DSP硬件系统概述ppt课件

数字信号处理的实现 DSP硬件系统 一 DSP硬件系统概述 DSP的含义 DSP DigitalSignalProcessing 也就是我们常说的数字信号处理 它是利用计算机或专用处理设备 以数字形式对信号进行采集 变换 滤波 估值 增强 压缩 识别等处理 以得到符合人们需要的信号形式 DSP芯片就是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器 其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法 DSP芯片的特点 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法程序和数据空间分开 可以同时访问指令和数据 哈佛结构 片内具有快速RAM 通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持 DSP芯片的特点 快速的中断处理和硬件I O支持具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器可以并行执行多个操作支持流水线操作 使取指 译码和执行等操作可以重叠执行 抗混叠滤波器 Anti aliasingfilter 模数转换前将采集的高频信号滤掉模数转换器 Analog to DigitalConverter ADC 模拟信号转换为数字信号数字信号处理器件 可进行DSP处理 通用与专用算法 的MPU数模转换器 Digital to AnalogConverter DAC 数字信号转换为模拟信号抗镜像滤波器 Anti imagefilter 把AO输出的模拟信号 阶梯状 重构为光滑的模拟信号 典型实时数字信号处理的基本部件 典型实时数字信号处理系统框图 实时数字信号处理技术的发展 利用X86处理器完成实时数字信号处理选择范围较宽主板及外设资源丰富多种操作系统可供选择开发 调试较为方便数字信号处理能力不强硬件组成较为复杂系统体积 重量较大 功耗较高抗环境影响能力较弱 实时数字信号处理技术的发展 利用通用微处理器 ARM 单片机 完成实时数字信号处理可选范围广硬件组成简单系统功耗低 适应环境能力强信号处理的效率较低内部DMA通道较少 利用可编程逻辑阵列 FPGA 进行实时数字信号处理适合高速信号处理具有专用数字信号处理结构开发需要较深的硬件基础调试困难 实时数字信号处理技术的发展 利用数字信号处理器 DSP 实时实现数字信号处理 本课程的对象 适合高速信号处理具有专用数字信号处理结构适应实时实时信号处理的场合开发需要较深的硬件基础调试困难器件可选范围稍小 实时数字信号处理技术的发展 基于通用DSP处理器的DSP系统 数字信号处理器的主要应用 基本信号处理 滤波器 FFT 窗函数等通信 调制解调 数据加密 多路复用等语音 语音编码 合成 识别 增强等图形图像 图像压缩 视频处理 机器人视觉等军事 雷达信号处理 导弹制导等仪器仪表 频谱分析 锁相环等控制 自动驾驶 磁盘控制等医疗 助听 超声设备 患者监护等家用电器 智能玩具 数字电话 数字电视等 数字信号处理器的存储结构 处理器的存储结构分为两大类冯 诺依曼结构 X86 单片机等 三总线 AB DB和CB 结构 程序空间与数据空间统一哈佛结构 DSP 程序访问总线和数据访问总线分开 程序存储空间与数据存储空间分开DSP采用了哈佛结构和多套地址 数据总线 双总线存储器结构 流水线结构将指令的执行分解为取指 译码 取操作数和执行等几个阶段TMS320C54xxDSP采用6级流水线TMS320C6xxxDSP采用8级流水线TMS320C55xxDSP的流水线分为指令流水线执行流水线 数字信号处理器的流水线 数字信号处理器的其他特点 硬件乘法累加单元独立的硬件乘法单元零开销循环指循环计数 条件转移等循环机制由专门硬件控制 而处理器不用花费任何时间特殊的寻址方式DSP支持循环寻址和倒位序寻址高效的特殊指令FIRSADD指令 对称结构FIR滤波算法LMS指令 LMS算法 最小均方算法 数字信号处理器的其他特点 丰富的片内外设 二 DSP系统的开发流程 DSP芯片的厂家 目前世界上生产DSP芯片的公司主要有TI 德州仪器 公司 AD 美国模拟器件 公司 Technologics 朗讯技术 公司和Motorola 摩托罗拉 公司四大公司 而TI公司则是世界上最大的DSP芯片供应商 TMS320系列产品就是该公司的DSP产品 德州仪器公司的DSP产品 DSP器件的应用对象可以分为三类工业控制领域低成本嵌入式应用系统需要用复杂算法对大量数据进行处理的应用德州仪器公司的三代DSP产品TMS320C1xTMS320C2x 3x 4xTMS320C5x 德州仪器公司的DSP产品 德州仪器公司的现在DSP产品C24x系列和C28x系列主要用于电机控制领域C62x系列和C64x系列采用了增强型超长指令字结构 改进了流水线结构 支持32位或64位宽度存储器访问 最高处理能力已经达到9600MIPSC67x系列和C33浮点数字信号处理器系列C54x系列和C55x系列低功耗16位定点数字信号处理器 DSP芯片的选型 运算速度指令周期 MIPS MOPS MFLOPS BOPS MAC时间 FFT执行时间算法格式和数据宽度浮点DSP的数据宽度一般为32位定点DSP的数据宽度可以为16位 20位 24位或32位存储器Flash存储器 RAM存储器功耗低工作电压 休眠 或 空闲 模式 可编程时钟分频器 外围控制开发工具 DSP的开发环境 基于DSP处理器的开发流程 DSP总体设计 根据需求写出任务说明书 根据任务书确定技术指标 DSP芯片及外围芯片 总体设计确定软硬件分工 软件设计说明书 硬件设计说明书 软件编程与调试 硬件 sch pcb 系统集成 硬件调试 系统测试 样机完成 中试 产品测试与生产 DSP软件设计 硬件系统设计 确定硬件方案 器件选型 原理图设计 PCB图设计 硬件调试 系统分析 系统综合 三 DSP与MCU比较 DSP与MCU硬件结构比较 DSP作为一种微处理器 其设计的出发点和通用CPU以及MCU等处理器是不同的 DSP是为完成实时数字信号处理任务而设计的 算法的高效实现是DSP器件的设计核心 DSP在体系结构设计方面的很多考虑都可以追溯到算法自身的特点 哈佛结构 多总线 片内多条数据 地址和控制总线 两者在不断融合 取其优势差异越来越不是那么明显 冯 诺依曼结构哈佛结构多数CPU采用几乎所有DSP单片机哈佛结构 但共用一套AB和DB 由控制信号CS DS区分 冯 诺依曼结构与哈佛结构 多总线结构 数据 地址和控制总线是微处理器访问各种部件的基础 我们称之为3总线 MCU无论片内还是片外均为三总线结构 而DSP片内为多总线结构 多条数据 地址和控制总线 片外为三总线结构 有的DSP甚至片外也有多条总线 多总线结构 片内多条数据 地址和控制总线 流水线操作 处理器完成一条指令 一般要有 取指 译码 读操作数和执行等4个步骤 MCU顺序执行上述4个步骤 所以一个指令周期要由多个机器周期组成 而DSP并行执行上述4个步骤 所以指令周期等于机器周期 也就是说 上述4步DSP以流水线方式运行 提高了CPU执行速度 流水线有一个建立的过程 只有在完整的流水线时 才会发挥DSP最高效率 所以在程序中应尽量避免破坏流水线 流水线操作 以4级流水线为例 100 指令周期 101 102 103 104 105 106 顺序执行ADDSUB C2 的CPU运行于4级流水线方式 CPUCLK取指令NN 1N 2N 3译码N 1NN 1N 2取操作数N 2N 1NN 1执行N 3N 2N 1N图四级流水线 DSP与MCU软件开发比较 模块化 按功能模块编程工程化 软 硬人员分离 MCU ORGxxxx 绝对定位优点 简单 容易上手缺点 模块化编程差工程化不支持 DSP Section 相对定位缺点 灵活 上手较难优点 模块编程好工程化编程支持 DSP软件开发 Section 段 概念 一块连续的储存空间 可存放程序或数据在编程时 段 没有绝对定位 每个 段 都认为是从0地址开始的一块连续的储存空间 而无需关心这些 段 究竟定位在系统的哪些地方 优点 便于程序的模块化编程 便于工程化管理 可将软件开发人员和硬件开发人员基本上分离开 重定位 由于所有的 段 都是从0地址开始 所以程序编译完成后是无法运行的 要让程序正确运行 必须对 段 进行重新定位 这个工作由链接器完成 cmd文件 MEMORY命令描述系统硬件资源 SECTIONS命令描述软件人员程序中用到的 段 如何定位到恰当的硬件资源上 DSP与MCU开发工具比较 MCU 代替方式 仿真头替代MCU 硬件时序为仿真器硬件时序 与目标系统时序有一定差异或多或少占用目标硬件资源仿真头制作较难仿真电缆较短 使用不便不同MCU 工具不同 用户投资加重 DSP 接口方式 JTAG 硬件时序即为目标系统时序不占目标系统硬件资源仿真头制作方便仿真电缆较长 使用方便不同的DSP 仿真接口标准JTAG 工具相同 用户投