【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 上， DSP 芯片都能正常工作，除計(jì)算速度有變化外，沒(méi)有性能的下降，這類 DSP芯片一般稱為靜態(tài) DSP 芯片。例如，日本 OKI 電氣公司的 DSP 芯片、 TI 公司的TMS320C2XX 系列芯片屬于這一類。如果有兩種或兩種以上的 DSP 芯片，它們的指令集和相應(yīng)的機(jī)器代碼機(jī)管腳結(jié)構(gòu)相互兼容，則這類 DSP 芯片稱為一致性 DSP 芯片。例如，美國(guó) TI 公司的 TMS320C54X 就屬于這一類。 式分 這是根據(jù) DSP 芯片工作的數(shù)據(jù)格式來(lái)分類的。數(shù)據(jù)以定點(diǎn)格式工作的 DSP 芯片稱為定點(diǎn) DSP芯片，如 TI 公司的 TMS320C1X/C2X、 TMS320C2XX/C5X、 TMS320C54X/C62XX系列， AD 公司的 ADSP21XX 系列， ATamp。T 公司的 DSP16/16A， Motolora 公司的 MC56000等。以浮點(diǎn)格式工作的稱為浮點(diǎn) DSP 芯片，如 TI 公司的 TMS320C3X/C4X/C8X， AD 公司的 ADSP21XXX 系列， ATamp。T 公司的 DSP32/32C， Motolora 公司的 MC96002 等。不同浮點(diǎn) DSP 芯片所采用的浮點(diǎn)格式不完全一樣，有的 DSP 芯片采用自定義的浮點(diǎn)格式，如TMS320C3X，而有的 DSP芯片則采用 IEEE的標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式，如 Motorola 公司的 MC9600哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 3 FUJITSU公司的 MB86232 和 ZORAN 公司的 ZR35325 等。 按照 DSP 的用途來(lái)分，可分為通用型 DSP 芯片和專用型 DSP 芯片。通用型 DSP 芯片適合普通的 DSP 應(yīng)用，如 TI公司的一系列 DSP 芯片屬于通用型 DSP 芯片。專用 DSP 芯片是為特定的 DSP運(yùn)算而設(shè)計(jì)的，更適合特殊的運(yùn)算，如數(shù)字濾波、卷積和 FFT，如 Motorola公司的 DSP56200， Zoran 公司的 ZR34881， Inmos 公司的 IMSA100 等就屬于專用型 DSP芯片。 DSP 芯片的選擇 設(shè)計(jì) DSP 應(yīng)用系統(tǒng)，選擇 DSP 芯片是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。只有選定了 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(lái)說(shuō)， 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。一般來(lái)說(shuō)，選擇 DSP 芯片時(shí)應(yīng)考慮到如下諸多因素。 芯片的運(yùn)算速度 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。 芯片的價(jià)格 DSP 芯片的價(jià)格也是選擇 DSP 芯片所需考慮的一個(gè)重要因素。如果采用價(jià)格昂貴的DSP 芯片，即使性能再高，其應(yīng)用范圍肯定會(huì)受到一定的限制，尤其是民用產(chǎn)品。因此根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用情況，需確定一個(gè)價(jià)格適中的 DSP 芯片。當(dāng)然，由于 DSP 芯片發(fā)展迅速， DSP 芯片的價(jià)格往往下降較快，因此在開(kāi)發(fā)階段選用某種價(jià)格稍貴的 DSP 芯片，等到系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完畢，其價(jià)格可能已經(jīng)下降一半甚至更多。 芯片的硬件資源 不同的 DSP 芯片所提供 的硬件資源是不相同的，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 )，系列中不同 DSP 芯片也具有不同的內(nèi)部硬件資源，可以適應(yīng)不同的需要。 的運(yùn)算精度 一般的定點(diǎn) DSP 芯片的字長(zhǎng)為 16 位，如 TMS320 系列。但有的公司的定點(diǎn)芯片為 24位，如 Motorola 公司的 MC56001 等。浮點(diǎn)芯片的字長(zhǎng)一般為 32 位，累加器為 40 位。 芯片的開(kāi)發(fā)工具 在 DSP 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)工具是必不可少的。如果沒(méi)有 開(kāi)發(fā)工具的支持，要想開(kāi)發(fā)一個(gè)復(fù)雜的 DSP 系統(tǒng)幾乎是不可能的。如果有功能強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具的支持，如 C 語(yǔ)言支持，則開(kāi)發(fā)的時(shí)間就會(huì)大大縮短。所以，在選擇 DSP 芯片的同時(shí)必須注意其開(kāi)發(fā)工具的支持情況，包括軟件和硬件的開(kāi)發(fā)工具。 芯片的功耗 在某些 DSP 應(yīng)用場(chǎng)合，功耗也是一個(gè)需要特別注意的問(wèn)題。如便攜式的 DSP 設(shè)備、手持設(shè)備、野外應(yīng)用的 DSP 設(shè)備等都對(duì)功耗有特殊的要求。目前， 供電的低功耗高速 DSP 芯片已大量使用。 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 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(zhǎng)的生命周期等。 本文主要研究的內(nèi)容 課題研究的內(nèi)容是基于 PCI 專用芯片 S5933 和 DSP 芯片 TMS320C32 圖像處理平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)。介紹了 DSP 芯片、圖像處理的 相關(guān)知識(shí)和硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)的圖像處理平臺(tái)使用專用視頻輸入處理芯片 SAA7113 和 CPLD 實(shí)現(xiàn)高速連續(xù)的視頻幀采集。經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)?DSP，再經(jīng) DSP 處理后通過(guò) PCI 接口傳輸?shù)?PC 機(jī)。在視頻解碼芯片 SAA7113和 DSP 之間采用 CPLD 控制的兩幀輪換方式。實(shí)現(xiàn)圖像的隔行信號(hào)變逐行信號(hào)以及采集和處理的同步進(jìn)行。在 DSP 與 PCI 芯片 S5933 之間采用 DMA 傳輸方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流在系統(tǒng)中的高速傳輸，以滿足圖像處理要求。 本文結(jié)構(gòu) 本論文共分四章，各章的內(nèi)容安排如下： 第 一 章 緒論，介紹本文的課題背景、 DSP 芯片概況、本文主要的研究?jī)?nèi)容和本文結(jié)構(gòu)。 第 二 章 DSP 原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用，闡述了 TMS320C32 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能。 (1)DSP 的基本結(jié)構(gòu)和特征 (2)TMS320C32 的功能 (3)TMS320 浮點(diǎn) DSP 芯片的硬件設(shè)計(jì)。 第 三 章 圖像處理技術(shù)，介紹了圖像處理的相關(guān)知識(shí)。 (1)圖像處理的特點(diǎn) (2)CCD 攝像機(jī) (3)視頻采集卡。 第 四 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)闡述了 DSP 實(shí)現(xiàn)的圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 (1)DSP 與SAA7113 之間的無(wú)縫連接 (2)S5933 與 DSP 之間的接口設(shè)計(jì)。 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 5 第 2 章 DSP 原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用 DSP 的基本結(jié)構(gòu)和特征 可編程 DSP 芯片是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，為了達(dá)到快速進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的目的， DSP 芯片一般都具有程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)的總線結(jié)構(gòu)。 DSP 芯片的基本結(jié)構(gòu) 為了快速地實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算， DSP 芯片一般都采用特殊的軟硬件結(jié)構(gòu)，下面以TMS320 系列為例介紹 DSP 芯片的結(jié)構(gòu)。 TMS320 系列 DSP 芯片的基本結(jié)構(gòu)包括： ① 采用哈佛結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，程序和數(shù)據(jù)分駐在不同的地址空間，這樣允許取指和執(zhí)行交疊。有的 DSP 采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，即為了減少芯片 的管腳數(shù)，片外程序代碼總線和數(shù)據(jù)總線復(fù)用一條總線，而片內(nèi)程序代碼總線和數(shù)據(jù)總線則是獨(dú)立的。 ② 采用流水線結(jié)構(gòu)。 ③ 提供強(qiáng)大的運(yùn)算功能。除具有 ALU，還具有高速的乘法器、除法器等運(yùn)算部件，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)算功能。 ④ 高速的指令周期和復(fù)合功能的單周期指令。如 TI 公司的 TMS320C6025，其速度高達(dá) 1600MIPS。 DSP 的乘、加指令為單周期指令，即在一個(gè)指令周期那完成乘、加運(yùn)算。 ⑤ 具有片內(nèi)高速存儲(chǔ)器。 這些特點(diǎn)使得 TMS320 系列 DSP 芯片可以實(shí)現(xiàn)快速的 DSP 運(yùn)算，并使大部分運(yùn)算能夠在一個(gè)指令周期 內(nèi)完成。由于該系列 DSP 芯片是軟件可編程器件，因此具有通用微處理器具有的方便靈活的特點(diǎn)。 TI 浮點(diǎn) DSP 芯片 —TMS320C3X TMS320C3X 是 TI的第三代產(chǎn)品，也是第一代浮點(diǎn) DSP 芯片。目前具有 TMS320CTMS320C3 TMS320C32 三種。 TMS320C31 是 TMS320C30 的簡(jiǎn)化和改進(jìn)型，它在TMS320C30 的基礎(chǔ)上去掉了一般用戶不常用的一些資源，降低了成本。 TMS320C32 是TMS320C31 的進(jìn)一步簡(jiǎn)化和改進(jìn)。是一個(gè)性能價(jià)格比較高的浮點(diǎn)處理器，在國(guó)內(nèi)已得到了廣泛的應(yīng)用。表 21 給出了三種芯片的比較。 TMS320C32 的指令周期為 50/60/74ns， TMS320C31 的指令周期為 33/40/50/60/74ns，TMS320C32 的指令周期為 33/40/50ns。 TMS320C3X 的硬件資源 : TMS320C30 的硬件資源相當(dāng)豐富。其內(nèi)部包含了 2K32 位的快速 RAM 塊。分開(kāi)的程序總線、數(shù)據(jù)總線和 DMA 總線使得取指、讀寫(xiě)數(shù)據(jù)和 DMA 操作可并行進(jìn)行。 6432位的指令 Cache 用來(lái)存儲(chǔ)經(jīng)常使用的代碼塊，這可大大減少片外訪問(wèn)的次數(shù)，從而提高程序運(yùn)行速度。由于主 總線的地址是 24 位， TMS320C30 可以訪問(wèn) 16M 的 32 位存儲(chǔ)器空間，程序、數(shù)據(jù)和 I/O 空間都包含在 TMS320C30 這個(gè) 16M 字的空間中。 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 表 21 三種 TMS320C3X 芯片的比較 特征 TMS320C30 TMS320C31 TMS320C32 數(shù)據(jù) /程序總線 主總線 STRB:32 位數(shù)據(jù)， 24 位地址 擴(kuò)展總線 IOSTRB:32 位數(shù)據(jù)，13 位地址 STRB: 32 位數(shù)據(jù)， 24位地址 STRB0: 8/16/32 位 STRB1: 8/16/32 位 IOSTRB:32 位 內(nèi)部 RAM 2K 字 2K 字 512 字 串行 I/O 口 2 個(gè)串行口 1 個(gè)串行口 1 個(gè)串行口 用戶程序、數(shù)據(jù)ROM 4K字 /16K字節(jié) 無(wú) 無(wú) DMA 控制器 單通道 單通道 雙通道 程序和數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器寬度 32 位 32 位 程序 :16/32 位可選 數(shù)據(jù) :8/16/32位可選 外部中斷觸發(fā) 電平觸發(fā) 電平觸發(fā) 電平 /邊沿可選 中斷矢量表地址 固定 固定 用戶可重定位 程序引導(dǎo) 無(wú) 用戶可選 用戶可選 TMS320C30 有一個(gè) 40/32 位的浮點(diǎn) /整數(shù)乘法器，這個(gè)乘法器可以在單周期內(nèi)完成 24位整數(shù)和 32 位浮點(diǎn)值的乘法，為了達(dá)到更 高的性能，可以采用并行指令在單周期內(nèi)完成一次乘法和 ALU 操作。整數(shù) /浮點(diǎn)算術(shù)邏輯運(yùn)算單元 ALU 可以進(jìn)行單周期的 32 位整數(shù)、32 位邏輯數(shù)和 40 位的浮點(diǎn)操作。內(nèi)部總線 CPU1/CPU2 和 REG1/REG2 可從存儲(chǔ)器中取兩個(gè)操作數(shù)和從寄存器取兩個(gè)操作數(shù)，這使得對(duì)四個(gè)操作數(shù)進(jìn)行乘和加可以在單周期內(nèi)完成。兩個(gè)輔助寄存器單元 (ARAU0 和 ARAU1)可以在單周期內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)地址。 TMS320C30提供了 28 個(gè)寄存器，這些寄存器可由乘法器和 ALU 操作，也可用作通用寄存器。TMS320C30 的外設(shè)是通過(guò)存儲(chǔ)器映射的寄存器對(duì)外 設(shè)總線進(jìn)行控制的，外設(shè)總線由 32 位數(shù)據(jù)總線和 24 位地址總線組成，允許與外設(shè)直接通信。外設(shè)包括兩個(gè)支持 8/16/24/32 位數(shù)據(jù)交換的串行口和兩個(gè)定時(shí)器。 片內(nèi)的 DMA 功能使得 CPU 與 I/O 操作可同時(shí)進(jìn)行。 DMA 控制器可以在存儲(chǔ)器的任何地址進(jìn)行讀寫(xiě)操作而不干擾 CPU操作。 兩個(gè)通用的外部引腳 (XF0， XF1)可由軟件設(shè)置為輸入或輸出，用于多處理器之間的通信。除主總線外， TMS320C30 還有一條數(shù)據(jù)線 24位、地址線 13 位的擴(kuò)展總線，其操作可與主總線操作同時(shí)進(jìn)行，也可獨(dú)立于主總線。常用于 I/O 操作，如 A/D、 D/A等。 TMS320C31 是 TMS320C30 的簡(jiǎn)化和改進(jìn)型，它去掉了擴(kuò)展總線、一個(gè)串行口和內(nèi)部哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 的 4K 字 ROM，增加了程序的引導(dǎo)功能。當(dāng) MCBL/MP 引腳為高電平時(shí)，工作于微機(jī)自引導(dǎo)方式， TMS320C31 可從三個(gè)特定的地址轉(zhuǎn)入程序，也可從串口裝入程序。與 EPROM 接口時(shí)，用戶可用軟件設(shè)定等待周期個(gè)數(shù)，也可用硬件產(chǎn)生等待周期，應(yīng)用靈活。 TMS320C32 是 TMS320C31 的簡(jiǎn)化和改進(jìn)型。簡(jiǎn)化主要是將內(nèi)部的 RAM 和 2K 字減少為 512 字，以降低成本。改進(jìn)之處包括：外部存儲(chǔ)器寬度可變，中斷矢量表可重定位，外 部中斷可由軟件選擇是電平觸發(fā)還是邊沿觸發(fā)， DMA 控制器增加了一個(gè)通道，此外，還增加了兩種節(jié)點(diǎn)運(yùn)行方式。 TMS320C32 浮點(diǎn) DSP 芯片的硬件設(shè)計(jì) TMS320C32 與外部存儲(chǔ)器接口 由于 C32 的內(nèi)部存儲(chǔ)器只有 2k字節(jié)，被編成兩個(gè) 25632 位的存儲(chǔ)塊，所以無(wú)論是基于主從系統(tǒng)還是單獨(dú)使用， C32 都需要外部存儲(chǔ)器?？晒┻x擇的存