DSP器件原理及应用

Principles and Applications of Digital Signal Processors

注：课程类别是指通识类平台课/学科平台课/专业核心课/专业课/；课程性质是指必修/限选/任选

一、课程的性质和目的

课程性质：本课程是电子信息工程学院电子和通信专业的一门专业选修课。

目的：学习目前应用非常广泛的TI公司TMS32054XDSP芯片的结构、原理及应用。本课程是“数字信号处理”课程的软硬件实现方法的一门后续课程，二者结合成为用数字信号处理技术解决某一实际问题和实现某一方案的手段。其研究范围和应用领域正在不断地发展和扩大，通过本课程的学习，使学生能掌握和应用DSP技术，能运用DSP技术解决实际问题，多一种实现技术方案的重要手段，提高专业能力和素质。另一方面，本课程与“微机原理与接口技术”和“单片机原理与应用”的关系也非常密切，同属于微处理器范畴，通过本课程使学生对微处理器原理及接口技术有更加广泛和深刻的认识。

二、课程教学内容及基本要求

本课程的主要内容是介绍TI公司的数字信号处理芯片及其应用，以TMS32054X为主要型号进行教学。主要内容之一是介绍DSP芯片的硬件结构，着重介绍该类芯片结构上的特点，是围绕8条总线构成的增强型的哈佛结构，指令的流水线结构，多处理单元结构等。第二方面的主要内容是简要介绍其指令系统及特点，主要着重介绍有特点且使用频率高的指令，如乘累加运算指令、重复指令等。对没有介绍的指令，教给学生方法，学生能通过查表进行自学，掌握这些指令的运用。第三方面是介绍DSP芯片的集成开发环境CCS软件的使用，要求学生掌握该软件的使用，及DSP芯片开发板、仿真器的使用，通过介绍几个应用实例，要求学生掌握用DSP芯片进行应用系统开发的步骤、方法。

（一）课程教学内容及知识模块顺序

1．知识单元一：DSP芯片的特点、现状及发展方向（2学时）

（1）知识点一：数字信号处理理论与DSP芯片的关系

（2）知识点二：DSP芯片的特点

（3）知识点三：DSP芯片的现状和发展

（4）知识点四：TMS320系列的典型运用

教学基本要求：

重点了解数字信号处理理论的软硬件实现法就是通过DSP芯片的硬件配置和编程的实现方法。了解DSP芯片的主要特点：哈佛结构、多总线结构、流水线结构、多处理单元、特殊的指令结构、指令周期短、运算精度高、硬件配置强。这些特点是实现数字信处理理论最有力的保证。了解DSP芯片目前的发展现状及未来的发展方向。了解DSP芯片的第一大生产厂商TI公司的产品情况，了解本课程是选用这些产品中使用较广泛的TMS320C54X系列为例进行教学。

2． 知识单元二: TMS320C54X的硬件结构（8学时）

（1）知识点一：TMS320C54X的组成与主要特性

（2）知识点二： CPU的组成与结构

（3）知识点三：片内的总线结构

（4）知识点四：存储器结构

（5）知识点五：流水线操作

（6）知识点六：在片外围电路

（7）知识点七：串行口

（8）知识点八：外部总线

（9）知识点九：引脚信号说明

教学基本要求：

掌握TMS320C54X的内部硬件组成框图及特点。掌握CPU的基本组成、工作原理、特点与应用。了解TMS320C54X片内总线结构的功能。掌握TMS320C54X的存储器结构为哈佛结构，哈佛结构的特点与优越性，掌握TMS320C54X的存储器空间的构成，掌握TMS320C54X中各种型号存储器图，能按照需要安排片内存储器到程序或数据空间。了解TMS320C54X的流水线结构与指令执行情况的关系，掌握在实际调试程序中应注意的问题。掌握TMS320C54X的在片外围电路（包括通用I/O引脚、定时器、主机接口、时钟发生器等）的结构与应用，及对应的在片外围电路的存储器映象寄存器。理解TMS320C54X的串行口的分类和工作原理，以及各种串行口的特点及应用。掌握外部总线与外部存储器以及I/O设备的接口信号、接口信号之间的时序关系、等待状态的插入。掌握TMS320C54X的各引脚的名称及功能。

3． 知识单元三: TMS320C54X的指令系统概述及汇编程序设计（6学时）

（1）知识点一：指令系统的数据寻址方式

（2）知识点二：程序流程控制中的主要操作及特点

（3）知识点三：指令系统概述及分类

（4）知识点四：汇编程序设计举例

教学基本要求：

掌握TMS320C54X指令系统的七种数据寻址方式，掌握分支转移、调用与返回、条件操作、重复操作、复位操作、中断等程序流程控制的主要操作方式。了解TMS320C54X的指令分类及主要特点，掌握指令的表示方法，掌握指令系统速查表。掌握乘累加指令、重复指令、部分条件操作指令等常用指令的使用。掌握加减和乘法运算、程序控制与转移、重复操作等基本程序设计。了解数字滤波器和快速傅里叶变换等应用程序设计。

（二）课程的重点、难点及解决办法

重点：重点掌握TMS320C54X的内部硬件组成及特点。掌握CPU的基本组成、工作原理、特点与应用；掌握TMS320C54X的存储器结构及存储器空间的配置；掌握TMS320C54X的在片外围电路的结构与应用，掌握外部总线与外部存储器以及I/O设备的接口信号、接口信号之间的时序关系、等待状态的插入。掌握TMS320C54X的各引脚的名称及功能。掌握TMS320C54X指令系统的七种数据寻址方式，掌握分支转移、调用与返回、条件操作、重复操作、复位操作、中断等程序流程控制的主要操作方式。掌握指令系统速查表。掌握乘累加指令、重复指令、部分条件操作指令等常用指令的使用。掌握加减和乘法运算、程序控制与转移、重复操作等基本程序设计。着重了解数字信号处理理论的软硬件实现法就是通过DSP芯片的硬件配置和编程的实现方法。着重了解数字滤波器和快速傅里叶变换等应用程序设计。

难点：数字滤波器和快速傅里叶变换的应用程序设计。

解决办法：

解决难点的方法是扫清几个障碍。第一个障碍就是数字滤波器和快速傅里叶变换的内容是在数字信号处理课程中学习的，要复习相关的内容，使学生对相关内容有一个更深更清晰的认识，并能够对目前的软硬件实现方法联系起来认识。第二个障碍就是对指令还不熟悉，因此对于需要用到的指令需在前面详细介绍，如乘累加指令、重复指令、部分条件操作指令等常用指令。第三个障碍就是怎样把实现数字滤波器和快速傅里叶变换的算法转化为程序结构，在实践中比较好的方法是用图解法讲解，并通过上机操作用单步运行方式调试程序。

三、实验实践环节及基本要求

1．实验实践教学环节在本课程中的作用及要求

本课程是实践性很强的课程，上机实验环节对于整个课程的学习至关重要。学生通过上机实验才能更好地掌握理论知识，将理论知识用于实践中。特别是实现数字滤波器和快速傅里叶变换的算法要转化为程序结构，通过程序分析并用单步运行方式调试程序，观察实验结果，在这个过程中逐步理解理论知识的应用。实验教学要求掌握TMS320C54X的集成开发环境软件CCS2.0的使用，掌握用TMS320C54X中任一型号制作DSP开发系统的方法及步骤。掌握TMS320C54X汇编语言程序调试方法，进一步熟悉汇编语言指令，掌握常用指令的使用，掌握加减和乘累加运算、程序控制与转移、重复操作等基本程序的编写与调试，掌握数字滤波器和快速傅里叶变换的程序结构及调试。

2．实验项目

实验一：CCS2.0软件的使用与基本程序调试（2学时）

实验内容：了解CCS软件的操作环境和基本功能，熟悉使用软件仿真方式调试程序。

实验要求：调试一个用C语言编写的DSP程序；调试一个以汇编语言为基础的DSP程序。

实验二：定时器应用（2学时）

实验内容：掌握定时器的控制方法。学会C语言中断程序以及定时器的控制程序设计和调试。

实验要求：调试一个用C语言编写的定时器程序。

实验三：串行口应用（2学时）

实验内容：了解标准RS-232串行通信接口的原理和方法；学会对串行通信芯片的配置编程。

实验要求：调试一个用C语言编写的串口通信程序，学会查看实验结果。

实验四：A/D转换和D/A转换（2学时）

实验内容：掌握片内A∕D的控制方法；掌握扩展数模转换方式及数模转换程序设计方法。

实验要求：调试一个用C语言编写的A∕D程序和一个用C语言编写的D∕A程序。

实验五：快速傅里叶变换与谱分析（4学时）

实验内容：了解FFT的算法原理和FFT子程序的算法流程和应用；掌握用FFT对连续信号和时域信号进行频谱分析的方法。

实验要求：利用DSP模块，对不同的输入信号进行FFT变换，观看不同信号在频域内的特性。

实验六：数字滤波器（4学时）

实验内容：掌握用窗函数法设计FIR数字滤波器的原理和方法；熟悉线性相位FIR数字滤波器特性；了解各种窗函数对滤波器特性的影响。

实验要求：调试一个用C语言编写的FIR滤波器程序，对于给定的不同输入信号查看滤波结果。

四、本课程与其它课程的联系与分工

本课程的先修课程为数字信号处理、微机原理、单片机原理与应用，本课程是数字信号处理的软硬件实现方法，因此要求学生必需掌握数字信号处理中数字滤波器的概念和设计方法，以及离散傅里叶变换的概念及算法，掌握信号频谱的概念等理论知识才能进行本课程的学习。本课程与微机原理、单片机原理二门课程在内容上有较多的相似之处，很多概念相同，可以互相印证，避免重复。

五、对学生能力培养的要求

通过本课程学习，使学生在掌握DSP器件原理的基础上，具有DSP芯片集成开发环境CCS软件的使用能力和汇编语言程序的调试能力，以及DSP芯片应用系统开发的能力。

六、课程学时分配

总学时32，其中讲课16学时，实验16学时。课程主要内容和学时分配见课程学时分配表。

课程学时分配表

七、主要教学方法

1、本课程与先修课程数字信号处理的关系密切，是数字信号处理的理论的软硬件实现法，因此本门课程本身即是理论与与实践相结合的典型实例，在教学中，实例教学占很大比重。

2、本门课程与先修课程微机原理、单片机原理与应用二门课程中的内容有较多的相似之处，因此类比法教学会收到很好的效果，也避免了重复教学。

3、本门课程的实验教学占了一半的教学时数，教师要充分利用现有的实验条件，安排好实验内容，把实验内容与教学内容紧密地结合起来，会对教学效果产生很大的作用。

八、建议教材和主要教学参考书目

1．教材

[1]《TMS320C54x DSP 结构、原理与应用（第二版）》，戴明桢等，北京航空航天大学出版社，2007年

2．主要参考书

[1]《TMS320C54x DSP 应用程序设计》，刘益成，北京航空航天大学出版社，2002年

[2] Texas 仪器公司，TMS320C54x DSP 用户系列手册，1999 年

[3]《DSP集成开发与应用实例》，张雄伟等，北京电子工业出版社，2002年

九 、课程考核

本课程采用闭卷考试方式，总评成绩由平时成绩、实验考核成绩、期末考试成绩组成，无期中考试。平时成绩占总评的20%，实验考核成绩占总评的40%，期末成绩占总评的40%。平时成绩从作业、上课出勤率等几方面进行考核。

十、说明

DSP器件的生产厂家较多，本大纲是选用占世界产量70%的美国德州仪器公司的DSP器件为范例进行教学的教学大纲。

执笔人：康广荃    审核人：赵航    教学院长（主任）：王芳