DSP芯片的原理与开发应用（第4版）.pdf

普通高等教育“十一五”国家级规划教材 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 DSP 芯片的原理与开发应用（第 4 版）DSP 芯片的原理与开发应用（第 4 版）张雄伟 曹铁勇 陈亮 杨吉斌 吴其前 等编著 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书由浅入深、全面系统地介绍了 DSP 芯片的基本原理、开发和应用。首先介绍了 DSP 芯片的基本结构和特征，以及定点和浮点 DSP 处理的运算基础；其次介绍了 DSP 芯片的开发工具，重点介绍了目前广泛应用的 CCS 集成开发环境及其使用方法；接着，介绍了基于 C 语言和汇编语言的开发方法以及 DSP 芯片的存储资源管理，较为详细地介绍了 DSP 系统的软硬件设计方法；最后，通过三个应用实例介绍了定点和浮点 DSP芯片的系统开发过程，并介绍了数字滤波器和 FFT 等常用数字信号处理算法的 DSP 实现。本书的目的是使读者了解 DSP 芯片的基本原理和常用 DSP 芯片的应用，熟悉 DSP 芯片开发工具及使用方法，掌握 DSP 系统的软硬件设计和应用系统开发方法，具备从事 DSP 芯片软硬件设计和系统开发的能力。本书的特点是：结构清晰、内容全面、举例丰富、实用性强，可作为电子信息类学科的研究生和相关专业高年级大学生的教材，也可作为 DSP 芯片应用人员的培训教材，对于从事 DSP 芯片开发应用的科技人员和高校教师也具较高的参考价值。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 DSP 芯片的原理与开发应用张雄伟，曹铁勇，陈亮等编著.4 版.北京：电子工业出版社，2009.3（普通高等教育“十一五”国家级规划教材）ISBN 978-7-121-07381-6 I.D.张曹陈.数字信号信号处理高等学校教材.TN911.72 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2008）第 140268 号 责任编辑：高买花 特约编辑：陈宁辉 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 http:/ 北京市万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871092 1/16 印张：26.5 字数：678 千字 版 次：2009 年 3 月第 4 版 2009 年 3 月第 1 次印刷 印 数：4 000 册 定价：49.80 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至，盗版侵权举报请发邮件至。服务热线：（010）88258888。第第 4 版说明版说明 本书第 1 版（1997 年）、第 2 版（2000 年）和第 3 版（2003 年）深得广大读者的厚爱，受到了广泛的欢迎，广大 DSP 开发人员将本书作为 DSP 应用开发的重要参考书，很多开设DSP 芯片原理与应用的高校将本书作为教材。2001 年，本书第 2 版获得全国优秀畅销书奖。2006 年，本书被列入普通高等教育“十一五”国家级规划教材。2007 年，本书作者被评为电子工业出版社优秀作者。对于广大读者对本书的热情支持，作者表示深深的谢意。自本书第 2 版、第 3 版出版发行以来，又有许多高性能的 DSP 芯片和开发工具出现，很多高校也相继开设 DSP 芯片应用的课程。因此，在重新出版本书时，作者根据 DSP 芯片的发展，特别是为了便于利用本书实施课程教学，对本书的结构和内容作了较大程度的修订和补充，调整修改了有关章节的内容，补充完善了附录内容。希望读者在使用本书的过程中提出宝贵的建议和意见，以便在今后的修订过程中参考。本书得到解放军理工大学精品教材立项资助 本书得到江苏省“333 高层次人才培养工程”资助 前前 言言 DSP 芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP 指令，可以用来快速实现各种数字信号处理算法。自 20 世纪 80 年代初 DSP 芯片诞生以来，DSP 芯片在近 30 年时间里得到了飞速的发展，DSP 芯片的性能价格比不断提高，开发手段越来越完善，应用越来越普及。DSP 芯片已经在通信与电子系统、信号与信息处理、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器等许多领域得到广泛的应用。DSP 芯片可分为通用型和专用型两大类。通用型 DSP 芯片是一种软件可编程的 DSP 芯片，适用于各种 DSP 应用场合。专用型 DSP 芯片则将 DSP 处理的算法集成到 DSP 芯片内部，一般适用于某些专用的场合。本书主要讨论通用型的可编程 DSP 芯片。目前，DSP 芯片的主要供应商包括美国的德州仪器公司（TI）、AD 公司、AT&T 公司和Motorola 公司等。其中，TI 公司的 DSP 芯片占世界 DSP 芯片市场近 50，在国内也被广泛地采用。因此，本书主要以 TI 公司的 DSP 芯片为例进行介绍。本书共 14 章，可分为 5 个部分。第一部分是 DSP 芯片基础，包括第 1、2、3 章。第 1 章概述 DSP 芯片的发展、分类、选择和应用；第 2 章介绍 DSP 芯片的基本结构和 TI 等公司的 DSP 芯片的主要特征；第 3 章介绍 DSP 的数值运算基础，包括定点 DSP 处理中的定标、定点和浮点 DSP 处理的有关问题。第二部分是软件开发基础，包括第 4、5 章。第 4 章比较详细地介绍 TI 公司推出的集成开发环境CCS 的基本原理和使用方法；第 5 章介绍用 C 语言开发 DSP 芯片的方法。第三部分是 DSP 芯片的资源管理和汇编语言开发，包括第 6、7、8 章。第 6 章介绍 DSP芯片的存储资源管理，重点介绍广泛采用的公共目标文件格式（COFF）和编程方法；第 7 章重点介绍 TMS320C5000 系列芯片的汇编语言指令和寻址方式；第 8 章介绍基于 C 语言和汇编语言混合编程的 DSP 软件开发。第四部分是 DSP 系统的硬件设计，包括第 9、10、11 章。第 9 章介绍 DSP 芯片的片内集成外设的开发方法；第 10 章介绍 DSP 脱机系统的设计；第 11 章介绍 DSP 系统的硬件设计方法。第五部分是系统设计与应用实例，包括第 12、13、14 章。第 12 章以 TMS320C203、TMS320C31、TMS320VC5409 型芯片为例介绍 3 个应用系统的设计方法及开发过程；第 13章介绍数字滤波器的 DSP 实现，包括 FIR、IIR 和自适应滤波器的定点和浮点 DSP 实现方法；DSP 芯片的原理与开发应用 VI 第 14 章介绍 FFT 的定点和浮点 DSP 实现。本书由张雄伟主编，并对全书进行统稿。第 1、3 章由张雄伟编写；第 2、8 章由曹铁勇、张雄伟编写；第 4 章由吴其前、徐光辉编写；第 5、9 章由杨吉斌编写；第 6 章由张雄伟、邹霞编写；第 7 章由陈亮编写；第 10 章由曹铁勇、陈亮编写；第 11 章由杨吉斌、张雄伟编写；第 12 章由张雄伟、贾冲编写；第 13、14 章和附录由张雄伟、陈亮、李莉编写。在本书的编写过程中，许晔峰、徐志军、王金明、黄忠虎等提出了十分有益的建议，在此向他们表示衷心的感谢。由于水平所限，书中错误之处在所难免，恳请广大读者给予批评指正。编 著 者 2008 年 10 月于解放军理工大学 目 录 第 1 章 概述（1）1.1 引言 （1）1.2 DSP 系统（2）1.2.1 DSP 系统的基本构成（2）1.2.2 DSP 系统的特点（2）1.2.3 DSP 系统的设计（3）1.2.4 DSP 系统的开发（4）1.3 DSP 芯片（5）1.3.1 DSP 芯片的定义（5）1.3.2 DSP 芯片的特点（5）1.3.3 DSP 芯片的发展（6）1.3.4 TI 公司的 DSP 芯片（7）1.3.5 DSP 芯片的分类（8）1.3.6 DSP 芯片的选择（9）1.3.7 DSP 系统的运算量 （10）1.3.8 DSP 芯片的应用（11）1.4 小结 （12）1.5 习题与思考题（12）第 2 章 DSP 芯片的基本结构和特征（13）2.1 引言 （13）2.2 DSP 芯片的基本结构（13）2.3 中央处理单元（CPU）（14）2.3.1 算术逻辑单元（ALU）（14）2.3.2 累加器（15）2.3.3 桶形移位寄存器（16）2.3.4 乘累加单元 （16）2.3.5 寻址单元（18）2.4 总线结构和流水线（18）2.5 片内存储器（20）2.6 集成外设（22）2.6.1 通用 I/O 接口（22）2.6.2 定时器（22）2.6.3 主机接口（HPI）（22）2.6.4 串行口（23）2.6.5 软件可编程等待状态 产生器（24）2.7 TI 定点 DSP 芯片（24）2.7.1 早期的定点 DSP 芯片（24）2.7.2 TMS320C2000 系列（31）2.7.3 TMS320C5000 系列（32）2.7.4 TMS320C62x/C64x 系列（35）2.8 TI 浮点 DSP 芯片（36）2.8.1 TMS320C3x（36）2.8.2 TMS320C67x（39）2.9 其他 DSP 芯片简介（39）2.9.1 AD 公司的 DSP 芯片（39）2.9.2 AT&T 公司 DSP 芯片（41）2.9.3 Motorola 公司 DSP 芯片（41）2.10 小结（42）2.11 习题与思考题（42）第 3 章 DSP 的数值运算基础（43）3.1 引言（43）3.2 定点的基本概念（43）3.2.1 数的定标（43）3.2.2 数的转换（44）3.2.3 溢出保护（45）3.2.4 符号扩展（46）3.2.5 舍入与截尾（46）3.3 定点运算实现的基本原理（47）3.3.1 加法/减法运算的 C 语言 定点模拟（47）3.3.2 乘法运算的 C 语言定点 模拟（49）3.3.3 除法运算的 C 语言定点 模拟（50）3.3.4 程序变量的 Q 值确定（50）3.3.5 浮点至定点变换的 C 程序举例（51）3.4 DSP 定点算术运算实现的 基本原理（53）3.4.1 定点乘法（53）3.4.2 定点加法（55）DSP 芯片的原理与开发应用（第 4 版）VIII 3.4.3 定点除法（55）3.5 非线性运算定点实现方法（57）3.5.1 级数展开法 （57）3.5.2 查表法（58）3.5.3 混合法（59）3.6 浮点数的表示格式（61）3.6.1 IEEE 浮点数格式（61）3.6.2 TMS320C3x 浮点数格式（62）3.7 基本的浮点运算（64）3.7.1 浮点乘法和加减法（64）3.7.2 浮点除法（64）3.8 非线性浮点运算的快速实现（65）3.9 小结 （67）3.10 习题与思考题（67）第 4 章 DSP 芯片的开发环境（68）4.1 引言 （68）4.2 软件开发（68）4.3 软件开发环境（70）4.3.1 CCS 安装与设置（70）4.3.2 CCS 基本环境（74）4.3.3 CCS 工程开发实例（88）4.3.4 DSP/BIOS（99）4.4 硬件开发（101）4.5 硬件开发环境（102）4.6 小结 （103）4.7 习题与思考题（103）第5章 基于C语言的DSP 芯片开发（104）5.1 引言 （104）5.2 CCS 支持的 C 语言（104）5.2.1 变量和常数 （105）5.2.2 函数（110）5.2.3 预处理（113）5.3 C 语言程序代码的优化（113）5.3.1 C 语言程序代码编译 分析（113）5.3.2 C 语言程序的优化方法（118）5.4 小结 （122）5.5 习题与思考题（122）第 6 章 DSP 芯片的存储资源管理（123）6.1 引言 （123）6.2 DSP 芯