DSP芯片原理与应用.pptx

DSP DSP 芯片原理与应用芯片原理与应用 钱慧 2012-2013学年第二学期 PART1 前言 1 关于本课程 课时较短：32学时 课堂讲解基本原理和使用方法 课后自学相关内容的细节问题 课堂主要内容：TMS320DM642 硬件原理：结构与外设 软件编程：软件开发与代码优化 系统设计：最小系统设计 2 课堂要求与学习目标 课堂要求 了解高速DSP的发展趋势 理解高速DSP的结构、外设和编程 掌握高速DSP系统设计方法 学习目标 能够根据需要进行DSP选型 能够设计高速数字信号处理系统 能够编写高效率的DSP程序 3 预备知识：本科电子类课程 C语言 基本的编程能力和软件概念 微机原理（x86） 计算机结构的基本概念（指令、寄存器、总线、中断等） 数字信号处理 知道自己要做的滤波器、FFT等 模拟和数字电路 对DSP的I/O系统建立概念 对板级系统建立概念 时钟、复位、RAM等 计算机操作 5 课程用到的参考数目 DM642芯片学习的书籍 TMS320 DM642DSP原理与应用实践，电子工业出版社 TMS320 DM642应用系统设计与开发，人民邮电出版社 C6000原理介绍的书籍 TMS320C6000系统DSP原理与应用，电子工业出版社 TMS320C6000DSP应用开发教程，电子工业出版社 PART2 概述 DSP的特点 DSP的芯片分类 Add your text in here Add your text in here 概述 DSP的发展历程 主要内容 DSP的产生 DSP产生的根源是基于软件的信号处理实现。我们需要这 样的处理器： 可以嵌入式运行：无界面、小体积、低功耗 外围电路简单，以便迅速开发各种专用系统 高速运算能力 针对典型信号处理算法运行时间可以预测 与运算能力匹配的高速IO（计算机重在计算、处理机重在“流动” ） 不需要高级软件功能 为了适应上述需要，DSP采用了一些特俗的结构，使DSP 从通用处理器中分离出来，成为一类独立的微处理器 1987年，TI推出第一代DSP芯片 TMS320C10 u5 MIPS(Million Instructions Per Second) u4K RAM u3微米工艺 u55000个晶体管 u汇编语言 电子信息时代的历史变迁 20 世纪 60 年代 21 世纪 21 世纪初 10 亿美元 10,000 亿美元 1,000 亿美元 100 亿美元 整体半导体市场 大型机 晶体管 小型计算机 TTL/逻辑 个人电脑 微处理器 通信与娱乐 DSP + 模拟 20 世纪 70 年代20 世纪 80 年代20 世纪 90 年代 推出单芯 片数字信 号处理器 推出 Speak Spell 器 件 发明首款 手持计算 器 首款商用晶 体管与首款 商用晶体管 收音机 演示了数字投影 显示系统，DLP 技术于 1998 年 获得了艾美奖 于 2004 年宣布推 出首款单 芯片手机 20 世纪 50 年代 20 世纪 60 年代 20 世纪 70 年代 20 世纪 80 年代 20 世纪 90 年代 21 世纪 21 世纪初 Jack Kilby 发明集 成电路并获 2000 年诺贝尔物理奖 推出了达 芬奇技术 数字化应用 从: 音乐播放 到: 收音机相机摄像机 15万台/年 DVC IP-7 Panasonic SV-AV30 NV-GX7K 50万台/年 Sony DSC P series Kodak DX4330 Canon DSC A200 100万台/年 Philips eXpanium Archos Jukebox Multimedia 20 Lyra Jukebox RD2820 100万台/年 Perstel DR201 数字化应用 从: 到: 70万台/年80万台/年 New AV-Receiver using 320DA610 10万台/年40万台/年 录像机电视 电影/ 音乐厅 汽车 实时信号处理 DSP芯片的特点 对DSP内核的传统认识： MAC（乘加）指令，一周期内完成 多总线结构（哈佛结构） 快速寻址（专用寻址寄存器） 零耗循环（硬件循环控制器） 片内集成存储器和I/O 运行时间可预测 算术单元 硬件乘法器 通用微处理器内通过微程序实现的乘法操作往往需要100多个时钟周 期，非常费时。因此在 DSP内部设有专门的硬件乘法器。 多功能单元 为进一步提高速度，可以在CPU内设置多个并行操作的功能单元（ ALU、乘法器和地址产生器）。如C6000的CPU内部有8个功能单元 ，包括2个乘法器和6个ALU。 针对MAC乘加运算，多数DSP的乘法和加法都支持在1个时钟周期内 同时完成一次乘法和加法操作 多总线结构 冯诺依曼 哈佛结构 冯诺依曼体系结构 程序计计数 器（PC ） CPUCPU 存存储储储储器器 程序（指令程序（指令 ） 数据数据 地址地址 数据数据 哈佛结构 程序计计数 器（PC ） CPUCPU 数据存数据存储储储储器器 存存储储储储器器 地址地址 数据数据 地址地址 数据数据 专用寻址单元 DSP面向的是数据密集型应用，伴随着频繁的数据访问， 数据地址的计算时间也线性增长。DSP用专门的地址产生 器，用于支持地址运算，地址计算不需要额外占用CPU时 间。 DSP的地址产生器一般都支持间接寻址，而且有些DSP还 能支持位反寻址 不断引入的技术 越来越长的流水线 Catch VLIW（超长指令结构） SIMD（单指令多重数据） MIMD（多指令数据流） 流水处理 一条指令分成几个子操作 可并行处理多条指令 流水线深度：2-6级 片内存储器 现代微处理器内部一般都集成有高速缓存，但是片内一般 不设有存储程序的ROM和存储数据的RAM。这是因为通用 微处理器的程序一般都很大，片内存储器不会给处理器性 能带来明显改善。 DSP算法的特点就是需要大量的简单运算，相应地其程序 也比较短小。存放在DSP片内可以减少指令的传输时间。 DSP性能指标 MIPS：百万条指令/秒(Million Instruction Per Second) 按公式 S=J/(Ti10 -6 ) 计算，其中Ti为指令周期（单位ns），J为每 周期并行指令数 MOPS：百万次操作/秒(Million Operation Per Second) MFLOPS:百万次浮点操作/秒(Million Float Operation Per Second) MBPS：百万位/秒(Million Bit Per Second)MBPS用于衡量 DSPs的数据传输能力 德州仪器（TI）的三大DSP系列 TMS320C2000 数字控制数字控制 TMS320C5000 消费、便携类消费、便携类 TMS320C6000 通信基站、通信基站、 数字图像处理数字图像处理 控制优化低功耗高性能 v 硬盘&采暖、通风空调 v 电机控制 v 家用电器 v 变频电源控制 v 手机 v 便携式电子产品 v 生物识别 v 电信和VoIP v 无线基站 v 视频流、视频会议 v 视频安防监控 v 医疗成像 Optical Networking Control of laser diode TV screen Deflection of electron beam for small angle and sharp corner TV screen Automotive EPS(electric power steering system) Battery operated precision for steering Printer Print head control Paper path motor control Digital Power Supply Provides control, sensing, PFC, and other functions “Segway” Many new cool Application to come Tire Pressure Low cost pressure sensing based on tire rotation speed measurement C2000系列DSP C2000系列DSP F2812/11/10内部结构 Memory Bus 128Kw Flash + 2Kw OTP 4Kw Boot ROM 18Kw RAM Code security XINTF 32-bit Register File Real-Time JTAG 32-bit Timers (3) 150 MIPs C28xTM 32-bit DSP 32x32-bit Multiplier RMW Atomic ALU Interrupt Management Event Mgr A Event Mgr B 12-Bit ADC Watchdog GPIO McBSP CAN 2.0B SCI-UART A SCI-UART B SPI Peripheral Bus 从片内RAM 和Flash 存储器上快速执行程序 l100-120 MIPS（采用Flash加速技术） l150 MIPS（关键的代码在片上RAM中执行） 存储器子系统 事件管理器 超高速12-位ADC l12.5 MSPS采样率 l双采样保持器，可以同时采样 l自动通道排序器，无需CPU干预最多1次转换16通道 控制口 多个标准通信口，简化与其他器件的接口 Communications Ports l150MIPS（每秒执行1.5亿条指令） l单周期完成一条32x32-位MAC (或2条16x16-位MAC) l极快的中断响应 l单周期完成读-修改-写操作 l与F24x/LF240x源代码兼容 高性能 CPU (C28x TM内核) C5000系列DSP的应用 TI DSPs in 60% of all digital cell phones TI DSPs chosen by 8 of top 10 internet consumer electronic manufacturers TI DSPs chosen by 7 of top 8 digital still camera manufacturers TI DSPs in 80% of IP phone designs TI has 80% of VoIP Gateway market TI DSPs used in 8 of the top 10 wireless infrastructures TMS320C5000 Internal and external transfers Six channel DMA 32KW DARAM 16KW ROM On-Chip Memory 176 TQFP 24x24mm 176 *BGA 15x15mm Package Maximum GPIO to meet system needs 100MBps/ 50MBps No software overhead Hardware UART Glueless interfaceI2C Interface Allows inexpensive memory off chip 16 KByte I-Cache 3 Multi-channel Buffered Serial Ports 128 Channels 100Mbps each Low cost SDRAM & SBRAM, Asyn RAM support 400 MBps bandwidth 32-bit External Memory Interface (EMIF) C55x TM DSP Core I-Cache Advanced Power Mgmt Instruction Buffer Unit Idle Domain Register Barrel Shifter 40-bit ALU Advanced Emulation TMS320C5502 200 MHz 32 bit-EMIF Dual Mac Accumulators Register s Address Units Peripherals Clock Generator GPIO 6 channel DMA 3 McBSPs Enhanced HPI H/W UART Peripherals Bus I2C Interface 2 Timers 16-bit ALU Watchdog Program 32 bits Program 32 bits 16 KW ROM Data Read (3-16 bit) Data Write (2-16 bit) 32 KW DARAM 76 GPIO, 8 Dedicated 16-bit/8-bit Enhanced Host Port Interface C5000系列DSP C5502内部结构：极好的性能价格比 400MIPS, 500MBps I/O, 90mW, $9.95 in 10Ku DSL Modem Modem池 基站收发器 无线局域网 区域用户交换机 语音识别 多媒体网关 专业音频设备 网络照相机 机器视角 安全认证 工业扫描仪 高速打印机 高级加密器 宽带通信 无线3G基站 医疗成像 C6000系列DSP 应用领域 TI C6000系列DSP TMS320DM642（数字媒体应用 ）内部结构 C64x TM 32-位定点DSP l4800MIPS(600MHz) l16KB L1P、16KB L1D、256KB L2 IIC总线 McASP：最多16个立体声通道 l32-位、66MHz、3.3V l支持主从模式，符合PCI 2.2 规范 PCI总线 10/100M以太网接口：EMAC+ MDIO C64x TM DSP Core 数据通路 1数据通路 2 M2D2S2 L2 寄存器堆 A寄存器堆 B 指令译码 指令调度 取指 控制寄存器 中断控制 在线仿真 S1L1M1 D1 定时器 2定时器 0定时器 1 TMS320DM642 DSP JTAG RTDXPLL 节电 逻辑 L1D：数据Cache 2 维组关联型Cache（16K字节） L1P：程序Cache 直接映射型Cache（16K字节） L2 Cache/存储器 256K字节SRAM 增强型DMA控制器 64 通道EDMA EMIFA 64 GPIO 16 IIC PCI-66或HPI 32 HPI16+EMAC/MDIO 或 或 1个 10-位VP0 和 McBSP0 或McASP 1个 20-位VP0 或 2个 10-位VP0 或 1个 10-位VP1 和 McBSP1 或McASP 1个 20-位VP1 或 2个 10-位VP1 或 2个10-位 VP2 1个20-位 VP2 3个双通道视频口 l每个视频口有2个视频通道，并 可由软件配置为输入或输出口 l具有视频滤波、水平缩放功能 l可直接与视频器件无缝连接 l支持BT656、数字TV格式（ SDTV 和HDTV）、原始视频I/O l每个视频口可支持8/10/16/20-位 什么是DaVinci DAVINCI技术是TI推出的新一代视频、图像、语音和音 频解决方案的统称 硬件上：采用SOC技术，集成TI的高性能DSP64X+内 核和高端的ARM内核 ARM：提供丰富的外设接口 DSP：数字信号处理（视频、图像、语音和音频）能力 软件上：提供了很多优化的多媒体编解码引擎（基于 DSP/BIOS和XDAIS），API和应用程序框架（基于 LINUX）便捷的集成开发环境 TI的Davinci处理器：TMS320DM64x、DM643x、 DM644x、DM646x、DM3xx DaVinci技术面临的主要挑战和创新 数字视频面临的挑战数字视频面临的挑战 智能智能视频视频视频视频 系系统统统统行行业业业业 市市场预计场预计场预计场预计 到到20112011年年 将超将超过过过过9090亿亿亿亿美元，美元， 大幅度增大幅度增长长长长主要主要归归归归功功 于市于市场对场对场对场对 安全需要不安全需要不 断上升，以及技断上升，以及技术创术创术创术创 新的不断新的不断发发发发展，特展，特别别别别 是数字化、全面网是数字化、全面网络络络络 化的化的视频视频视频视频 系系统统统统出出现现现现 2006年，全球我难过难过 了视频监视频监 控产产品增长长迅猛， 增幅达41.9%，预计预计 到2010年市值值超过过26亿亿美元 视频监控与食品服务器市场增长迅速 监监控摄摄像头头芯片市场场到2011年达到12.5亿亿美金， 是2006年5.25亿亿美金的2倍多 视频视频