定点数字信号处理器（DSP） 技术与应用 16位定点DSP—ADSP218X/219X.

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1 定点数字信号处理器（DSP） 技术与应用 16位定点DSP—ADSP218X/219X

2 课程的主要内容和目的 本课程主要介绍 ADSP-218X / 219X系列16位定点DSP的体系结构和软/硬件开发环境，通过几个典型的实验使大家初步掌握DSP系统的硬件构成、 软件开发以及系统的综合调试方法。 课程的重要性： —— 直接面向应用。 —— IT工程师三大实用技能 * PCB设计 * DSP应用 * FPGA应用 a

3 第一部分 数字信号处理器（DSP）概述 a

4 数字信号处理及数字信号处理器（DSP） Digital Signal Processor

5 数字信号处理 数字信号处理的特点 a 模拟/数字转换 A/D Converter 数字信号 处理运算 数字/模拟转换 待处理 的信号 处理后
D/A Converter 数字信号处理的特点 特别强调运算处理的实时性（Real-Time Capability) a

6 数字信号处理器（DSP）结构特点 — DSP面向高性能、重复性、数值运算密集型的实时处理，它具有适合数字信号处理算法的指令、适合数字信号处理数据结构的存储器结构和寻址机构、并行处理能力和嵌入式性能等。其体系结构一般具有以下特点： 采用分离地址与数据总线的哈佛结构（CPU：冯 .诺伊曼结构），有着较高的指令执行速度，但结构复杂需要两套地址产生电路。 采用流水线技术，使取指、译码、取操作数、执指等步骤并行完成，提高了指令的执行速度。 除了算数逻辑单元（ALU）外，具有独立的乘加器，使其能够在一个周期内完成相乘和累加两个操作，加快了各种典型处理算法的处理速度。 具有适用于典型处理算法的特殊存储器寻址方式，如循环寻址、位反序寻址等。 针对实时处理的专用的数据接口（RAM、DMA、SPORT，etc.)，使数据的存取速度得以提高。 专门的指令流控制逻辑，如无附加开销的循环转移指令。 集成度高，能够实现单片、低功耗的处理系统。 a

7 数字信号处理器（DSP）的应用领域 通用数字信号处理（数字滤波、卷积、相关、变换等）
通信（高效调制/解调、编/解码器、自适应均衡、IP处理、软件无线电等） 语音处理（语音识别/合成/压缩/解压缩等） 图形/图象处理（图象变换、模式识别、图象压缩/解压缩等） 自动控制（高精度、高速度伺服控制） 军事/航空/航天（雷达/声呐信号处理、雷达成像、制导/火控系统、导航/定位系统、战场C3I系统等） 消费电子（数字高清晰度电视（HDTV）、CD/VCD/DVD编解码器、多媒体信息处理、汽车电子等）

8 DSP的典型应用—MPEG-4因特网摄像机

9 DSP的分类 —— 主要分为通用DSP和专用DSP两大类
TI公司的TMS320系列 AD公司的ADSP21XX系列 专用DSP：针对某种具体应用而设计，所要实现的处理算法 由硬件直接实现。运算处理速度极高，但完成的 算法单一、精度和动态范围有限，需要与外围电 路配合才能构成系统，功耗也较大，因此应用范 围较窄， 主要应用于仪器/ 仪表以及军事等需要 极高处理能力的领域。 主要产品：FFT专用DSP、卷积/相关器、复乘加 器等。 * 用ASIC/FPGA实现的DSP

10 DSP的分类 16bit 定点DSP 24bit 定点DSP 嵌入式DSP 定点 DSP 32bit浮点DSP 32bit浮点并行DSP
横向滤波器 FFT 复乘/累加器 求模/相角

11 数字信号处理器（DSP）的开发与调试 — DSP系统的设计分为硬件/软件两个部分。两者可以在各自的开发平台上分别进行前期设计与调试，然后进行系统的联调。具体开发流程如图所示。 硬件设计 — DSP选型/系统结构确立 — 性能/功耗分析 — 开发周期/成本分析 — 电路设计/调试 调试工具： DSP在线硬件仿真器（Emulator)、DSP开发/评估板（Evaluation Board)、 示波器、逻辑分析仪。 软件设计 — 算法确定/程序流程图 — 软件编制（汇编/C语言） — 汇编/编译/链接 — 软件模拟 汇编/编译/链接程序，软件模拟/调试器（Simulator/Debugger) 系统联调——对整个系统的软/硬件进行的综合调试。 调试工具：硬件仿真器、DSP开发/调试集成环境（IDE/IDDE）、DSP OS，etc.

12 ADSP-218x在线仿真器

13 ADSP-218x开发/评估板

14 ADSP-218x开发/评估板所包含的功能部件

15 DSP系统的开发流程图—系统级设计 软件设计 硬件设计 系统功能要求 系统性能及算法模拟 处理速度、开发周期、 体积、成本，功耗、
供货、升级 器件选型： DSP型号、存储器、I/O、 FPGA、A/D、D/A 系统设计框图 硬件设计 软件设计

16 DSP系统的开发流程图—电路/软件设计 软/硬件系统联调 电路原理图设计 软件流程图绘制 汇编算法库 生成电路网表 高级语言程序设计
汇编语言程序设计 实时运行库 设计印制电路板 编译 汇编 印制板制造 链接 器件安装 示波器 逻辑分析仪 软件模拟 修正 硬件调试 软/硬件系统联调

17 DSP系统的开发流程图—系统联调 系统在线仿真 硬件电路 软件程序 PC机仿真 仿真结果? 连接外部设备 固化程序 嵌入系统设备进行联调
有误错 修正 连接外部设备 固化程序 嵌入系统设备进行联调 示波器 逻辑分析仪 综合测试 否 满足系统要求? 否 修正 修正 成品制造

18 DSP及其开发的新趋势 单片系统（System-On-Chip)
—— 随着VLSI技术的发展，针对一定的应用领域，可以使整个系统以DSP为核心进行设计，并将应用中所涉及的诸如 RAM、I/O、A/D、D/A等附加电路单元全部集成在一片IC芯片中，并且包括处理单元在内的各功能块都具有可重定义特性（Re-Configurable) . 这样一来，系统以后的功能扩展与升级将非常简单，只需要重新编写软件程序即可。同时系统的功耗会大大的降低， 可靠性会大大的提高。而这对便携/移动应用非常重要。 模块化设计 —— DSP及支持芯片/软件生产厂商，均依据一定的标准，设计生产电路板级DSP处理模块， 同时为这种模块提供丰富的符合标准的软件开发系统和算法资源库。 这样做的好处是降低了硬件设计难度、 减少了硬件设计时间， 更重要的是模块化设计得到了丰富的软件支持，大大提高了设计效率。

19 二进制代数复习 a

20 DSP中的二进制数表示方法 ADSP-2100系列定点数DSP使用2的补码进行操作。若要有效地对该系列DSP进行编程，了解以下概念及定义是非常重要的。 1) 有符号 / 无符号数格式 2) 小数 / 整数格式 3) 小数的范围 4) 16进制到2进制的转换 5) 2进制到16进制的转换 a

21 2进制（Binary ）- （16进制）Hexadecimal – 10进制（Decimal ）数据转换表
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 a

22 有符号数与无符号数 0x0000 0V (最小负值) 无符号数 0xFFFF 5V (最大正值) 0x8000 -5V (最小负值)
S/U U U U U U U U U U U U U U U U 15 2进制表示 实际物理量 0x0000 0V (最小负值) 无符号数 0xFFFF 5V (最大正值) 0x V (最小负值) 有符号数 0x0000 0V 0x7FFF 5V (最大正值) a

23 有符号数（原码）与2的补码 有符号数（原码）的最高位（MSB）为符号位。 1——表示负数 0——表示正数
1——表示负数 0——表示正数 * 有符号数（原码）“0”有两种表示方法（+/-0）。 * 有符号数（原码）的运算比较复杂，类似于正负数的笔算 ，先要比较两个数绝对值的大小，然后确定如何计算，最 后在确定符号位。 2的补码——Xcmp = 2^n + X (n-字长位数） * 性质：正数的补码与其原码相同。负数的补码仍是负数，它是 将其原码的符号位保持不变而将其数值部分求补得到。 “0”在补码中的表示是唯一的。 * 补码的求法：一个负数的补码等于其原码除符号位保持不变外 ，其余各位按位求反，再在最低位加1。 * 补码的运算：符号位与数值位一样参加运算（若符号位有进位 则丢弃）。 * 溢出的判别：“双高位判别法” Cs：最高位（符号位）的进位情况。 若有进位，Cs = 1; Cp：数值部分的最高位的进位情况。若有进位，Cp = 1; Overflow = Cs xor Cp

24 2的补码表示方法 对于2的补码表示法， 一个数符号位的位权值是-(2)^(M-1)，M是2进制小数点左边的位数。对于一个 4.2 型式的数字, 符号位的位权值是 -(2^3). -2 -1 3 1 2 -(2 ) 符号位 2进制小数点 例子: = 0 * (-8) + 1 * (4) + 0 * (2) + 1 * (1) + 0 * (1/2) + 1 * (1/4) = 5.25 = 1 * (-8) + 1 * (4) + 0 * (2) + 1 * (1) + 0 * (1/2) + 1 * (1/4) = a

25 小数与整数表示法 • 1.15型式的小数格式 a S F F F F F F F F F F F F F F F •
• 1.15型式的小数格式 S F F F F F F F F F F F F F F F • 小数点 • 16.0型式的整数格式 S I I I I I I I I I I I I I I I • 小数点 a

26 DSP是针对小数表示型式 进行优化设计的 DSP也支持整数表示型式 a

27 16位二进制数的表示范围 a 格式 最大10进制正数 (0x7FFF) 0.999969482421875
最大10进制负数 (0x8000) –1.0 –2.0 –4.0 –8.0 –16.0 –32.0 –64.0 –128.0 –256.0 –512.0 –1024.0 –2048.0 –4096.0 –8192.0 – – 最低有效位（ LSB ） 为‘1’时的10进制数值 (0x0001) 格式 1.15 2.14 3.13 4.12 5.11 6.10 7.9 8.8 9.7 10.6 11.5 12.4 13.3 14.2 15.1 16.0 小数 整数 a

28 不同数制表示实例 a +5 V 0x7FFF 1 2 0 V 3 0x0000 4 5 -5 V 0x8000 格式 16.0 1.15
1) 0x7FFF 5 V 2.5 V 0 V -2.0 V -5.0 V = > = > = > = > = > > > > > > 5 V 2.5 V 0 V -2.0 V -5.0 V 2) 0x3FFF 3) 0x0000 4) 0xCCCD 5) 0x8000 a

29 16进制(1.15 格式)到10进制转换 a 有两种将16进制数转换为10进制数的方法，一种简单，一种较复杂.
复杂的方法 : 先将16进制数转换成2进制数. 确定小数点的位置. 将每一位的2进制位数值乘以其响应的位权值。 例子: 将 0x2A00（ 以1.15 、2的补码格式表示）转换10进制数值 0x2A00 = = 2^-2 + 2^-4 + 2^-6 = = = = 1/3 简单的方法 : 先将16进制数直接转换成10进制数（整数—整数）。再用转换后的10进制数除以2^N，N是2进制小数点右边的位数。 0x2A00 <=> / 2^15 = / = a

30 10进制到16进制转换 (1.15 格式) a 0.8125 => => 0x6800
有两种将10进制数转换为16进制数的方法，一种简单，一种较复杂. 复杂的方法: 将10进制数用其2^N 的型式表示出来。 例子: 将0.8125转换成以1.15、 2的补码表示的16进制数值 简单的方法: 将10进制数乘以2^N ，N是1.15格式小数点右边的位数值。然后再计算16进制数值。 * 2^15 = * = <=> 0x6800 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1/2 1/4 1/8 1/16 1/32 1/64 1/128 => 1 1 1 => 0x6800 a