第一章-DSP技术概述.ppt

DSP原理及应用 齐美彬qimeibinhf 电子信息工程系 概述 教材及参考书 DSP原理及应用 邹彦编著 电子工业出版社TMS320C54xDSP结构 原理及应用 戴明桢 周建江 北京航空航天大学出版社考核方式 课堂 实验 卷面上课24学时 实验16学时目的 了解DSP在硬件 软件等方面是如何适应数字信号处理的 掌握DSP算法实现的编程方法 软件开发的方法 步骤 了解DSP最小系统的设计方法 目标 人人80分以上一起努力 严格要求 认真教学 改进方法 重视实验 qimeibinhf 主要内容 一 什么是DSP 二 DSP的硬件结构与软件特点三 DSP的分类 厂家及发展四 DSP系统的设计与开发五 DSP应用 1 数字信号处理 DigitalSignalProcessing DSP 用数学运算的方法对信号进行处理 以获取有用信息 强调的是数字信号处理方法 技术 一 什么是DSP 信号处理目的 是获取信号中包含的有用信息 并用更直观的方式进行表达 少的数据 表示复杂的内容 作用 信号改善 信号检测 估计方法 信号波形分析 现代谱分析 自适应滤波等 2 数字信号处理器 DigitalSignalProcessor DSP 所谓DSP 就是一种特别适合进行数字信号处理的微处理器 强调的是数字信号处理芯片 利用数字信号处理理论 在芯片上运行目标程序 实现对信号的处理 3 DSP系统组成 基本数字信号处理系统 输入通道数字信号处理模块输出通道 4 数字信号处理 系统 的优点 精度高 17位字长达到10 3可靠性强 数字电路抗噪声能力强集成度高 数字电路便于集成接口方便 数字传输 便于接口灵活性好 编程实现 修改方便保密性好 集成在芯片内 难以仿造时分复用 分时处理 分时传输功能强 能实现模拟系统无法完成的功能 5 数字信号处理的实现方法 1 在通用PC机上用软件 如C C 实现 缺点 使用场合受限 2 用单片机 如MCS 51 96系列等 实现 缺点是 只用于简单数字信号处理 3 用通用的可编程DSP芯片实现 DSP芯片有更适合于数字信号处理的软件和硬件资源 非常适合于通用数字信号处理的开发 为数字信号处理的应用打开了新局面 纯软件方法 纯硬件方法 软硬件结合方法 4 用于极高速信号处理的专用DSP芯片 缺点 灵活性差 开发工具不完善 5 用FPGA等产品实现数字信号处理算法 缺点 专用性太强 而且这种方法的研发工作也主要不是由一般的用户来完成的 1 多数算法为乘法累加运算 MAC 6 数字信号处理算法的特点 音频数据 数据16bit 采样率44kHz 数据率为704Kbps普通电视视频数据 720 576 25 3 8 237Mbps高清视频 1920 1080 60 3 8 2847Mbps 2 输入输出数据量大 必须在一个抽样周期内完成全部处理任务 硬实时系统 有危险软实时系统 无危险 3 实时性要求高 实时性如何提高 提高处理速度单CPU的处理能力 主频 多处理单元多核CPU处理 计算机体系结构多CPU并行处理 计算机网络提高数据传输速度 ADC DAC CPU间高速IO技术实时任务调度 实时操作系统 RTOS 处理时间可预测 各任务尽量满足时限新的算法 优化算法 快速算法DSPs的特点 面向实时系统应用 7 DSP芯片的运算速度表示方法 MAC时间 一次乘加的时间 多数为单周期 峰值运算速度 一秒钟最多能执行的指令条数MIPS 每秒执行百万条指令 600M主频DM642 峰值4800MIPs 即48亿 秒MOPS 每秒执行百万次操作 MFLOPS 每秒执行百万次浮点操作 BOPS 每秒执行十亿次操作 FFT执行时间 运行一个N点FFT程序所需时间 FFT运算在数字信号处理中很有代表性 C6416 1024点FFT 10 003us 二 DSP的硬件结构与软件特点 1 DSP硬件结构 总线结构存储器配置CPU结构片上外设 TMS320C542功能框图 TMS320C6201功能框图 TMS320C6678 8核定点 浮点DSP 1GHz 1 25GHz320GMAC 160GFLOP 1 25GHz32KBL1P 32KBL1D 512KBL2PerCore4MBSharedL2MulticoreNavigatorNetworkCoprocessors PacketAccelerator SecurityAcceleratorSRIO2 1 5GbaudPCIeGen2EthernetMAC100 1000Mbps 38所DSP BWDSP100功能框图 4个处理器核SIMD 核间 MIMD 核内 哈佛结构三组独立存储单元 3 8Mbit 同时执行指令数 16条程序流水 11级总线字宽 3条256bit外部存储器 配备DDRII器件间连接 高速链路口 并行总线丰富的外部接口 1960年 第一块可以实际使用的单片集成电路诞生 2000年获得诺贝尔物理学奖 美国仙童公司的罗伯特 诺伊斯提出了一种 半导体设备与铅结构 模型 该方案最终成为集成电路大规模生产中的实用技术 基尔比和诺伊斯被公认为集成电路的共同发明者 Kilby RobertNoyce 创办 仙童 Intel DSP总线结构 冯 诺依曼结构 数据 代码在同一存储器内 哈佛结构 数据 代码分开存储 改进的哈佛结构数据空间与代码空间可直接交换数据 存储器配置 DSP片上存储器 RAM工作方式 用作高速缓存 地址未知 针对程序或数据量大的应用 用作固定地址映射的存储器针对消耗存储资源相对小的应用 外部扩展存储器 解决片内存储器资源不足 明显影响DSP的性能 外部存储器的速度相对较慢一般需要插入额外的等待时钟 外部总线一般只有一套 C6000 2套 程序取指和数据读写只能分时进行 DSP芯片版图 CPU结构 算术逻辑单元 ALU 实现二进制补码运算和布尔 Boolean 运算 累加器存储ALU和乘加模块的输出ALU的输入乘加模块的输入 桶形移位器实现输入数据的移位 乘法器 比较选择存储单元 CSSU 完成数据的比较及测试功能 程序地址产生单元 加法器 数据地址产生单元 特殊硬件模块 指令流水线 DSP片上外设 主机接口 串行口 DMA 中断逻辑 定时器 时钟逻辑 2 DSP软件特征 处理器指令分类 复杂指令集 CISC 精简指令集 RISC 复杂指令集特点 CISC 简化编程 一条指令可以在处理器内部执行一系列操作 有效利用存储空间 复杂指令集优点 比硬件实现控制单元经济 程序编写易于实现 易于向下兼容 简化任务程序 简化编译器 复杂指令集缺点 不同指令需要不同的执行时间 有可能会降低系统的整体性能 为保证指令向下兼容 指令集和芯片硬件复杂 部分指令利用率低 条件码作为指令的副产物 耗费时间 精简指令集特点 RISC 指令长度相同 取指可以一次操作完成 指令集简单 单周期指令 便于流水操作 大量使用寄存器 精简指令集优点 硬件更简单 从而可增加芯片的集成度 速度更快 在相同的半导体技术和时钟速率下 采用简化指令集可使流水工作的 超标量体系结构设计的RISC性能达到CISC的2 4倍 指令周期更短 DSP指令 综合了CISC和RISC的优点 大多数DSP指令是复合指令一般具有多种灵活的寻址方式指令长度和指令执行时间可以不一样采用流水操作 指令多为单周期指令片内存储器一般为固定地址映射的存储器 指令的操作时间可以严格预测 复合指令形式便于编制出高效率的汇编程序程序的可读性差 指令依赖硬件结构 可移植性较差DSP软件设计一般采用任务驱动的思路逐渐引入高级语言编程规范和软件工程概念 指令集多采用助记符指令形式或算术指令形式为防止和减少流水线冲突 需对指令进行重排 DSP芯片分类DSP芯片厂家DSP技术发展 三 DSP芯片分类和发展 1 DSP芯片的分类 1 定点DSP 浮点DSP定点DSP TMS320C5x C62x C64x浮点DSP TMS320C3x C4x C67x2 通用DSP 专用DSP通用DSP 可编程 可实现多种功能专用DSP 不可编程 单一功能 如FFT芯片3 单核DSP 多核DSP单核DSP 一个DSP核 早期DSP都为单核DSP多核DSP 多个相同的DSP核 ARM核加DSP核 TexasInstruments 德州仪器 公司Agere 从LucentTechnologies 朗讯技术 分出AnalogDevies 模拟设备 公司Motorola 摩托罗拉 公司大约还有80家DSPs产商国内 38所 2 DSP芯片主要厂家 世界DSPs的格局 3 DSP芯片的发展 1978年 AMI公司生产的S2811 1979年 美国Intel公司的商用可编程器件2920 这两种是DSP芯片的一个主要里程碑 特点 没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器 1980年 日本NEC公司推出 PD7720 特点 第一片具有乘法器的商用DSP芯片 1982年 美国德州仪器公司 TexasInstruments TI 推出第一代DSPTMS320010及其系列产品 TI公司的系列DSP产品已经成为了当今世界最有影响的DSP芯片 其DSP市场占有量占全世界份额的近50 成为世界上最大的DSP芯片供应商 1982年 日本东芝公司推出浮点DSP芯片 1984年 AT T公司推出DSP32 是较早的具备较高性能的浮点DSP芯片 1986年 Motorola公司推出了定点DSPMC56001 1990年 推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC96002 美国模拟器件公司 AnalogDevices AD 相继推出了定点DSP芯片ADSP21xx系列 浮点DSP芯片ADSP210 xx系列 20多年来 DSP芯片得到了迅猛发展 主要体现在以下方面 1 生产工艺上采用CMOS制造工艺技术和砷化镓集成电路制造技术 使集成度更高 功耗更低 从而使高频 高速的DSP处理器得到更大的发展 35nm 2 基本结构上以RISC结构 单片并行计算机结构为主导 多单元并行的主要体系结构 设计 测试简单 易模块化 易于实现流水线操作和多处理器结构 RISC ReducedInstructionSetComputer精简指令集计算机CISC ComplexInstructionSetComputer复杂指令系统计算机 3 模拟 数字混合集滤波 A D D A及DSP处理于一体 将成为DSP发展的主要方向 是DSP厂商的主要增长点 4 DSP技术与ASIC技术融合及多核DSP在DSP芯片中嵌入ASIC模块 进一步扩大DSP逻辑控制功能 5 代码兼容性将推出更新的 更强大的优化C编译器来适应不同型号的DSP代码生成 各种DSP的开发 加速 并行处理插件板也将大量涌现 6 浮点预算与定点运算兼容 C6678 ASIC Application SpecificIntegratedCircuit专用集成电路 1 TMS320C2000系列 DSP控制器 集成了flash存储器 高速A D转换器以及可靠的CAN模块及数字马达控制的外围模块 适用于三相电机 变频器 逆变电源等领域的需要 C2407 C2812 ARM DSP等 主频40 300MHz2 TMS320C5000系列 16位定点DSP 主要用于通信领域 如IP电话机和IP电话网关 数字式助听器 便携式声音 数据 视频产品 调制解调器 手机和移动电话基站 语音服务器 数字无线电 小型办公室和家庭办公室的语音和数据系统 芯片 C54x C55x系列 主频80 300MHz 4 TI公司的DSP芯片概况 3 TMS320C6000系列 新的超长指令字结构芯片 00年推出的C64x 在时钟频率为1 1GHz时 可达到8800MIPS以上 88亿条指令每秒 C6416 09年推出的TMS320C6472 6核DSP 峰值运算速度达到0 7 8 6 33 6GMIPS 11年推出的C6678有8个DSP核 运算速度达到 320GMAC 160GFLOP 1 25GHz 主要应用领域为 1 数字通信完成FFT 信道和噪声估计 信道纠错 干扰估计和检测等 2 图像处理完成图像压缩 图像传输 模式及光学特性识别 加密 解密 图像增强等 TexasInstruments简史 1930年 建立GeophysicalService公司 地震石油勘探 1941年 石油 为美国陆军和海军提供电子设备 1951年 更名为TexasInstruments 进军仪器领域 1952年 TI从WesternElectricCo 购买了专利许可来制造锗三极管 1954年 贝尔实验室的MTanenbaumetal 制造出了第一个可工作的硅三极管 同年 TI制造出第一台晶体管收音机RegencyTR 1 1958年 员工JackKilby发明了集成电路1967年 TI发明了手持计算器1971年 TI发明了单片微型计算机 典型数字信号处理系统 四 DSP系统的设计与开发 5片DSP并行处理板 1 总体方案设计 DSP应用 定义系统性能指标 选择DSP芯片 系统集成 系统调试 技术指标的确定 系统采样频率 信号频率 最复杂的算法所需最大时间 对实时程度的要求 片内 外RAM的容量 数据量及程序的长短 16 32位定点 浮点运算 系统所要求的精度 输入输出端口要求 计算 控制 选定DSP芯片型号 成本供货能力技术支持开发系统体积功耗工作环境温度 其它因素 总体设计 2 软件设计阶段 源程序 汇编器汇编 目标文件 链接器连接 调试器调试 代码转换 C语言汇编语言混合语言 代码写入EEPROM 可执行文件 软件仿真 3 硬件设计阶段 确定最优硬件实现方案画出硬件系统框图 性能指标工期成本等 DSP芯片 A DD A 内存 电源 逻辑控制 通信 人机接口 总线等 DSP芯片 根据是用于控制还是计算目的 选择 不同的厂商不同系列不同工作频率不同工作电压不同工作温度采用定点或浮点型芯片 器件的选型原则 1 器件的选型原则 2 存储器 RAM EPROM EEPROM FlashMemory 主要考虑 工作频率内存容量位长 8位 16位 32位 接口方式 串行 并行 工作电压 5V 3 3V或其他 器件的选型原则 3 逻辑控制 先确定所用器件 如CPLD EPLD或FPGA 再根据自己的特长和公司芯片的特点决定采用哪家公司的哪一系列产品 最后根据DSP芯片的频率决定芯片的工作频率 并以此来确定使用的芯片 器件的选型原则 4 通信接口 根据与其他系统通信的速率决定采用的通信方式 串口 并口 总线 器件的选型原则 5 总线选择 根据使用场合 数据传输速率的高低 总线宽度 频率高低 同步方式等 选择 PCIISA其他 器件的选型原则 6 必须清楚了解器件的使用和系统的开发 对于关键环节要做仿真 原理图设计 PCB板设计 要求DSP系统设计人员既要熟悉系统工作原理 又要清楚布线工艺和系统结构设计 软 硬件调试 借助仿真工具或开发工具进行软 硬件仿真调试时 往往要反复多次调试 4 系统集成 1 系统集成是将软硬件结合起来 并组合成样机 在实际系统中运行 进行系统测试 2 如果系统测试结果符合设计指标 则样机设计完毕 3 由于在软硬件调试阶段调试的环境是模拟的 因此在系统测试时往往会出现一些问题 应找出原因 不断改进 5 DSP开发工具 在DSP系统的开发过程中 如果没有开发工具的支持 要想开发一个复杂的DSP系统几乎是不可能的 功能强大的开发工具 可使开发时间大大缩短 1 软件仿真 CCS集成开发环境CCS2 2 各系列DSP分开CCS3 3 CCS4 0 CCS5 1 TI全系列CCS基本功能 设计 代码生成 调试 分析 2 硬件仿真 CCS 仿真器 DSP板仿真器 并口 USB口 PCI口 如XDS560 DSP板 DSK EVM 目标板 自制 CCS集成环境的组成 通信72 计算机12 军品4 工业3 仪器2 消费类2 办公自动化2 五 DSP应用 1 DSP芯片的主要应用领域 1 信号处理如数字滤波 自适应滤波 快速傅里叶变换 希尔伯特变换 小波变换 相关运算 谱分析 卷积 模式匹配 加窗 波形产生等 2 通信如调制解调器 自适应均衡 数据加密 数据压缩 回波抵消 多路复用 传真 扩频通信 纠错编码 可视电话 个人通信系统 移动通信 个人数字助手 PDA X 25分组交换开关等 3 语音如语音编码 语音合成 语音识别 语音增强 说话人辨认 说话人确