移量确定的(偏移量由编程者确定),它对应16位地址中的低7位。
寻址时首先找到变量的基地址(DP值),然后再加上地址偏移量即可。
数据页指针的使用给编程者带来了很大的方便,在编程时经常使用。
退退出出数据页(DP值)偏移量对应页的存储器地址00000000000000001111111第0页0000h007Fh00000000100000001111111第1页0080h00FFh00000001000000001111111第2页0100h017Fh11111111100000001111111第511页FF80hFFFFh数据页指针与其相应的地址分配关系退退出出2.3.3I/O空空间间I/O空间的寻址范围为64KB,其中0000hFEFFh为片外I/O端口使用。
I/O空间都可以用IN和OUT指令访问。
当执行IN或OUT指令时,信号将变成有效,因此可用信号作为外围I/O端口的片选信号。
访问外部并行I/O端口与访问程序、数据存储器共用相同的部分地址以及全部的数据总线,数据总线宽度为16位。
退退出出2.4系系统统配置寄存器配置寄存器2.4.1系系统统配置寄存器配置寄存器SCSR1(地址地址7018h)位15141312111098名-CLKSRCLPM1LPM0CLKPS2CLKPS1CLKPS0-位76543210名ADCCLKENSCICLKENSPICLKENCANCLKENEVBCLKENEVACLKEN-ILLADR位6715304121341:
SCE模ES无PVVCAC19数效NIAL2:
K:
模模地转O锁块低换址T相的功引检环(A时耗脚测D(P钟选时位)LL使择钟模。
)能位源块时在控。
选的钟检制这择时预测位两位钟定到。
位。
使标一当决当能选个该定该控择无位了位位效值位。
CP地为。
这U址在当110131时执位时该,行,决位该使定IC值DL位能对LK为O被该U指T1置模入模令引时块块时块时脚,1。
时钟芯输使置钟进片出能1且行进该C后P正正锁入模U需时常相那块要钟运运倍种时用;行行频低钟户当;的;功,用当该当软当耗系以数使该该模件位该。
式位位清位值A/D当值值。
值为0,转为1CL换时K00正P,时0S的常=,C0方L进0禁K0法O行U时是T;该引4对倍当模脚频该块输;位时出当值钟看1CL。
门。
KP检0S时时=测0,钟0到禁一时(W止个D2该C倍非L模K频法)块;。
地时当址钟CL将K(P会在S=产不01生用0一A时D个C1.时不33,可倍可屏频节蔽;约中CD断LSKP(NP的SI=能01量。
1消时耗1倍)频。
;当CLKPS=100时0.8倍频;CLKPS=101时0.66倍频;CLKPS=110时0.57倍频;CLKPS=111时0.5倍频。
退退出出2.3.2系系统统配置寄存器配置寄存器SCSR2(地址是地址是7019h)位1576543210名初0I/PQUAL0WDOVERRIDE1XMIFHI-Z0DON引脚引脚1PON1位位261534。
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片输W引X0MD:
I导入保F单护高/R口O外位阻M存程使。
控序能用制存位位户位。
SA可。
当RA通它选该M过的C的择位A软作P程控值1件用序制为将是6/位0数、控W时,据DXIC,又空RNT外使寄称间1部能存微选存引器2处择、储导中理控AD器的RO器制CS的MWD位O,/接CD微。
I地等口S控当址引控信制该空脚制号器两间被位。
模位指置00当式为定01位选0来h00值择禁特时为位止00,。
F0WD功地F时h工址,被通作空所片。
,过该有内向间该被的引位软位分导外件决写来配部定ROM到改存了1可块外变储输以占部该器入对用存位接到其,储值口这清该以信些方0;改引号。
式变当脚该(X禁存该信位MI止储两号为F)使被位处0用时映正于,FL确正01不AS锁常时能H存片驱,;通所内动当S过A需或模位R软A的片式值M件被最外为(来映接少。
1禁射通时脉止为,)冲该;禁WD数位当止;。
该引为当位导1位值0时空R时值为,O间M,为可,1;器时通允0当件,时过许该设所,软使两置有至件用为来位的F少LA需为外禁SH部控止510,个存制对时W时D储器,于工钟器模作ST周AM接式。
RS期A3口,20;被信程L当F映号序2位4射处存0值7为于储A为片高器内1阻地时数FL址,据AS范至空H,围少程间即需序0;0断011当0开h个该外器时两7F映钟位FF射周为h储地期被11器址。
映时接范射,口围到S信为片AR号A0M00。
F被0LhA同SH时;7F映F当射Fh位到。
值片为内程1时序,空器间件和设片置内为数微据处空理间器。
模式,程序存储器地址范围0000h7FFFh被映射到片外,即系统使用片外程序存储器,用户自己外扩程序存储器件。
退退出出2.5系系统统的中断管理的中断管理2.5.1中断中断简简介介在正常情况下CPU按照程序预定的路线运行,当外围设备(片内或片外)有事件产生需要CPU来处理时,即发出中断请求信号,CPU暂停工作,保留现场后自动转到该中断请求对应
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