DSP芯片及其在图像技术中的应用[1](精)

#16#文章编号:1000-8829(2001 05-0016-045测控技术62001年第20卷第5期DSP 芯片及其在图像技术中的应用DSP Chip a nd Its A a ppl ication in Image(北京工业大学信号与信息处理室, 北京 100022刘党辉, 沈兰荪摘要:阐述了DSP 芯片的发展、结构和特点, 重点描述了一些最新产品及其性能和应用领域, 并介绍了一个基于D SP 芯片的图像系统。关键词:D SP 芯片; 图像技术中图分类号:TN492;TN911.73文献标识码:AAbstract:The article summarizes the development, structure and characteristic of DSP chip, and puts an emphasis on some ne w products, perf ormance and applying fields, then in 2troduces a image system based on a D SP chip. Key words:DSP chip; image tec hnology据格式将其分为两大类定点DSP 芯片和浮点D SP 芯片。定点D SP 品种最多, 处理速度为202400MIPS; 浮点D SP 基本由TI 公司和AD 公司垄断, 处理速度为40M1G FL OPS 。2 D SP 芯片的体系结构及其主要特点DSP 芯片是专为高速信号处理而设计的, 由于采用了不同于普通单片机的体系结构, 因而具有一些显著的特点。2. 1 哈佛结构传统的冯诺伊曼(Von 2Neumann 结构由于具有单一公用的数据和指令总线, 因此在高速运算时, 往往在传输通道上会出现瓶颈效应。DSP 芯片内部一般采用哈佛(Harvard结构, 片内至少有四套总线:程序的数据总线与地址总线, 数据的数据总线与地址总线。这种分离的程序总线和数据总线, 可允许在一个机器周期内同时获取指令字(来自程序存储器 和操作数(来自数据存储器 , 从而提高了执行速度。2. 2 硬件乘法器数字信号处理中最重要的一个基本运算是乘法累加运算, 也是最主要和最耗时的运算, 因此单周期的硬件乘法器是D SP 芯片实现快速运算的保证。现代高性能的DS P 芯片甚至具有两个以上的硬件乘法器用以提高运算速度。数据宽度也从16位增加到32位。2. 3 多个并行处理单元D SP 内部一般都集成了多个处理单元, 如硬件乘法器(MUL 、累加器(ACC、算术逻辑单元(A L U 、辅助算术单元(ARA U 以及D M A 控制器等。它们都可以并行地在同一个周期内执行不同的任务, 例如辅助算术单元能为下一次的运算做好准备, 适合于完成连续的乘加运算。芯片内部还包括有其他总线, 如D M A 总线等, 可实现数据的后台传输而几乎不影响主CP U 的性能的有FFT 的位反转寻址, 语音的A 律、L 律算法等。为了提高并行处理能力, 现代D SP 芯片通常采用单指令多数据流结构(SI M D 、超长指令字结构(VLIW 、超标量体系结构、多DS P 核体系结构和DS P/1 D SP 芯片发展简况自1982年美国TI 公司推出第一个DSP 芯片T M S32010以来, D SP 芯片有了很大的发展。D SP 芯片不仅在运算速度上有了很大的提高, 而且在通用性和灵活性方面了极大地改进。此外, D SP 芯片的成本、体积、重量和功耗也都有了很大程度的下降。随着D SP 芯片应用领域的不断扩大, D SP 芯片已形成低、中、高三个档次:低端产品执行速度一般为2050M IPS, 能维持适量存储和功耗, 提供了较好的性能价格比, 适用于仪器仪表和精密控制等; 中端产品执行速度一般为100150M IPS, 结构较为复杂, 具有较高的处理速度和低的功耗, 适用于无线电信设备和高速解调器等; 高端产品执行速度一般为1000MI PS 以上, 处理速度很高, 产品结构多样化, 适用于图像技术和智能通信基站等。对于种类繁多的D SP 芯片, 一般可按其工作的数收稿日期:2001-01-15作者简介:刘党辉, 男, 北京工业大学信号与信息处理研究室博士研究生, 主要研究方向为图像处理; 沈兰荪, 男, 博士生导师, 曾任中国科技大学高技术学院副院长, 现任北京工业大学信号与信息处理研究室主任, 主要研究方向为智能化信息处理, 已发表论文100余篇, 出版专著11本。:D SP 芯片及其在图像技术中的应用M C U 混合结构, 这些并行处理机制大大提高了D SP 芯片的性能。2. 4 流水线技术DSP 芯片的哈佛结构为流水线技术提供了方便。由于采用流水线技术, DSP 芯片可以单周期完成乘法累加运算, 大大提高了运算速度。而D SP 芯片的指令基本上都是单周期指令, 因此单周期指令执行时间可以作为衡量DSP 芯片性能的一个主要指标。2. 5 片上存储器外部存储器一般不能适应高性能DS P 核的处理速度, 因此在片上设置较大的程序/数据存储器以减少对外部存储器中程序/数据的访问次数, 充分发挥DSP 核的高性能。目前高性能DSP 芯片上的可配置程度/数据RAM 高达7M B 。采用大的片子存储器可以减少外部存储器接口的引脚, 甚至省略外部存储器接口, 而且也减小了芯片的封装体积。2. 6 多种外设和接口为了加强DSP 芯片的通用性, D SP 芯片上增加了许多外设。可能包括的外设有:多路D M A 通道、外部主机接口、外部存储器接口、芯片间高速链接口、外部中断、通信串口、定时器、可编程锁相环、A/D 转换器、JTAG 接口等。2. 7 特殊寻址模式为了满足FFT 积等数字信号处理的特殊要求, D SP 芯片大多包含专门的硬件地址产生器, 用以实现循环寻址和位翻转寻址, 并在软件上设置了相应的指令。2. 8 零消耗循环控制数字信号处理的一大特点是大部分处理时间花在了较小循环的少量核心代码上。大部分D SP 芯片具有零消耗循环控制的专门硬件, 可以省去循环计数器的测试指令, 从而提高了代码效率, 减少了执行时间。2. 9 JT AG 接口由于D SP 芯片结构的复杂化、工作速度的提高、外部引脚的增多、封装面积减小而导致的引脚排列密集等原因, 传统的并行仿真方式已不适合于DS P 芯片的发展和应用开发。1991年公布的JT AG 接口标准满足了IC 制造商和用户的要求, 1993年JTA G 接口标准修订为5线接口。在片JT AG 接口为D SP 芯片的测试和仿真提供了很大的便利。2. 10 程序的加载引导加载引导是指器件在上电复位后执行一段引导程序, 用于从端口(异步串口、I/O 口、主机接口 或外部EPRO M /FL AS H 存储器中加载程序至高速RAM 中运行。一般用EPRO M /FLA SH 存储器存储程序, 但是其访问速度较慢, 而一些已有的高速EPRO M /FL AS H 存储器价格昂贵且容量有限; 同时高速大容量静态RA M#17#价格又在不断下降, 因此这种加载方式是一个有效的性价比解决方法。3 主要DS P 芯片简介目前, 90%以上的市场份额被四大D SP 厂商瓜分, 即TI 、Lucent 、AD 和Motorola 。其他的DSP 厂商还有A T &T、Fujitsu 、Harris 、ID T 、I NM O S 、NEC 、O KI 、SamSung 等80余家, 他们主要生产用于特殊功能的设备, 如调制解调器、MPEG 译码器、硬盘驱动器等。3. 1 TI 公司产品TI 公司自1982年推出其第一个DS P 芯片TM S32010以来, 目前已成为世界上最大的D SP 芯片供应商, 占全球份额近50%。TI 公司先后推出的T M S320系列产品包括:c C1x 、c C2x 、c C2xx 、c C5x 、c C54x 、c C55x 、c C62x 等定点系列D SP 芯片, c C3x 、c C4x 、c C67x 等浮点系列DS P 芯片; c C8x 系列多核DS P 集成系统等。在T M S320系列产品中, c C1x 、c C2x 已属于淘汰产品, c C5x 也将被淘汰, 多核的c C8x 由于价格昂贵和开发复杂也将被淘汰。在低端应用中可采用c C2xx, 而中端应用中可采用c C54x 。c C2xx 向下兼容c C1x 、c C2x, 向上兼容c C5x; c C54x 向下兼容c C1x 、c C2x 、c C5x 。高端产品c C62x 向下兼容所有定点芯片, c C67向下兼容c C3x 、c C4x 浮点芯片。在老牌产品中, 由于c C3x 仍在不断改进中, 因此还是TI 公司目前主推产品之一。TM S320系列今后将主要以三个平台为基础发展:D SP 控制平台c C2000(c C20x 、c C24x ; DS P 有效性能平台c C5000(c C54x 、c C55x ; D SP 高性能平台c C6000(c C62x 、c C67x 。表1列出了TM S320系列D SP 芯片主要产品的性能及其典型应用领域。另外, TI 公司新开发的控制平台内核c C28x 速度可达400M IPS 以上, 而高性能平台内核c C64x 可工作于6001100M Hz, 速度可达48008800MIPS, 基于核的设计可大大提高系统性能。TI 公司还与AR M 公司联合开发了新的D SP/MCU 双核平台, 具有高性能和低功耗的特点, 适用于蜂窝移动电话、短距离无线应用和无线L A N 产品。3. 2 L ucent 公司产品Lucent 公司是仅次于TI 的世界第二大D SP 芯片供应商, 集中力量于通信用DSP 芯片的开发生产, 在蜂窝电话、M odem 和数字应答机等领域中占领导地位。Lucent 公司主要开发了基于DSP1600核和DS P16000核两大系列的D SP 芯片, 采用新型芯片D SP16210可使原先的无线通信基站设备造价降低约50%。表2列出了L ucent 公司D SP 芯片的主要产品。3. 3 AD 公司产品AD 公司也是最早涉足D SP 芯片的公司之一, 先( :#18#表1 TI 公司D SP 芯片主要产品系列主要性能典型应用16位C PU 、32位累加器、速度2040MIPS 、544/4.5K RAM 、32K RO M电话、数字c C20x 或FLAS H 、64K 程序存储器、64K 数售货机等。据存储器、1个定时器、2个串口等。16位CP U 、速度高达30MIPS 、双500ns 的A/D 、16个P WM 通道、4数字马达控制、工c C24x 个定时器、32K FLAS H 、异步和同业自动化、电力转步串行接口、5个外部中断、4种低换系统、空调等。功耗模式等。16位C PU 、40位累加器、32532MIPS 、5640K RA M 、248Kc C54x RO M 、30532MIPS 、HPI 、McB SP 、6通道D MA 、集成Vertibi 加速模块等。IP 、便携式信息系统、PDA 、PCS 、Mo 2dem 、寻呼机、助听器等。5测控技术62001年第20卷第5期浮点系列是TI 公司浮点D SP 的强大竞争对手, D SP 芯片间的直接高速互联更是其一大特色, 特别适合于需要多片D SP 芯片进行高速大量计算的应用。表3列出了AD 公司D SP 芯片的主要产品。表3 AD 公司DSP 芯片主要产品系列A DS P 2218xAD S P 22100A DS P 2219xA DS P 2218x 结构的扩展、300M IP S 、JTA G 接口、指令缓冲、24位寻址。超级哈佛结构、120M FL O PS 、4M B 可配置S RA M 、10个D M A 、主机接口、6个链接口用于构成总线集群结构、可由外部EP RO M 、外部主机或其他A DS P 22106x 启动。硬件支持循环缓冲、位反转和零开销循环等。结构基本同上, 其中A DS P 221160M 是32位浮点D S P 、速度为600M FL O PS ; A D S P 221161N 是32位定点、32/40位浮点D S P 、速度600M FL O PS 。c C2000主要性能16位C PU 、3380M IP S 、160KB2M B S RA M 、2个串口、16位D M A 等。典型应用嵌入式语音处理、P OS 终端、智能卡读器、P BX 、手持扫描仪、Mode m 等。数字音频、条码扫描仪、图像处理、指纹识别、数字示波器等。基站、雷达、声纳、图像、3D 图形、语音识别等。x DS L 、VO IP 、回波抵消、智能通信基站、飞行仿真、声纳、军用设备等。c C500016位C PU 、速度400MIPS 、2个乘法低功耗和高性能器、2个累加器、160KRA M 使其将成为无线c C55x 16KRO M 、具有EMIF 、EHPI 、定时电话手机和其他器、McB S P 等, 性能是c C 54x 的5便携式电子产品倍, 功耗是其1/5。16位C P U 、12002400MIP S 、2个乘法器和6个A LU 、4512K RA M 、4c C62x 384K R OM 、1个HPI 或扩展总线、1个E MIF 、4个D M A 、2个定时器、23个串口等。无线通信基XDS L 、网络中心局交换机、数字音频广播等。AD S P 22106xS HA RCAD S P 22116xc C600032位C PU 、支持IEEE 浮点格通信基站数字波600M1GFLOPS 、2个乘法器和6束形成、医学图像c C67x 个ALU 、64KRAM 、64KRO M 、HPI 处理、语音EMIF 、4个DMA 、2个定时器、2个32D 图像处理等。McB SP 等。32位C PU 、33150MFLOPS 、指令周期1360ns 、34K 数据RA M 、64M 字地址空间、4K 字程序RO M 、具有定时器、串口和D MA 功能等。数字马达控制、工业自动化和机器人、激光打复印机、扫数字音频、视频会议等。c C 3x包含定点和浮点DS P 核、支持IEEE 浮点格式、16位运算达1. 2G M acs 、32定点运算300M Mac s 、Ti gerS H ARE A D S P 2TS 001M 32位浮点运算达900M F LO P S 、6M可配置S RA M 、4个双向链接口用于芯片间直接连接、14个D M A 、64位外部接口、硬件AC S 电路等。AD MC x表2 Lucent 公司DS P 芯片主要产品系列器件型号DS P1611/1617/1618DS P1627/1628/1629ADMC4xADMC3x一个DS P 核、2026MIPS 、24位程序5124K RA M 、16位数专用于马据5121K R AM 、电机控制模达控制。块、58通道1016位A/D 、通信串口等。主要性能16位CP U 、20100M PIS 、216K RA M 、412K RO M 、16乘法器和36位累加器、2个外部中断、双串行I/O 端口、E MI F JTA G 接口等。16位CP U 、240M M A Cs 、双16位乘法器和40位累加器、60K 字RA M 、硬件AC S 、电源管理、16位P HIF 、增强串口、D M A 、JTA G 接口等。双16位CP U(每个包含双16位乘法器和40位累加器 800M M A Cs 、194K 半字RA M 、16位PI U 、2个增强串口支持L 2la w 和A 2l aw 、D M A 等。典型应用D S P16xxDS P16210D S P16000DS P16410A/B/C寻呼机语音检测语音编译码器调制解调器终端和基站等3. 4 M otorola 公司产品M otorola 公司着重于通信系统的开发应用, D SP 芯片主要供公司内部通信系统使用, 注重D SP 与M PU 的结合。先后推出的DS P 系列产品包括:16位定点DSP56100系列、D SP56600系列、D SP56800系列、DSP56800E 系列、M SC8100系列; 24位定点DS P56000系列、DSP56300系列; 32位浮点处理器D SP96002。表4列出了M otorola 公司目前主推的D SP 芯片。4 D SP 芯片在图像技术中的应用随着计算机和通信技术的发展, 有关图像和视频的应用越来越广。国际电信联盟(I T U 2T 和国际标准化组织(ISO 都开展了有关图像和视频的标准化工作, 如1988年提出的H. 261及1995年提出的H. 263视频编码标准已应用于电视电话、会议电视等应用中, 而1990年提出的M PEG 22标准也已应用于数字电视、D VD 等应用中。由于图像数据量非常大, 例如应用于会议电视的CI F 格式(352288像素, 每像素12比特后推出的产品包括:AD 21xx 系列定点DSP 芯片, AD SP 22102x 、AD SP 22106x 、AD SP 22116x 等系列浮点D SP 芯片; AD 1406x 、A D1416x 、TigerS HA RC 等系列多核DS P 集成系统; AD M C x 系列马达控制专用D SP 芯片产品。AD 公司目前主推的三个系列是:16位定点ADSP 2218x 和AD SP 2219x 系列; 32位浮点AD SP 22106x 、AD SP 22116x 系列; 多核D SP 集成系统TigerS HARC 。其中AD SP 22116xD SP 芯片及其在图像技术中的应用表4 Motorola 公司DS P 芯片主要产品系列主要性能D S P/M CU 双核。其中M C U 核为:16位程序总线、32位数据总线、工作频率16. 8M/52M Hz 、M C U 的RA M 为512/6. 5K B 、RO M 为4K/16KB; D S P 核为:24位程序总线、16位数据总线、工作频率58. 8/104M Hz 、D S P 的16位数据RA M 为1431K 、数据RO M 为1844K 、24位程序RA M 为51240K 、程序RO M 为284K 。片上外设包括EM I 、M DI 、S CP 、QS PI 、U A RT 、Ti me r 、P W M 输出、键盘接口、JT AG 接口等。D S P56800系列:一个16位C PU 、工作频率70M/80M Hz 、14K B 程序RA M 、16120KB 程序F LA S H 、28K B 数据RA M 、416K B 数据F LA S H 、316个定时器、S P I 和S CI 接口、双12比特A /D 、6/12路PW M 输出等。DS P 56800E 系列是增强型, 工作频率120M Hz 、24K B 程序RA M 、2K B 程序RO M 、8KB 数据RA M 、8K B 数据RO M 、4个定时器、S PI 、IS S I 和S CIs 等。典型应用#19#高, 动态范围大, 寻址空间大, 指令运算能力较强, 但功耗、成本、体积较大。而定点D SP 芯片的运算精度与浮点D SP 芯片相同(定点的数据位数和浮点的位数相同的情况下 , 且功耗、成本、体积较小, 但动态范围小, 需要防止计算溢出, 寻址空间小, 指令运算能力较弱。从总体性能上看, 浮点D SP 芯片优于定点DSP 芯片。此外, 在硬件方面还应考虑芯片的外部总线结构、片上存储器结构、D M A 功能、串行通信口和芯片间通信能力等因素; 在软件方面主要是开发软件的功能性、开发时间要求等因素。综合考虑D SP 芯片的性能和开发设计的要求后, 在图像技术中应该首选浮点D SP 芯片, 但是在对价格敏感的产品设计中, 目前采用定点D SP 芯片的例子也有。表5比较了代表目前最高D SP 芯片技术水平的三种产品, 包括TI 公司的定点D SP 芯片(T M S320C6203 和浮点D SP 芯片(TMS320C6701 与A D 公司浮点DSP 芯片(AD SP 221160 。由于工作时钟较高的原因, TI 公司的D SP 芯片在单芯片处理能力上优于A D 公司的产品, 但是在多芯片集成处理上A D 公司的D SP 芯片性能更好一些。表5 三种高性能DSP 芯片的比较性能工作时钟封值速度数据类型片上S RA M 32位1024点F F T 外存接口D M A 数多处理器支持AD S P 221160100M Hz 600M FL O PS 32位定点, 16/32/40位浮点4Mb(双端口 90L s 无14个通道可集群及6个100Mbps 链接口T M S 320C6701167M Hz 1000M FL O PS 8/16/32位定点,32位浮点1M bi t 120L sTM S 320C6203300M Hz 2400MI PS 8/16位定点7M bi t *D S P56600峰窝技术D S P56800D S P56800E数字无线通信、数字应答机、数字相机、电话、M odem s 等。MS C8100M S C8101芯片:4个16位A L Us 、2个32位A G Us 、3G 宽带无一个32位RIS C 、32位或64位总线接口、速度线通信、IP1200D S P MIP S 、3000RIS C M IPS 、256K BRA M 、16通电话、多通道D M A 、HI D16、CP M 、S PI 、S M C 、S CC 、M CC 等。道xS D L 、M S C8101芯片:4个S C140核、16个16位A L Us 、多通道4800D S P MI PS 、1200RIS C M IPS 、718K B RA M 、TD M 、M odem 等。U AR T 等。24位程序总线、24位数据总线、工作频率66150M Hz 、数据RA M 为2. 596K 、程序RA M 为51232K 、部分产品有片上程序数据RO M 、主机接口、定时器、S CI 、D M A 、ES S I 、J TA G 接口等。M odems 、峰窝电话、多媒体、无线应用、控制等。D S P56300的彩色图像数据量约为1. 2M 比特/帧, 而IT U 2R709标准的高清晰度数字电视(19201152像素, 每像素16比特 的数据量约为35. 4M 比特/帧。因此, 为了有效实时地传输信息, 必须采用有效的图像压缩技术。同时海量的图像数据也需要压缩才能实现有效的存储。图像压缩技术已经成为一个热门的研究课题。目前实现图像处理的主要方式有四种:基于通用PC 微机; 基于通用D SP 芯片; 基于专用DS P 芯片; 基于可编程FPG A 。在通用PC 微机上主要是软件实现图像处理, 能够提供中等的图像处理能力, 但是要占用CPU 几乎全部的处理能力。在独立机型设计中一般采用其他三种方式:基于可编程FPGA 的设计比较复杂而且难度较大; 基于专用D SP 芯片的设计应用范围受限; 基于通用DS P 芯片设计的优点是设计简便、灵活, 特别适合于新型产品的研究开发。4. 1 图像技术对D SP 芯片的要求对于图像技术来说, 由于要处理的数据量大, 计算复杂, 计算中间结果精度要求高, 因此需要选择合适的DSP 芯片。在选择DS P 芯片时首先要考虑对芯片速度的要求。由于现代高性能D SP 芯片的结构多样化, 单纯依靠指令执行速度M IPS 比较其性能是不全面的, 现在一般采用单周期的乘加次数, 或采用数字信号处理中的基准程序如FFT 和数字滤波等的执行时间来测评DSP 芯片的速度性能。其次, 还需要考虑如何选择定点或浮点D SP 芯片。一般说来, 浮点DSP 芯片的运算精度32位支持S D RA M 、S BS RA M 、D RA M 、E 2P RO M 等4个通道和一个辅助通道无直接支持, 需要通过片外器件支持4. 2 基于DSP 芯片的图像处理系统图1所示为一个独立型通用图像处理系统。系统板主要构成为:工作于167M Hz 的T M S320C6701; 32位4M 的SD RA M , 32位128K 的SB SRA M , 32位4K 的双口RA M, 16位1M 的Flash 存储器; 两路A/D , 每路40M /12Bit, 可同时采样, 采样频率可变; 可编程FPG A 作为灵活的接口; 通用数字接口也可以直接接收彩色数字图像; 外部HPI 主机接口可用于系统控制; 仿真调试JT AG 接口; 串行通信接口; 电源监测与复位控制电路等。在该系统开发板上处理应用于会议电视的CIF 格式的彩色图像, 实验效果较好。TI 公司提供了全图形的Code Composer 集成开发环境, 具有汇编语言和直接的C 编译器。汇编语言的程序代码执行效率高, 而采(下转第23页( :基于影像编码和传输技术的PACS时, 需设置侦听端口并处于侦听状态; 作为发送用时, 需设置接收方的IP 地址和端口号。以医生工作站为主呼叫方, 建立连接以后, 由医生工作站将采集到的影像数据经压缩后上传, 或者从医学影像服务器下载医学影像, 并在医生工作站端进行解压处理和显示。医学影像服务器端首先设置自己的固定侦听端口, 然后进行侦听。当医生工作站请求连接时, 首先检索服务器端的IP 地址列表来判断该医生工作站是否为合法用户。若为非法用户, 则拒绝请求, 继续侦听; 否则, 接受该请求并开辟一个新的线程, 分配一个新的端口来和医生工作站建立连接。在此固定连接的基础上传输数据, 传输完毕断开连接。在医生工作站端, 首先呼叫医学影像服务器, 被接受后建立连接并传输数据, 传输结束断开连接。影像传输时, 可以选择单幅传输, 也可以一次选择多幅进行传输。在本系统的硬件环境下向服务器上传或从服务器下载一幅平均大小为4M B 的压缩影像只需45s 时间, 基本能满足系统对传输实时性的要求。#23#的困难。本文介绍了一个小型的PAC S, 在与国际标准兼容的前提下, 研制了适用于影像的无损压缩算法和传输软件, 并设计了分层的影像存储结构, 使得影像存储和传输效率大大提高。同时自主开发了影像处理显示软件, 为医生的诊断提供了辅助手段。这些技术和方法在本系统的运行中取得了较为理想的效果。由于经费和技术上的原因, 在我国目前的条件下, 可以先研究和建立小型的PACS, 等条件成熟时, 再建立大型和实用的PACS 。参考文献:1 贾克斌, 沈波. 实现医学影像存档传输系统中的若干关键技术J.中国图像图形学报, 2000, 5A(7:539-544.2 C arri no J A, Unkel P J, and Miller I D. 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