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论文李欣洋

北方民族大学

学士学位论文

论文题目:

实验用DSP系统EVM板的设计与实现-硬件部分

院（部）名称:

电气与信息工程学院

学生姓名:

李欣洋

专业:

信息工程学号:

20050052

指导教师姓名:

郑华

论文提交时间:

2009年5月19日

论文答辩时间:

2009年5月23日

学位授予时间:

北方民族大学教务处

摘要

数字信号处理的任务，特别是实时处理的任务，在很大程度上需要由DSP器件或以DSP为核心的ASIC来完成．DSP芯片是一种具有特殊结构的微处理器。

可用来快速实现各种数字信号处理算法。

DSP技术在信号处理、通讯、雷达等方面应用越来越广泛，也对实验教学提出了更高要求。

实验用DSP系统的核心功能由信号处理模块实现，可实现下述功能；数据的输入和输出、各种常用算法的实现以及数据显示和处理等。

实验用DSP系统EVM板主要包括DSP处理器及外部存储器、接口部分、语音编/译码及通道、可编程逻辑器件（产生时钟以及DSPI/O扩展）、数码管、液晶显示屏、键盘等。

用户可在硬件平台上进行二次开发。

实验用DSP系统设计中，软硬件功能划分是将系统的总体功能具体划分到软件和硬件中,整个调试过程可以分为三个部分,独立的硬件调试和软件调试,以及系统联调.独立的软件调试确保整个信号处理的算法正确并能够保证足够的计算精度（性能指标）,系统联调是将硬件和软件整合起来调试,从中发现问题并做相应修改。

关键词：

DSP，EVM，信号处理

ABSTRACT

TheDSPiswidelyusedindigitalsignalprocessingtasks,especiallyinreal-timeprocessingtasks.itisalsothecoreASICbasedonspecialstructureinDSPsystem.TheDSPCanbeusedtoquicklyachieveavarietyofdigitalsignalprocessingalgorithms.DSPtechnologyinsignalprocessing,communications,radarfields.Thespecialrequirementiscomingfromhighereducation.

ExperimentalsystembasedonDSPcoreistoachievedbythesignalprocessingmodule;datainputandoutput,therealizationofavarietyofcommonlyusedalgorithmsanddatadisplayandprocessing.ExperimentalEVMboardwithDSPsystemsincludingDSPprocessorsandexternalmemoryinterfaceofthevoiceencoder/decoderandthechannel,programmablelogicdevice（aswellasclockgenerationDSPI/Oexpansion）,digitalcontrol,LCDdisplay,keyboard,etc.Userscancarryoutthehardwareplatformintheseconddevelopment.

ExperimentaldesignofDSPsystems,hardwareandsoftwarefunctionalityisdividedintotheoverallfunctionofthesystemspecifictothesoftwareandhardwaredivision,theentiretestingprocesscanbedividedintothreeparts,independentofhardwaredebugandsoftwaredebugging,aswellastheFBIsystem.Independentsoftwaredebuggingtoensurethattheentiresignalprocessingalgorithmstoensurecorrectandadequateaccuracy（performanceindicators）,thesystemistheFBIintegratedhardwareandsoftwaredebugging,toidentifyproblemsandmakeconsequentialamendments.

KEYWORDS:

DSP,EVM,signalprocessing

目录

前言5

第一章DSP芯片结构及原理7

1.1DSP芯片特点及应用7

1.1.1DSP发展历史7

1.1.2DSP系统的特点7

1.1.3DSP芯片的选择9

1.2TMS320C54X系列主要特点9

1.2.1CPU部分9

1.2.2芯片外围电路10

1.2.3TMS320C54xDSP芯片内部硬件功能单元11

第二章DSP实验系统总体方案12

2.12.1实验用DSP系统EVM板原理电路设计12

2.1.1主模块12

2.1.2外围电路12

2.1.3电源产生电路13

2.1.4A/D/A电路13

2.1.5逻辑控制电路15

2.2DSP应用系统设计开发过程17

第三章DSPEVM板硬件设计20

3.1TMS320C54XEVM硬件平台结构20

3.2TMS320C54XEVM对主机的要求21

3.3TMS320C54XEVM操作22

3.31TMS320C54X存储接口22

3.32PC/AT主机接口22

3.33TMS320C54XI/O接口26

3.4主机与目标处理器的通信30

3.5外部串行口31

3.6模拟接口32

第四章EVM板硬件初始化配置36

4.1存储器配置36

4.2缓冲串口BSP的初始化37

4.3主机接口HPI的初始化38

4.4定时器初始化39

4.5中断的初始化39

第五章FIR数字滤波算法在EVM板上的软件实现42

5.1FIR滤波器的基本原理和设计方法42

5.2FIR数字滤波器的设计与分析42

结论44

参考文献45

致谢46

附录1：

英文原文47

附录2：

中文译文53

前言

数字信号处理，或者说对信号的数字处理（包括对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等），是20世纪60年代前后发展起来的并广泛应用于许多领域的新兴学科。

进入70年代以来，随着计算机、大规模集成电路和超大规模集成电路，以及微处理器技术的迅猛发展，数字信号处理无论在理论上还是在工程应用中，都是目前发展最快的学科之一，并且B趋完善和成熟。

下图是数字信号处理系统的简化框图。

此系统先将模拟信号变换为数字信号，经数字信号处理后，再变换成模拟信号输出。

其中抗混叠滤波器的作用．是将输入信号x（t）中高于折叠频率（其值等于采样频率的一半）的分量滤除，以防止信号频诺的混叠。

随后，信号经采样和久A／D变换后，变成数字信号x（n）。

数字信号处理器对x（n）进行处理，得到输出数字信号y（n），经D／A变换器变成模拟信号。

此信号经低通滤波器，滤除不需要的高频分量，最后输出乎滑的模拟信号y（t）。

图1数字信号处理系统的简化框图

实际的数字信号处理系统，并不一定要包括上图所示的所有方框。

例如，有的系统只需输出数字信号，不需要D／A变换器；有的系统的输入已经是数字信号，也就不需要采样／保持器和A／D变换器了；对于纯数字系统，则只需要数字信号处理器这一核心部分即可。

数字信号处理技术已广泛应用于数字通信、雷达、遥感、声纳、语音合成、图像处理、测员勺控制、高清晰度电视、数字音响、多媒体技术、地球物理学、生物医学工程、振动工程以及机器人等各个领域。

随着科学技术的发展，其研究范围和应用领域还在不断地发展和扩大。

数字信号处理技术之所以发展得这样快，应用得这样广，是与它的突出优点分不开的。

归纳起来．它有以下4个方面的优点：

（1）精度高。

（2）灵活性大。

（3）可靠性高。

（4）时分复用。

数字信号处理技术的实现方法，可以分为3类

（1）软件实现法。

（2）硬件实现法。

（3）软硬件结合实现法。

第一章DSP芯片结构及原理

1.1DSP芯片特点及应用

1.1.1DSP发展历史

在数字信号处理技术发展的初期（上世纪50-60年代），人们只能在微处理器上完成数字信号的处理。

一般认为，世界上第一个单片DSP芯片是1978年AMI公司发布的S2811o1980年，日本NEC公司推出的D7720是第一个具有硬件乘法器的商用DSP芯片，从而被认为是第一块单片DSP器件。

随着大规模集成电路技术的发展，1982年美国德州仪器公司柜橱世界上第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品，标志着实时数字信号处理领域的重大突破。

TI公司随后推出了第二代DSP芯片TMS32020及其系列，至今，TI公司己经推出了其第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X,TMS320C64X等芯片。

美国AnalogDevice公司在DSP芯片市场也有一定的份额，推出了一系列具有自己特色的DSP芯片，如其定点的DSP芯片ADSP2101/2103/2105,ADSP2111/2115,ADSP2161/62/64，浮点DSP有ADSP21000/020,ADSP21060/21062等。

20世纪80年代以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，从运算速度来看，MAC（一次乘加运算）时间已经从80年代初期的400ns降到了10ns以下（如TI公司的TMS32054X.TMS320C62X/67X等），处理能力提高了几十倍。

DSP芯片的引脚数量从1980年的64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加也加强了结构的灵活性.

1.1.2DSP系统的特点

DSP芯片的基本结构包括：

（1）哈佛结构；

（2）流水线操作；

（3）专用的硬件乘法器；

（4）特殊的DSP指令；

（5）快速的指令周期。

哈佛结构

哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，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。

由于程序和存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠。

流水线与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行的时间，从而增强了处理器的处理能力。

处理器可以并行处理二到四条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。

专用的硬件乘法器

乘法速度越快，DSP处理器的性能越高。

由于具有专用的应用乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。

特殊的DSP指令DSP芯片是采用特殊的指令。

快速的指令周期哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。

数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部特点：

接口方便：

DSP系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容，这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易的多。

编程方便：

DSP系统种的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。

稳定性好：

DSP系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高。

精度高：

16位数字系统可以达到的精度。

可重复性好：

模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统基本上不受影响，因此数字系统便于测试，调试和大规模生产。

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。

DSP芯片的上述特点，使其在各个领域得到越来越广泛的应用。

1.1.3DSP芯片的选择

设计DSP应用系统，选择DSP芯片时非常重要的一个环节。

只有选定了DSP芯片才能进一步设计外围电路集系统的其它电路。

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。

一般来说，选择DSP芯片时考虑如下诸多因素。

1．DSP芯片的运算速度。

运算速度是DSP芯片的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。

DSP芯片的运算速度可以用以下几种性能指标来衡量：

（1）指令周期。

就是执行一条指令所需要的时间，通常以ns为单位。

（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。

即每秒执行百万条指令。

（5）MOPS。

即每秒执行百万次操作。

（6）MFLOPS。

即每秒执行百万次浮点操作。

（7）BOPS。

即每秒执行十亿次操作。

2．DSP芯片的价格。

根据一个价格实际的应用情况，确定一个价格适中的DSP芯片。

3．DSP芯片的硬件资源。

4．DSP芯片的运算速度。

5．DSP芯片的开发工具。

6．DSP芯片的功耗。

1.2TMS320C54X系列主要特点

1.2.1CPU部分

（l）先进的多总线结构，具有1条程序存储器总线、3条数据存储器总线和4条地线。

（2）40位算术逻辑运算单元（ALU），包括40位的桶形移位寄存器和2个独立的

位的累加器。

（3）17位X17位并行乘法器与40位专用加法器相连，用于非排流水线的单周期乘加操作。

（4）比较、选择、存储单元（CSSU）。

（5）指数编码器可以在单个周期内计算40位累加器中数值的指数。

（6）双地址生成器包括8个辅助寄存器和两个辅助寄存器算术运算单元（ARAU）。

（7）l92K字寻址存储空间（64K字程序存储器、64K字数据存储器以及64空间），在C548和C549中存储空间可扩展至8M字。

（8）片内ROM，可配置为程序／数据存储器。

（9）片内双寻址RAM（DARAM）。

（10）片内单寻址RAM（SARAM）（仅’C548和’C549）。

C54x中的DARAM分成若干块。

由于在每个机器周期内，允许对同一DARAM块寻址（访问）2次，因此cPu可以在一个机器周期内对同一DARAM块读出1次和写入1次。

一般情况下，DARAM总是映象到数据存储器空间，主要用于存放数据。

但是，它也可以映象到程序存储器空间，用来存放程序代码。

1.2.2芯片外围电路

（1）软件可编程等待状态发生器。

（2）可编程分区转换逻辑电路。

（3）带有内部振荡器或用外部时钟源的片内锁相环（PLL）时钟发生器。

（4）全双工串行口，支持8位或16位传送（仅‘C541、‘LC545和，‘LC546）。

（5）时分多路（TDM）串行口（仅‘C542、’C543、’C548和‘C549）。

（6）缓冲串行口（BSP）（仅’C542、’C543、’LC545、’LC546、‘C548和’C549）。

（7）16位可编程定时器。

（8）8位并行主机接口（HPl）（‘L542、’LC545、’C548和’C549）。

（9）外部总线关断控制，以断开外部的数据总线、地址总线和控制信号。

（10）数据总线具有总线保持器特性。

电源

（11）可用IDLE1、IDLE2和IDLE3指令控制功耗

（12）CLOCKOUT输出信号可以关断。

（13）具有符合IEEEll49．1标推的在片仿真接口

1.2.3TMS320C54xDSP芯片内部硬件功能单元

（l）中央处理单元（CPU）。

可以进行高速并行算术和逻辑处理。

（2）内部总线结构。

TMS320C542DSP芯片有八条16位总线，包括四条程序/数线和四条地址总线，因此，可以在每个指令周期内产生两个数据存储地址，大大提并行数据处理数度。

（3）特殊功能寄存器。

TMS320C542DSP芯片有26个特殊功能寄存器，用于对各功能模块进行控制。

（4）数据存储器。

TMS320C542DSP芯片的数据存储器为10KDARAM。

DARAM访问RAM。

（5）程序存储器。

TMS320C542DSP芯片的程序存储器为2KROM。

（6）I/O端口。

TMS320C542DSP芯片只有两个通用I/O。

（7）主机通信接口（HPI）。

HPI提供与主储器接口的并行接口。

通过TMS320C542芯片片内存储器实现。

TMS320C542DSP芯片与主处理器之间的信息交换。

（8）串行接口。

TMS320C542DSP芯片有一个带缓冲的同步串行接口（BSP）和时分复用端口（TDM）。

（9）定时器。

TMS320C542DSP芯片具有一个带4位预定标器的16位定时电路。

器可以有专门的状态编程实现停止、重启动、复位和禁止。

定时器计数器每次减少，则产生一个定时中断。

在每个CLKOUT周期，定时器计数器减少1。

（10）中断系统。

TMS320C542DSP芯片的中断可以由硬件驱动（硬件中断）或软动（软件中断）。

当中断产生后，TMS320C542DSP芯片会挂起它的主程序，而中断服务程序，而执行中断服务程序（ISR）。

一般的，中断由需要去数据或给数硬件器产生（例如ADC、DAC和其他处理器等）。

上述硬件功能单元将在下面的章节中有选择地加以介绍，并为之增加初始化设置。

第二章DSP实验系统总体方案

2.1实验用DSP系统EVM板原理图

实验用DSP系统的核心功能由信号处理模块实现，可实现下述功能；数据的输入和输出、各种常用算法的实现以及数据显示和处理等。

实验用DSP系统EVM板主要包括DSP处理器及外部存储器、接口部分、语音编/译码及通道、可编程逻辑器件（产生时钟以及DSPI/O扩展）、数码管、液晶显示屏、键盘等。

用户可在硬件平台上进行二次开发。

如图2.1-1实验用DSP系统EVM板原理框图所示

图2.1-1实验用DSP系统EVM板原理框图

2.1.1主模块

主要包含DSP芯片TMS320VC5416，它是整个EVM板的核心，负责对信号的处理，实现各种常用算法。

图2.1-2DSPEVM板电路原理图

2.1.2外围电路

1.39LF400（FlashROM），用于装载DSP程序代码；

2.MAX706R，硬件复位及看门狗电路；

3.74LCX245，实现DSP芯片接口电平（3.3V）与其他外围电路接口电平（5V）之间的转换。

图2.1-3DSPEVM板外围电路FlashRA、硬件复位看门狗和电平转换电路

2.1.3电源产生电路

主要含TPS767D301，其功能是产生DSP所需电源，由其产生的1.8V和3.3V直流电源分别供给DSP芯片内核和外部接口。

图2.1-4DSPEVM板外围电路FlashRA、硬件复位看门狗和电平转换电路

2.1.4A/D/A电路

A/D/A电路，主芯片采用TMS320AIC10芯片，该芯片同时具备模/数转换和数/模转换功能，数据接口采用同步串行模式。

DSP芯片TMS320VC5416通过自身的同步串行口与TMS320AIC10进行数据交换。

图2.1-5DSPEVM板信号A/D/A电路

2.1.5逻辑控制电路

逻辑控制电路，主要含CPLD芯片XCR3064XL，负责整个系统的时序产生和逻辑控制，如时钟分频、地址译码、控制信号产生等

图2.1-6DSPEVM板逻辑控制电路

2.2DSP应用系统设计开发过程

设计需求规范，确定设计目标时，其实要解决二个方面的问题：

即信号处理方面和非信号处理的问题。

信号处理的问题包括：

输入、输出结果特性的分析，DSP算法的确定，以及按要求对确定的性能指标在通用机上用高级语言编程仿真。

非信号处理问题包括：

应用环境、设备的可靠性指标，设备的可维护性，功耗、体积重量、成本、性能价格比等项目。

算法研究与仿真这是DSP应用实际系统设计中重要的一步。

系统性能指标能否实现，以何种算法和结构应对需求，都是在这一步考虑的。

这种仿真是在通用机上用高级语言编程实现的，编程时最好能仿DSP处理器形式运行，以达到更好的真实性。

DSP芯片选择中通常有下列几条应注意的：

（1）精度：

表数格式（定点或浮点），通常可以用定点器件解决的问题，尽量用定点器件，因为它经济、速度快、成本低，功耗小。

但是在编程时要关注信号的动态范围，在代码中增加限制信号动态范围的定标运算。

（2）字长的选择：

一般浮点DSP芯片都用32位的数据字，大多数定点DSP芯片是16位数据字。

而MOTOROLA公司定点芯片用24位数据字，以便在定点和浮点精度之间取得折中。

字长大小是影响成本的重要因素，它影响芯片的大小、引脚数以及存储器的大小，设计时在满足性能指标的条件下，尽可能选用最小的数据字。

（3）存储器安排：

包括存储器的大小，片内存储器的数量，总线寻址空间等。

片内存储器的大小决定了芯片运行速度和成本，例如TI公司同一系列的DSP芯片，不同种类芯片存储器的配置等硬件资源各不相同。

（4）开发工具：

在DSP系统设计中，开发工具是必不可少的，一个复杂的DSP系统，必须有功能强大的开发工具支持。

开发工具包括软件和硬件两部分。

软件开发工具主要包括：

C编译器、汇编器、链接器、程序库、软件仿真器等，在确定DSP算法后，编写的程序代码通过软件仿真器进行仿真运行，来确定必要的性能指标。

硬件开发工具包括在线硬件仿真器和系统开发板。

在线硬件仿真器通常是JTAG周边扫描接口板，可以对设计的硬件进行在线调试；在硬件系统完成之前，不同功能的开发板上实时运行设计的DSP软件，可以提高开发效率。

甚至在有的数量小的产品中，直接将开发板当作最终产品。

（5）功耗与电源管理：

在一些手提便携式的消费类电子产品中，供电电源的节省是很重要的问题，因而目前DSP生产厂商越来越重视这方面。

它通常包括供电电压的选择和电源的管理功能。

供电电压一般取得比较低，实施芯片的低电压供电，通常有3.3V，2.5V，1.8V，0.9V等，在同样的时钟频率下，它们的功耗将远远低于5V供电电压的芯片。

加强了对电源的管理后，通常用休眠、等待模式等方式节省功率消耗。

例如TI公司提供了详细的、功能随指令类型和处理器配置而改变的应用说明。

（6）成本和厂家的销售后服务：

特别要注意DSP芯片的生产和主推产品，以便以低的成本实施来要求产品。

但低价位的芯片必然是功能较少、片内存储器少、性能上差一些的，这就带给编程一定的困难。

（7）支持多处理器：

近来各类软件在无线电产品及雷达中的应用中，都需要能处理高数据率、大运算量的应用系统。

单一的处理器系统已难以承担这类复杂任务，因而采用多个处理器并行工作。

这种情况下，各处理器之间连接和通讯功能是必须要作为主要因素予以考虑的。