D S P 技 术 及 应 用

主讲教师 李璟 博士Tel ： 86875672 1318508172

8

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 《 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。

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

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

1.1 TMS320 系列 DSP 概况 数字信号处理系统框图

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。

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。

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。

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。

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。

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

1.1 TMS320 系列 DSP 概况 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 （ 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。

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。

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。

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。

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 TMS32

0C3x 、 TMS320C4x 等。

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）

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。

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。

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 。

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：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：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定点表示并不意味着一定是整数表示示。

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。

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% ；

1.1 TMS320 系列 DSP 概况（ 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 D

SP 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（ 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

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 11. TMS320 系列 DSP 发展历程

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。

1.1 TMS320 系列 DSP 概况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 R

AM 。 • 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4. C5x系列简介 C5x 系列 DSP 芯片包括 C54x 和 C55x 两大类 • • C54xC54x ：：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 • C55x ：是 C5000 系列 DSP 中的子系列，是从 C

54x 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/MIP

S 。 工作在 400MHz 钟频时，可达 800MIPS 。和 1

20MHz 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 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 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。

1.2 TMS320LF240x芯片概述 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 (30M

IPS) 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 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 10 位 ADC转换器，其特性为 :最小转换时间为 50

0ns 、 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 ) 。

1.3 TMS320LF240x DSP CPU 控制器的功能结构图C2xxDSPCore

DARAM (B0)256 Words

DARAM (B1)256 Words

DARAM (B2)32 Words

PLL Clock

10 bit ADC(With Twin

Autosequencer)

SCI

SARAM (2K Words)

Flash(32K Words:

4K/12K/12K/4K)

SPI

CAN

WD

External MemoryInterface

Event Manager A ● 3 × Capture Input ● 6 × Compare / PWM Output ● 2 × GP Timers / PWM

Digital I / O(Shared With Other

Pins)

JTAG Port

Event Manager A ● 3 × Capture Input ● 6 × Compare / PWM Output ● 2 × GP Timers / PWM

PLLFPLL VCCAPLLF2XTAL1/CLKINXTAL2ADCIN00~ADCIN07ADCIN08~ADCIN15VCCAVSSA

VREFHI

VREFLOXINT2/ADCSOC/IOPD0SCITXD/IOPA0SCITXD/IOPA1SPISIMO/IOPC2SPISIMI/IOPC3SPICLK/IOPC4SPISTE/IOPC5CANTX/IOPC6CANRX/IOPC7

Port A(0~7) IOPA[0:7]Port B(0~7) IOPB[0:7]Port C(0~7) IOPC[0:7]Port D(0) IOPD[0]Port E(0~7) IOPE[0:7]Port F(0~6) IOPF[0:6]

TRSTTDOTDITMSTCKEMU0EMU1

PDPINTBCAP4/QEP3/IOPE7CAP5/QEP4/IOPF0CAP6/IOPF1

PWM7/IOPE1PWM8/IOPE2PWM9/IOPE3PWM10/IOPE4

PWM11/IOPE5PWM12/IOPE6T3PWM/T3CMP/IOPF2T4PWM/T4CMP/IOPF3

TCLKINB/IOPF5TDIRB/IOPF4

XINT1/IOPA2

RSCLKOUT/IOPE0

BIO/IOPE0MP/MC

TMS2

VDD (3.3V)

BOOT_EN/XF

A0~A15

PS, DS, ISR/W

VIS_OE

WE

READY

W/R/IOPC0

STRB

PDPINTACAP1/QEP1/IOPA3CAP2/QEP2/IOPA4

CAP3/IOPA5PWM1/IOPA6

PWM2/IOPA7PWM3/IOPB0PWM4/IOPB1

PWM5/IOPB2PWM6/IOPB3

T1PWM/T1CMP/IOPB4T2PWM/T2CMP/IOPB5

TCLKINA/IOPB7

VSS

D0~D15

TDIRA/IOPB6

ENA_144

RD

VCCP (5V)TP2TP1

1.4 TMS320LF240x DSP 引脚功能介绍 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)

1.5 TMS320LF240x DSP 存储器映射图FLASH 扇区0 (4K)中断向量(0000~003Fh)保留†(0040~0043h)用户代码开始于0044h

存储器映射寄存器保留地址

外部

FLASH 扇区1 (12K)

FLASH 扇区2 (12K)

FLASH 扇区3 (4K)

SARAM(2K)内部(PON=1)外部(PON=0)

外部

保留(CNF=1)外部(CNF=0)

片内DARAM (B0)‡ (CNF=1)外部(CNF=0)

片内DAREM B2非法保留

片内DARAM (B0)§(CNF=0)保留(CNF=1)

片内DARAM (B1)II

保留

SARAM(2K)内部(DON=1)外部(DON=0)

非法

外设存储器映射寄存器(系统、WD、ADC、SCI、SPI、

CAN、I/O、中断)

外部

非法

保留

Flash控制模式寄存器

保留

等待状态发生器控制寄存器(片内)

Program Data I/O

如果MP/MC＝0，则使用片内存储空间如果MP/MC＝1，则使用外部存储空间

SARAM(单口RAM)

Reserved or Illegal(保留或非法)

Hex0000

Hex0000

Hex0000

0FFF1000

3FFF4000

6FFF7000

7FFF8000

87FF8800

FDFFFE00

FFFF FFFFFFFF

FF10FFFE

FF0F

FF0E

FEFFFF00

00FF

007F

005F

0100

0080

0060

01FF0200

0FFF1000

04FF

03FF

02FF

0500

0400

0300

07FF0800

6FFF7000

7FFF8000