1.3 DSP應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)流程和開發(fā)工具

在設(shè)計(jì)需求規(guī)范，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)，要解決兩方面的問題：即信號(hào)處理和非信號(hào)處理方面的問題。隨著DSP處理器功能的不斷強(qiáng)化和系統(tǒng)開發(fā)周期的不斷縮短，設(shè)計(jì)和調(diào)試DSP系統(tǒng)越來越依賴于DSP開發(fā)系統(tǒng)和開發(fā)工具。

1.3.1 DSP應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)流程

信號(hào)處理的問題包括：輸入、輸出結(jié)果特性的分析，DSP算法的確定，以及按要求對(duì)確定的性能指標(biāo)在通用機(jī)上用高級(jí)語言編程仿真。

非信號(hào)處理問題包括：應(yīng)用環(huán)境、設(shè)備的可靠性指標(biāo)，設(shè)備的可維護(hù)性，功耗、體積，重量、成本、性能價(jià)格比等。

算法的研究與仿真是DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的一步。系統(tǒng)性能指標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)，以何種算法和結(jié)構(gòu)滿足需求，都是這一步需要考慮的內(nèi)容。這種仿真是在通用機(jī)上用高級(jí)語言編程實(shí)現(xiàn)的，編程時(shí)最好能按照DSP處理器形式運(yùn)行，以達(dá)到更真實(shí)的效果。

設(shè)計(jì)DSP應(yīng)用系統(tǒng)，選擇DSP芯片也是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。只有選定了合適的DSP芯片，才能進(jìn)一步設(shè)計(jì)其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路。總的來說，DSP芯片的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)需要而確定。不同的DSP應(yīng)用系統(tǒng)由于應(yīng)用場(chǎng)合、應(yīng)用目的等不盡相同，對(duì)DSP芯片的選擇也是不同的。

DSP應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)算量是確定選用處理能力為多大的DSP芯片的基礎(chǔ)。運(yùn)算量小則可以選用處理能力不是很強(qiáng)的DSP芯片，從而降低系統(tǒng)成本。相反，運(yùn)算量大的DSP系統(tǒng)則必須選用處理能力強(qiáng)的DSP芯片，如果DSP芯片的處理能力達(dá)不到系統(tǒng)要求，則必須用多個(gè)DSP芯片并行處理。

那么如何確定DSP系統(tǒng)的運(yùn)算量以選擇DSP芯片，下面我們來考慮兩種情況。

1.按幀處理

有些數(shù)字信號(hào)處理算法不是每個(gè)輸入樣點(diǎn)循環(huán)一次，而是每隔一定的時(shí)間間隔（通常稱為幀）循環(huán)一次。例如中低速語音編碼算法通常以10ms或20ms為一幀，即每隔10ms或20ms語音編碼算法循環(huán)一次。所以在選擇DSP芯片時(shí)，應(yīng)該比較一幀內(nèi)DSP芯片的處理能力與DSP算法的運(yùn)算量。假設(shè)DSP芯片的指令周期為p（ns），一幀的時(shí)間是tD（ns），則此DSP芯片在一幀時(shí)間內(nèi)所能提供的最大運(yùn)算量為tD/p條指令。例如TMS320LC549-80的指令周期為12.5ns，設(shè)幀長為20ms，則一幀內(nèi)TMS320LC549-80所能提供的最大運(yùn)算量為160萬條指令。因此只要語音編碼算法的運(yùn)算量不超過160萬條指令，就可以在TMS320LC549-80上實(shí)時(shí)運(yùn)行。

2.按樣點(diǎn)處理

所謂按樣點(diǎn)處理就是DSP算法對(duì)每一個(gè)輸入樣點(diǎn)循環(huán)一次。數(shù)字濾波就與此種情況相同。在數(shù)字濾波器中，通常需要對(duì)每一個(gè)輸入樣點(diǎn)進(jìn)行一次計(jì)算。例如，一個(gè)采用LMS算法的256抽頭的自適應(yīng)FIR濾波器，假定每個(gè)抽頭的計(jì)算需要3個(gè)MAC周期，則256抽頭計(jì)算需要256×3=768個(gè)MAC周期。如果采樣頻率為8kHz，即樣點(diǎn)之間的間隔為125ms，DSP芯片的MAC周期為200ns，則768個(gè)MAC周期需要153.6ms的時(shí)間，顯然無法實(shí)時(shí)處理，需要選用速度更高的DSP芯片。

上述兩點(diǎn)因素是確定DSP應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)算量的關(guān)鍵性因素。

此外，在DSP芯片選擇時(shí)通常有下列幾項(xiàng)注意事項(xiàng)：

（1）DSP芯片的速度

運(yùn)算速度是DSP芯片的一個(gè)最重要的性能指標(biāo)，也是選擇DSP芯片時(shí)所需要考慮的一個(gè)主要因素。DSP芯片的運(yùn)算速度可以用下列幾種性能指標(biāo)來衡量：

① 指令周期：即執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間，通常以ns為單位。如TMS320LC549-80在主頻為80MHz時(shí)的指令周期為12.5ns；

② MAC時(shí)間：即一次乘法加上一次加法的時(shí)間。大部分DSP芯片可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成一次乘法和加法操作，如TMS320LC549-80的MAC時(shí)間就是12.5ns；

③ FFT執(zhí)行時(shí)間：即運(yùn)行一個(gè)N點(diǎn)FFT程序所需的時(shí)間。由于FFT運(yùn)算涉及的運(yùn)算在數(shù)字信號(hào)處理中很有代表性，因此FFT運(yùn)算時(shí)間常作為衡量DSP芯片運(yùn)算能力的一個(gè)指標(biāo)；

④ MIPS：即每秒執(zhí)行百萬條指令。如TMS320LC549-80的處理能力為80MIPS，即每秒可執(zhí)行八千萬條指令；

⑤ MOPS：即每秒執(zhí)行百萬次操作。如TMS320C40的運(yùn)算能力為275 MOPS；

⑥ MFLOPS：即每秒執(zhí)行百萬次浮點(diǎn)操作。如TMS320C31在主頻為40MHz時(shí)的處理能力為40MFLOPS；

⑦ BOPS：即每秒執(zhí)行十億次操作。如TMS320C80的處理能力為2BOPS。

（2）DSP芯片的字長選擇

一般浮點(diǎn)DSP芯片都用32 位的數(shù)據(jù)字，大多數(shù)定點(diǎn)DSP芯片是16 位數(shù)據(jù)字。而MOTOROLA公司定點(diǎn)芯片用24位數(shù)據(jù)字，以便在定點(diǎn)和浮點(diǎn)精度之間取得折中。字長大小是影響成本的重要因素，它影響芯片的大小、引腳數(shù)以及存儲(chǔ)器的大小，設(shè)計(jì)時(shí)在滿足性能指標(biāo)的條件下，盡可能選用最小的數(shù)據(jù)字。

（3）DSP芯片的存儲(chǔ)器安排

包括存儲(chǔ)器的大小，片內(nèi)存儲(chǔ)器的數(shù)量，總線尋址空間等。片內(nèi)存儲(chǔ)器的大小決定了芯片運(yùn)行速度和成本，例如TI公司同一系列的DSP芯片，不同種類芯片存儲(chǔ)器的配置等硬件資源各不相同。

（4）DSP芯片的開發(fā)工具

在DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，開發(fā)工具是必不可少的，一個(gè)復(fù)雜的DSP系統(tǒng)，必須有功能強(qiáng)大的開發(fā)工具支持。

開發(fā)工具包括軟件和硬件兩部分。軟件開發(fā)工具主要包括：C編譯器、匯編器、鏈接器、程序庫、軟件仿真器等，在確定DSP算法后，編寫的程序代碼通過軟件仿真器進(jìn)行仿真運(yùn)行，來確定必要的性能指標(biāo)。硬件開發(fā)工具包括在線硬件仿真器和系統(tǒng)開發(fā)板。在線硬件仿真器通常是JTAG測(cè)試接口板，可以對(duì)設(shè)計(jì)的硬件進(jìn)行在線調(diào)試；在硬件系統(tǒng)完成之前，不同功能的開發(fā)板上實(shí)時(shí)運(yùn)行設(shè)計(jì)的DSP軟件，可以提高開發(fā)效率。甚至在數(shù)量小的產(chǎn)品中，直接將開發(fā)板當(dāng)作最終產(chǎn)品。

（5）DSP芯片的功耗與電源管理

在一些手提便攜式的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，供電電源的節(jié)省是很重要的問題，因而目前DSP生產(chǎn)廠商對(duì)這方面的問題越來越重視。它通常包括供電電壓的選擇和電源的管理功能。

供電電壓一般取得比較低，實(shí)施芯片的低電壓供電，通常有3.3V，2.5V，1.8V，0.9V等，在同樣的時(shí)鐘頻率下，它們的功耗將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于5V供電電壓的芯片。

加強(qiáng)了對(duì)電源的管理后，通常用休眠、等待模式等方式節(jié)省功率消耗。例如TI公司提供了詳細(xì)的、功能隨指令類型和處理器配置而改變的應(yīng)用說明。

（6）DSP芯片的成本

特別要注意DSP芯片的生產(chǎn)和主推產(chǎn)品，以便以低的成本實(shí)施來要求產(chǎn)品。但低價(jià)位的芯片必然是功能較少、片內(nèi)存儲(chǔ)器少、性能上差一些的，這就給編程帶來一定的困難。

（7）DSP芯片的片內(nèi)硬件資源

不同的DSP芯片所提供的硬件資源是完全不相同的，如片內(nèi)RAM、ROM的數(shù)量，外部可擴(kuò)展的程序和數(shù)據(jù)空間，總線接口，I/O接口等。即使是同一系列的DSP芯片（如TI的TMS320C54x系列），其中所包含的不同型號(hào)的片種也具有不同的內(nèi)部硬件資源，可以適應(yīng)不同的需要。

（8）其他因素

除了上述因素外，選擇DSP芯片還應(yīng)考慮到封裝的形式、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、供貨情況、生命周期等。有的DSP芯片可能有DIP、PGA、PLCC、PQFP等多種封裝形式。有些DSP系統(tǒng)可能最終要求的是工業(yè)級(jí)或軍用級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在選擇時(shí)就需要注意到所選的芯片是否有工業(yè)級(jí)或軍用級(jí)的同類產(chǎn)品。如果所設(shè)計(jì)的DSP系統(tǒng)不僅僅是一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，而是需要批量生產(chǎn)并可能有幾年甚至十幾年的生命周期，那么需要考慮所選的DSP芯片供貨情況如何，是否也有同樣甚至更長的生命周期等。

1.3.2 DSP應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)工具

DSP處理器的系統(tǒng)開發(fā)流程圖如圖1-6所示。

DSP軟件可以使用匯編語言或者C語言編寫源程序、通過編譯、鏈接工具產(chǎn)生DSP的執(zhí)行代碼。在調(diào)試階段，可以利用軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真，也可以利用硬件調(diào)試工具將代碼下載至DSP，并通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控、調(diào)試運(yùn)行程序。當(dāng)調(diào)試完成后，可以將程序代碼固化到EPROM中，以便DSP目標(biāo)系統(tǒng)脫離計(jì)算機(jī)單獨(dú)運(yùn)行。

下面簡(jiǎn)要介紹幾種常用的開發(fā)工具。雖然廠家不同，但提供的開發(fā)調(diào)試工具大致類同。

1.代碼生成工具

代碼生成工具一般包括編譯器、鏈接器、優(yōu)化C編譯器、轉(zhuǎn)換工具等。可以使用C語言或者匯編語言編寫源程序代碼。編寫完成后，利用代碼生成工具進(jìn)行工具編譯、鏈接、最后形成機(jī)器代碼。

（1）C編譯器（C Compiler）

為了開發(fā)DSP系統(tǒng)方便，減小編寫匯編程序的難度，很多廠商都提供了高級(jí)語言設(shè)計(jì)方法，一般為C語言。開發(fā)系統(tǒng)針對(duì)DSP庫函數(shù)、頭文件及編寫的C程序，自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的匯編語言，這一步稱為C編譯。C編譯器通常符合ANSIC標(biāo)準(zhǔn)，可以對(duì)編寫的程序進(jìn)行不同等級(jí)的優(yōu)化，以產(chǎn)生高效的匯編代碼；C編譯器還具有對(duì)存儲(chǔ)器的配置、分配及部分鏈接功能；并應(yīng)具有靈活的匯編語言接口等多種功能。

C編程方法簡(jiǎn)單、易學(xué)易用，但編譯出的匯編程序比手工匯編程序要長得多，因而效率比較低。為了克服C編譯器的低效率，在提供標(biāo)準(zhǔn)C庫函數(shù)同時(shí)，開發(fā)系統(tǒng)也提供了許多針對(duì)DSP運(yùn)算的高效庫函數(shù)，例如FFT、FIR、IIR、相關(guān)、矩陣運(yùn)算等，它們都是手工匯編的，帶有高級(jí)語言調(diào)用/返回接口。

很多情況下，為了得到高效編程，在系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中，核心的DSP運(yùn)算程序都是使用匯編語言手工編寫，按照規(guī)定的接口約定，由C程序進(jìn)行調(diào)用，這樣就極大地提高了編程的效率。

（2）匯編器（Assembler）

匯編器的主要功能是將匯編語言源文件轉(zhuǎn)換為基于公用目標(biāo)文件格式的機(jī)器語言目標(biāo)文件。

（3）鏈接器（Linker）

鏈接器的主要作用是將子程序、庫函數(shù)和主程序等由匯編器產(chǎn)生的目標(biāo)文件鏈接在一起，產(chǎn)生一個(gè)可執(zhí)行的模塊，形成DSP目標(biāo)代碼。

2.軟件仿真器（Simulator）

軟件仿真器是一種脫離硬件的純軟件仿真工具。將程序代碼加載后，在一個(gè)窗口工作環(huán)境中，可以模擬DSP的運(yùn)行程序，同時(shí)對(duì)程序進(jìn)行單步執(zhí)行、設(shè)置斷點(diǎn)，對(duì)寄存器/存儲(chǔ)器進(jìn)行觀察、修改，統(tǒng)計(jì)某段程序的執(zhí)行時(shí)間等。通常在程序編寫完成以后，都會(huì)在軟件仿真器上進(jìn)行調(diào)試，以初步確定程序的可運(yùn)行性。軟件仿真器的主要缺點(diǎn)是對(duì)外部接口的仿真不夠完善。

早期的軟件仿真器與其他開發(fā)工具是分開的，用起來不方便?，F(xiàn)在，軟件仿真器是作為CCS的一個(gè)目標(biāo)插件，被廣泛應(yīng)用于DSP的開發(fā)中。

3.硬件仿真器（Emulator）

硬件仿真器是一種在線仿真工具，它用JTAG接口電纜把DSP硬件目標(biāo)系統(tǒng)和裝有仿真軟件/仿真卡的PC接口板連接起來，用PC平臺(tái)對(duì)實(shí)際硬件目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，能真實(shí)的仿真程序在實(shí)際硬件環(huán)境下的功能。

TMS320擴(kuò)展的開發(fā)系統(tǒng)XDS（eXtend Development System）是一種功能強(qiáng)大的全速仿真器，用于系統(tǒng)的集成和調(diào)試。掃描式仿真是一種獨(dú)特的、非插入式的系統(tǒng)仿真與集成調(diào)試的方法。程序可以從片外或者片內(nèi)的目標(biāo)存儲(chǔ)器實(shí)時(shí)執(zhí)行，在任何時(shí)鐘速度下都不會(huì)引入額外的等待狀態(tài)。

4.DSP開發(fā)系統(tǒng)

DSP開發(fā)系統(tǒng)是一個(gè)包含DSP、存儲(chǔ)器、常用接口電路的通用電路板和相應(yīng)軟件的軟/硬件系統(tǒng)。通常有兩種形式：一種是電路板卡的形式，插入計(jì)算機(jī)中；另一種是通過計(jì)算機(jī)的串口或并口連接到計(jì)算機(jī)。這些都是通過計(jì)算機(jī)的控制端口來控制DSP的運(yùn)行，并具有簡(jiǎn)單的DSK（DSP starter Kit）入門套件和較為復(fù)雜的EVM（Evaluation Module）評(píng)估模塊等。這些都有助于初學(xué)者熟悉和使用DSP處理器的應(yīng)用，也可以作為程序的初步運(yùn)行對(duì)象，方便調(diào)試。

隨著DSP應(yīng)用范圍的擴(kuò)大、處理能力的加強(qiáng)以及DSP更新速度的加快，DSP處理系統(tǒng)越來越復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)者來說難度也越來越大，因此一些生產(chǎn)廠家已經(jīng)制定出了一定的標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)生產(chǎn)電路板和DSP處理模塊，同時(shí)為這些標(biāo)準(zhǔn)模塊提供豐富的軟件開發(fā)系統(tǒng)和算法庫。其中典型的如TMS320C4x和SDSP2106x，它們可以通過通信口和全局總線插座，將若干個(gè)模塊安裝在母板上，方便地組成多處理器系統(tǒng)。這種模塊化設(shè)計(jì)降低了硬件設(shè)計(jì)難度，減少了硬件設(shè)計(jì)時(shí)間，有利于更高效的開發(fā)DSP系統(tǒng)。

目前各DSP芯片生產(chǎn)廠家已經(jīng)把已有的各開發(fā)工具集成在一起，構(gòu)成集成開發(fā)環(huán)境。例如TI公司的CCS IDE（Code Composer Studio Integrated Development Environment）可以提供環(huán)境配置、源程序編輯、編譯連接、程序調(diào)試、跟蹤分析等各個(gè)環(huán)節(jié)，以加速軟件開發(fā)進(jìn)程，提高工作效率。它把編譯、匯編、鏈接等工具集成在一起，用一條命令即可完成全部的匯編工作。另外把軟、硬件開發(fā)工具集成在其中，使程序的編寫、匯編、程序的軟/硬件仿真和調(diào)試等開發(fā)工作在統(tǒng)一的環(huán)境中進(jìn)行，給開發(fā)工作帶來極大的方便。

在DSP應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程中，需要開發(fā)工具支持的情況如表1-1所示。

1.3.3 SHX-DSP2812開發(fā)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

SHX-DSP2812開發(fā)系統(tǒng)是由北京三恒星科技公司開發(fā)研制的。為了使用戶能更好的學(xué)習(xí)和了解本系統(tǒng)，下面介紹SHX-DSP2812開發(fā)板和仿真器。

1.SHX-DSP2812開發(fā)板介紹

北京三恒星科技公司開發(fā)的SHX-DSP2812開發(fā)板實(shí)物圖如圖1-7所示。

本套件是基于TMS320F2812 DSP的學(xué)習(xí)開發(fā)平臺(tái)，全面而又系統(tǒng)地展現(xiàn)了F2812的各個(gè)功能，是初學(xué)者學(xué)習(xí)2812的首選產(chǎn)品。

下面詳細(xì)介紹本套件的系統(tǒng)資源、擴(kuò)展接口及相關(guān)配件。

（1）系統(tǒng)資源

SHX-DSP2812開發(fā)板的系統(tǒng)資源如下：

· DSP處理器TMS320F2812，最高工作頻率150MHz；

· DSP芯片內(nèi)置18K×16位SRAM，4K×16位BOOT ROM，1K×16位OPT ROM；

· DSP芯片內(nèi)置128K ×16位Flash；

· 外擴(kuò)32K×16bit的程序RAM，32K×16bit的數(shù)據(jù)RAM；

· 監(jiān)視用LED發(fā)光管一個(gè)；

· DSP所有功能引腳引出，176pin；

· 4MB程序、數(shù)據(jù)尋址空間；

· I/O輸入/輸出模塊8個(gè)LED；

· SCI模塊RS—232通信接口電路；

· SPI_DA模塊4路8位串行D/A輸出；

· A/D轉(zhuǎn)換模塊2路12位A/D采樣（可擴(kuò)展到16路）；

· CAN模塊CAN總線收發(fā)器；

· PWM模塊PWM控制微型直流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)；

· 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)支持（選配）。

（2）擴(kuò)展接口

SHX-DSP2812開發(fā)板的擴(kuò)展接口如下：

· IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口；

· 176pin全部功能引腳引出，用戶可以擴(kuò)展使用；

· RS232標(biāo)準(zhǔn)DB9接口插座；

· 4路D/A輸出接口插座；

· 2路A/D輸出接口插座；

· CAN總線接口插座；

· 電動(dòng)機(jī)接口：支持直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（選配）。

（3）相關(guān)配件

SHX-DSP2812開發(fā)板的相關(guān)配件口如下：

· 直流動(dòng)電機(jī)；

· 串口直連線；

· +5V直流穩(wěn)壓電源；

· 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

2.SHX-USB接口DSP仿真器介紹

SHX-USB接口仿真器具有性能優(yōu)越，體積小巧，兼容性好等特點(diǎn)，它能夠完全仿真TI系列的2000系列，3X系列、5000系列、6000系列等DSP芯片。

SHX-USB接口DSP仿真器如圖1-8所示。

仿真器特點(diǎn)如下：

（1）適用于工作電壓在1.0～5.0V之間的數(shù)字信號(hào)處理；

（2）支持Windows98/2000/XP；

（3）支持TI全系列DSP芯片的硬件仿真，包括TMS320C2000、C5000、C6000、C3x、C4x、C5x及OMAP等系列芯片；

（4）與主機(jī)采用USB2.0接口通信，使用簡(jiǎn)單，即插即用；

（5）支持熱插拔，隨時(shí)插拔不會(huì)損傷硬件；

（6）通過USB總線供電，無需外接電源；

（7）支持CCS2系列開發(fā)環(huán)境，支持C語言和匯編語言調(diào)試；

（8）采用DSP的JTAG口進(jìn)行調(diào)試，不占用系統(tǒng)任何資源；

（9）支持多DSP調(diào)試，一套開發(fā)系統(tǒng)可以對(duì)板上的多個(gè)DSP芯片同時(shí)進(jìn)行調(diào)試；

（10）價(jià)格低廉，性價(jià)比高。

相關(guān)配件如下：

（1）USB電纜：1條；

（2）4芯JTAG排線：1條；

（3）贈(zèng)送相關(guān)調(diào)試工具（CCS）、驅(qū)動(dòng)和相關(guān)資料，供學(xué)習(xí)用。

關(guān)于仿真器部分的詳細(xì)介紹將在第7章中給出，在此不再贅述。