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基于 DSP的数字信号处理系统的研究与实现
李婷，杜冬平，张宜驰
中国矿业大学（北京）机电学院，北京（100083）
摘 要：目前许多领域，对语音和视频处理的实时性要求越来越高，这些语音和视频信号直
接进行网络传输的话，其实时性很差，甚至很不可靠。把这些音频和视频的数字信号经过优
化处理之后，再进行网络传输的话，其实时性和可靠性能得到很大提高。自从 1982年美国
德州仪器(TI)公司推出可编程 DSP处理器以来，DSP的应用领域取得了不断的拓展。无论是
在计算机外设、通信、工业控制、航空航天、精密仪器，还是在家用电器、语音和图像处理
等领域都有 DSP的身影。
关键字：数字信号处理；网卡；可编程逻辑器件
中图分类号：TP355
0 概述
比较 TI公司所提供的从低端到高端不同系列[1]、不同档次的 DSP芯片，认为 TMS320
系列产品较为适合。该产品在我国有很广泛的应用，性价比较高。采用的 DSP芯片，是 Tl
公司的 TMS320C54xx系列产品。MS320C54XX是 16bit定点 DSP，适应远程通信等实时嵌
人式应用的需要。它有高度的操作灵活性和运行速度，使用改进的哈佛结构，具有专用硬件
逻辑的 CPU、片内存储器、片内外围设备以及一个高度专业化的指令集。
1 系统总体设计
本系统实现的是一个基于定点 DSP芯片 TMS320VC5402的网络数据处理传输系统，主
要功能是对网络上传输过来的各种数据信号进行高效率的处理，可应用于网上数据的解压缩
并进行传输。现在各种数字信号都可以在网上进行传输，一般都是实现主机和主机之间的数
据传输，对于某些特定场所的信号传输的方法还有待进一步改善[2]，例如一些需要监控的场
所，由于视频信号的数据量很大，对于一个监控点，都需要一台单独的主机通过光纤来接收
大量的数据。如果监控的点太多，设备的成本就明显的提高。本系统利用 DSP芯片结合 NIC
网络适配器对数据量的数字信号进行处理并通过网络媒介进行传输。本系统主要有三部分组
成:TMS320VC5402、CpLD和 NIC等。
图 1系统功能框图
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2 系统总体设计
DSP芯片 TMS320VC5402性能介绍
TMS320VC54(2)(以下简称 VC5402)的 CPU结构特征如下[3]:
(1)具有高性能改进的哈佛总线结构。在 VC5402内部具有三条独立的 16bit数据存储器
总线和四条 16hit地址总线和一条 16hit的程序存储器总线;
(2)具有一个 40hit的算术逻辑单元，包括一个 40bit的桶形移位器和两个独立的加法器;
(3)17x17bit的并行乘法器与专用的 40hit加法器相结合可以在一个非并行指令周期内完
成一次乘法和加法操作(MAC);
(4)具有专用于叭 terbl碟形算法的比较、选择和存储单元(CSSU);
(5)指数译码器可以在一个指令周期内求一个 40bit累加数的指数值，这里的指数定义为
累加器中没有数据占用的位数的个数减去 8，因此，指数的范围为一 8~31;
网络控制芯片 RTL8019AS性能介绍
在本系统中，我们使用的是 REALTEK公司的 RTL8019As。RTL8019AS是一种高度集
成的以太网控制器，对于使用带有全双工和低功耗特点的即插即用的 NEZ以 X〕兼容的适
配器，RTL8019AS提供了一个简单的解决方案。有三种等级的低功耗控制特性，使
RTL80919As成为 GREENPc系统中网络设备的理想选择。全双工功[3]能使得收发能在连接
到一个全双工交换器上的双绞线上同时进行。这个特性不仅提高了通道的带宽(从 oMbps到
ZoMbps)，而且避免了以太网中 CSM户 JCD协议的信道冲突这样的难题。微软的即插即用
功能使得用户不用关心适配器资源配置，例如琅 Q、拍和存储器地址等。对一些专用不用即
插即用功能的设备，RTL8019AS也提供了跳线和非跳线选择。
图 2 0RTL8019AS的体系结构
可编程逻辑器件 CPLD性能介绍
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CPLD在本系统中起着一个桥梁的作用，它完成系统中的电压的匹配和译码功能。
本系统采用的 CPLD[4]是 ALTERA公司的MAX7仪心系列中的 EPM7128STC100一 10，
EPM7128STC100一 10内部有 2500个可用门，128个宏单元，8个逻辑阵列块，多达 100
个拍引脚。M7(XX)系列器件提供可编程的速度助耗的最优化，对于设计中，速度关键
的部分可以全速大功耗运行，而其他的部分可以低速低功耗的运行。这一特点使得设计
者可以配置单个或更多的宏单元工作在 50%或更低的功耗下，仅仅加人一个名义上的时
间延迟就能达到这个目的。对于 CPLD的开发使用我们熟悉的开发工具MA火卫 LUS和开
发语言 VHDL，使用 JTAG下载。
电源
TMS320VC5402的外围主要有电源、连接端口、FO端口及通过 CPLD扩展的 EEpROM。
TMs320C54x系列 DsP 芯片大部分采用低电压供电方式，这样可以大大降低 DSP 芯片的功
耗。TMS320VC5402 的电源分为两种，即内核电源(CVdd)和 FO 电源(Dvdd)。其中，FO[5]
电源一般采用的是 电压，而内核电源采用的是 电压降低内核电压的主要目的是要
降低功耗。
图 3从 SV产生双电源
3 系统软件设计
系统软件流程图:
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图 4软件设计流程图
TMS320VC5402程序设计
系统的初始化包括两部分[6]:一是 TMS320vC5402的初始化;一是 RTL8019AS，即网卡的
初始化。在 TMS320VC5402 中的存储器必须进行配置后才能使用。而这些工作都是由用户
来完成的。在软件工程中，你需要加人.cmd 为后缀的文件。这个文件是给链接器使用的，
用户需要自己完成这个文件。链接器根据这个文件的内容来确定输出段应分配到存储器的什
么地方。C/C++程序中需要响应中断处理时，应将中断向量表文件加人到工程中去。本系统
是基于 DSP 的数字信号网络传输系统，它主要的功能是对数字信号进行处理，然后进行网
络传输。DSP处理器的强大功能就体现在它对数字信号处理算法的软硬件支持。
BootLoader程序设计
在本系统中，采用的是并口 8 位数据空间引导，典型的电路如图 5 所示。BootLoader
程序首先读取数据空间刊叮下 H 中的内容，其中包含了一个有效的地址，这个地址就是需
要引导的数据的起始地址。根据这个地址，BootLoader程序首先读取 Boot表的第一个字，
当该字为 OX10AA时，采用 16位的读取模式;当第一个字的后面 8位是 0x08，下一个字的
后面 8位是 OXAA时，采用 8位的读取模式;接着读取下面的 R一 1个字初始化寄存器的值
(根据不同的模式 R具有不同的值，对于并口 R二 3);下面为程序完成 Boot之后的人口偏移
指针 XPC和指针 PC;再下面的结构相似的，依次为区段的长度、搬移到目的程序区的 XPC
和 PC以及所需搬移的区段内容;Boot程序依次将各个区段搬移到内部 RAM程序区中;最后，
全部搬移完成后，程序指针会跳转到程序人口处，DSP进人工作状态。
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图 5 引导装载原理图
RTL8019AS网络控制程序设计
VC5402 在和 RTLSO19As 进行数据交换事务时有两种操作方式，一种是查询方式，另
一种是中断方式。
在查询方式下，VC5402通过读取 RTL8019AS中 Pageo的 ISR寄存器，根据 ISR寄存
器中的值来判断有什么事件发生了。在接收数据的时候，也可以通过判断 BNRY 寄存器和
CURR寄存器的值来确定是否收到数据。特别需要注意的是，在读取数据时[7]，需要程序改
变 BNRY的值，以便读取下一个数据。
在中断方式下，当 CONFIGI寄存器的值设置为 Ox80(最高位是中断请求使能位)，中断
屏蔽寄存器且以 R的对应为设为 1时，这时 RTL8019AS的中断就打开了，在 VC5402中使
能中断 O，相应 RTL8019AS的事件。
4 总结
本系统主要特点有以下两点:
(l)在 DSP和 CPLD结合开发中取得了较大的成果。CPLD的桥梁作用在 DSP的开发中
得到了充分的体现。CPLD不仅完成了 DSP和低速设备的兼容，而且使得 和 sv设备之
间的连接变得相当的简单。CPLD在本系统中完成了电平匹配、数据缓冲和译码等功能。DSP
和外围设备，例如存储器和 NIC的连接都是通过 CPLD完成的。
(2)在基于 DSP 的嵌人式系统中，实现了 TCP/IP 协议的封装。利用网络，本系统通过
NIC和外部各种带有 NIC的设备进行数据。
参考文献
[1] 汪安民.TMS320C54xDSP实用技术，北京:清华大学出版社，2006.
[2] 甘历.VHDL应用与开发实践，北京:科学出版社，.
[3] 任晓东.CPLD高级应用开发指南，北京:电子工业出版社，.
[4] EDA先锋工作室.FPG户 JCPLD设计工具 使用详解，北京:人民邮电出社 .
[5] 林明权.VHDL数字控制系统设计范例.北京:电子工业出版社，.
[6] 胡振华.VHDL与 FPGA设计，北京:中国铁道出版社，.
[7] 赵俊超.集成电路设计 VHDL教程，北京:北京希望电子出版社，2004.
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Research and realization of digital signal processing system based on
DSP
Li Ting, Du Dongping, Zhang Yichi
School of Mechanical Electronic and Information Engineering, China University of Mining and
Technology, Beijing (100083)
Abstract
Now in many fields and in many electronic products, there is bigger and higher requirement of
real-time quality for the voice and video procession. But if we transmit these voice and video signals in
network without disposing, the real-time quality would be very poor, even and very undependable. But
if we optimize these signals before transmitting, then the performance would be consumedly increased.
Since the American TI Corporation discovered the first DSP chip in 1982, the field of DSP application
has been expanded. Now we can see the use of DSP in whether the fields of peripheral equipment,
communication, industry, control, aviation and aerospace, precision instrument or electronic household
appliance, voice and image processing.
Keywords: digital signal processing; network card; DPLD
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