第1章 dsp发展概述

DSP原理与应用技术,第1章绪论,1.1DSP系统及DSPs芯片的特点,1.1.1DSP技术的发展1.信号处理信号处理本质上是对自然界中的物理过程或系统进行变换、分析或设计，目的是从中获取感兴趣的信息。传统的信号处理或系统分析采用模拟技术进行，其处理设备和器件均为模拟器件，包括电阻、电容和运算放大器等。,2.数字信号处理技术20世纪60年代以来，随着大规模集成电路、数字计算机等信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应用而生并得到快速发展。数字信号处理DSP(DigitalSignalProcessing)技术是指数字信号处理理论的应用实现技术，它以数字信号处理理论、硬件技术、软件技术为基础和组成，研究数字信号处理算法及其实现方法。,1.1DSP系统及DSPs芯片的特点,数字信号处理算法以数学为基础和工具，研究数字信号处理的数值计算实现方法，包括算法结构、数值特性。,数字信号处理软件技术在特定的开发环境下编写、调试应用程序，并存储在存储器中。,数字信号处理硬件技术以微电子技术为基础，研究完成数字信号处理算法的专用处理器结构、提高处理器速度的技术方法、数字信号处理系统设计与实现方法等,3.数字信号处理的应用（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事应用（7）电信（8）无线电通信72，计算机12军品4，工业3，仪器2消费类2，办公自动化2,4.数字信号处理器DSPs(DigitalSignalProcessor)是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器芯片，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法特点：针对数字信号处理运算特点设计与通用处理器相比，在寻址和计算方面作了扩充和增强在相同频率和芯片集成度下，比通用微处理器快几个数量级,1.1DSP系统及DSPs芯片的特点,1.1.2DSP系统的构成及特点1.DSP系统的构成,输入信号处理,A/D,D/A,DSP,输出信号处理,输入,输出,存储器,通讯及人机接口,1.1DSP系统及DSPs芯片的特点,2.特点优点：（1）大规模集成性、稳定性好（2）精度高（3）可编程性（4）高速性能（5）可嵌入性（6）接口和集成方便缺点：（1）成本较高（2）软件代价较大,1.1DSP系统及DSPs芯片的特点,1.1.3DSPs芯片的基本特点为了快速地实现DSP运算，DSPs芯片一般都采用特殊的软硬件结构。下面以TMS320系列为例介绍DSPs芯片的基本特点。（1）哈佛总线结构（2）流水线（3）专用的硬件乘法器（4）特殊的DSP指令（5）快速的指令周期,1.1DSP系统及DSPs芯片的特点,1.改进的哈佛总线结构两种基本的总线结构:VonNeumann-冯.诺依曼Harvard哈佛,1.1DSP系统及DSPs芯片的特点,（1）冯.诺依曼总线结构数据、代码共享内存空间数据、代码共享内存总线Example:Intelsx86Processorfamily,CPU,程序存储器数据存储器,控制命令,地址总线,数据总线,指令与数据存储在同一存储器中，统一编址。依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地址，取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率较低。,1.1DSP系统及DSPs芯片的特点,（2）哈佛总线结构数据、代码独立存储空间数据、代码独立存储总线,CPU,程序存储器,控制命令,地址总线,程序总线,数据存储器,控制命令,地址总线,数据总线,数据吞吐率提高一倍!,TMS320系列DSPs芯片在基本哈佛结构的基础上做了改进。（1）允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性（2）指令存储在高速缓冲器（cache）中，当执行指令时，不需要在从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。,1.1DSP系统及DSPs芯片的特点,2.流水线操作TMS320系列DSPs的流水线深度从28级不等。第一代TMS320系列DSPs采用2级流水线第二代TMS320系列DSPs采用3级流水线第三代TMS320系列DSPs采用4级流水线TMS320F2812采用8级流水线,1.1DSP系统及DSPs芯片的特点,CLKOUT,取指令,指令译码,读操作数,执行,T1,T2,T3,T4,结论：对于程序块来说，平均每条指令只需要1个时钟周期,4级流水线,3.专用的硬件乘法器：具有硬件连线的高速“与或”运算器（乘法器和加法器）在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周期来完成DSP具有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成,1.1DSP系统及DSPs芯片的特点,4.特殊的DSP指令：在DSPs指令系统中，有许多指令具有多功能，一条指令完成多个不同的操作；例如：XMACD带有数据移动、相乘且累加指令,1.1DSP系统及DSPs芯片的特点,5.快速的指令周期哈佛总线结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSPs指令，再加上集成电路的优化设计，大大缩短了DSPs芯片的指令周期。目前，TMS320系列多数处理器的指令周期已经降到了10ns以下。快速的指令周期使得DSPs芯片满足了高实时性场合的需要。,1.1DSP系统及DSPs芯片的特点,1.2DSPs芯片的类别和使用选择,1.2.1DSPs芯片的分类1.按数据格式分：定点和浮点DSPs芯片数据以定点格式工作的DSPs芯片，称为定点DSPs。（采用软件来完成浮点运算）例如：TMS320C1X/2X,TMS320C2XX/5X数据以浮点格式工作的DSPs芯片，称为浮点DSPs。（采用硬件来完成浮点运算）,2.按用途分：通用型、专用型DSP芯片通用型DSPs芯片适合普通的DSP应用专用型DSPs芯片是为了特定的DSP运算而设计的，更适合特殊的运算，如数字滤波、卷积和快速傅里叶变换等。,1.2DSPs芯片的类别和使用选择,3.按生产厂家分DSPs的四大厂商TexasInstruments（德州仪器）公司Agere,即LucentTechnologies（朗讯技术）公司AnalogDevies（模拟设备）公司Motorola（摩托罗拉）公司大约还有80家DSPs产商,1.2DSPs芯片的类别和使用选择,1.2.2DSPs芯片的选择选择DSPs芯片时应考虑的主要因素：1.DSPs芯片的运算速度运算速度是DSPs芯片最重要的性能指标，也是选择DSPs芯片时所需要考虑的主要因素。,1.2DSPs芯片的类别和使用选择,（1）指令周期:执行一条指令所需的时间，通常以ns（纳秒）为单位。（2）MAC（MultiplierAccumulator）时间：一次乘法加上一次加法的时间。（3）FFT（FastfunnierTransform）执行时间:运行一个N点FFT程序所需要的时间。（4）MIPS（MillionInstructionPerSecond）每秒执行百万条指令：如80MIPS，即每秒可执行8千万条指令,1.2DSPs芯片的类别和使用选择,（5）MOPS（MillionOperationsPerSecond）每秒执行百万次操作：（6）MFLOPS(MillionFloatingOperationPerSecond)每秒执行百万次浮点操作时间（7）BOPS（BillionOperationsPerSecond）每秒执行十亿次操作。,1.2DSPs芯片的类别和使用选择,2.DSPs芯片的价格DSPs芯片的价格也是选择DSPs芯片所需要考虑的一个重要因素。量大价格便宜，厂家主推的产品，价格便宜。商业级：一般应用，适用于实验室等环境较好场合；工业级：可靠性好，适用于工业现场等环境恶劣场合；军品：可靠性高，适用于各种恶劣场合；宇航级：可靠性很高，适用于特殊场合；,1.2DSPs芯片的类别和使用选择,3.DSPs芯片的硬件资源内存：RAM、ROM、Flash等寄存器：通用、特殊功能I/O数量：单向、双向寻址能力：直接、间接定时器、计数器：通讯接口：SCI、eCAN接口内置功能单元：A/D、D/A等,1.2DSPs芯片的类别和使用选择,4.DSPs芯片的运算精度定点DSPs芯片的数据长度通常为16位、32位。浮点DSPs芯片的数据长度为32位，累加器为40位。,1.2DSPs芯片的类别和使用选择,5.DSPs芯片的开发工具选择DSPs芯片时，必须考虑其开发工具的支持情况6.DSPs芯片的功耗在某些DSP应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问题。如便携式的DSP设备、手持设备、野外应用的DSP设备等都对功耗有特殊的要求。,1.2DSPs芯片的类别和使用选择,7.其他封装的形式：BGA、PGA、LQFP质量标准：供货情况：生命周期：,1.2DSPs芯片的类别和使用选择,1.3DSPs芯片开发应用现状与前景,1.3.1DSPs芯片开发应用现状第一代：1980年左右，哈佛结构，硬件乘法器TexasInstrument(TI)公司：TMS32010Intel公司：2920，AMI公司S28H；NECupd7720；日立公司：61810第二代：1985年左右，功能、速度、内存有突破TI：TMS320C20;AD：ADSP2100；NEC：upd77230；Motorola：DSP5600,发展,第三代：1987年左右，浮点，能用高级语言。TI:TMS320C30；AD:ADSP21000；Motorola:DSP96002第四代：近几年的DSP芯片。多处理器并行工作，多处理器系统，特殊指令，有单独的DMA总线和控制器TI公司：TMS320C2XX/C5X/C54X,TMS320C62XX/C67XX/C8X;AD公司：ADSP210XX/211XX,发展,1.3DSPs芯片开发应用现状与前景,TI系列产品TMS320C2000系列TMS320C20X:C203,F206TMS320C24X:LF2407TMS320C28X:F2810,F2812TMS320C5000系列:C5402,C5410,C5509TMS320C6000:C6204,C6416，C6455,定点芯片,1.3DSPs芯片开发应用现状与前景,TMS320C3X:C30,C31,C32,VC33TMS320C4X:C40,C44TMS320C67XX:C6701,C6711,C6712,浮点芯片,多处理芯片,TMSC8X:C80,C82,1.3DSPs芯片开发应用现状与前景,DSP的应用几乎遍及电子学每一个领域。1.TMS320C2000系列DSPsC2000是具有高性能集成外设的32位微处理器，包括24x和28x系列芯片。可执行多种复杂的控制算法。主要面向工业控制应用，构成高性能的工业测控系统。,应用,1.3DSPs芯片开发应用现状与前景,2.TMS320C5000低功耗DSPsC5000系列DSPs提供了业界最低的待机功耗和先进的自动电源管理，适用于个人和便携式产品，包括消费类电子、通讯、医疗、安保产品。,应用,1.3DSPs芯片开发应用现状与前景,3.TMS320C6000DSPs具有高性能、高性价比的浮点DSPs。一般应用于高性能复杂的通信系统和其他高端应用，如语音识别、图像处理和网络系统等。,应用,1.3DSPs芯片开发应用现状与前景,通用数字信号处理器：自适应滤波，卷积，相关，数字滤波，FFT,希尔伯特变换，波形生成，窗函数等等。语音信号处理：语音增强、识别、合成、编码、信箱等，文字/语音转换图形/图像处理：三维动画，图象鉴别/增强/压缩/传输，机器人视觉等等图特殊应用数字信号处理：振动和噪声分析与处理，声纳和雷达信号处理，通信信号处理,地震信号分析与处理，汽车安全及全球定位，生物医学工程等等。在医疗、军事、汽车等行业，以及通信市场、消费类电子产品等中具有广阔的市场前景。,应用,1.3DSPs芯片开发应用现状与前景,提高性能：应用性能、处理速度、集成度。降低功耗：已从3.3V降到1.2V，电压低于1V的产品也在研发。加强融合：DSP与MCU（微控制器）融合是大势所趋。降低价格：近大批量应用导致价格下降。拓宽应用：InternetAudioVideo3GB3G等领域将大量应用。,前景,1.3DSPs芯片开发应用现状与前景,1.3DSPs芯片开发应用现状与前景,Differentfamiliesandsub-familiesexisttosupportdifferentmarkets.,C2000TMDigitalSignalControllersCombineThePowerofDSPandtheSimplicityofMCU,MathCodeEfficiency,High,Low,ControlCodeEfficiency,High,Low,C2000ControlApplications,Fast,highresolutionsignalprocessingPeripheralsuiteoptimizedforcontrolapplications,C2000Roadmap,Device,Future,Production,Development,Sampling,F282xx150MIPSDMA,F283xx300MFLOPSDMA,Delfino600MFLOPS16-bitADC,C28xxx,Performance,F281x150MIPS,F280 xx60-100MIPS,Piccolo60MIPSVREG,COMP,Piccolo40MIPSVREG,COMP,C28xxx,Integration,1.4TMS320F2812的主要特点,1.TI公司DSPs芯片命名的含义,TMS,前缀,TMX：实验器件TMP：样品器件TMS：合格器件,320,器件系列,F,技术,F：FlahC：ROM,2812,器件,28102812,PGF,封装类型,GHH：179脚BGA封装PGF：176脚LQFP封装PBK：128脚LQFP封装,A,A：-40+85S：-40+125,温度范围,2.TMS320F281x系列芯片的主要性能（1）采用高性能静态CMOS制造工艺-主频150MHZ(时钟周期6.67ns)-低功耗（核心电压1.9V,I/O口电压3.3V）-Flash编程电压为3.3V（2）支持JTAG边沿扫描-支持片上调试,1.4TMS320F2812的主要特点,（3）高性能32位CPU-16位16位和32位32位乘和累加操作-16位16位双乘和累加器-程序和数据空间分开寻址（哈佛总线结构）-快速中断响应和处理-统一寄存器编程模式-可达4M的线性程序地址-可达4M的线性数据地址-高效的代码转换能力（支持C/C+和汇编语言）,1.4TMS320F2812的主要特点,（4）片内存储器-128K16位的Flash存储器-1K16位的OTPROM（固定淹膜ROM）-18K16位的RAM*L0和L1：两块4K16位SRAM*H0：8K16位RAM*M0和M1：两块1K16位RAM-可外扩1M16位存储器*256K的RAM*256K的Flash,1.4TMS320F2812的主要特点,（5）4K16位引导ROM（BootROM）：存放出厂时固化程序带有软件的Boot模式标准的数学表（6）外部存储器接口有多达1.5M16位的寻址空间三个独立的片选端,1.4TMS320F2812的主要特点,（7）时钟与系统控制支持动态的改变锁相环（PLL）的频率片上振荡器看门狗定时器模块（8）三个外部中断可屏蔽中断，非屏蔽中断（9）外部中断扩展（PIE）模块支持96个外部中断，当前仅使用了45个外部中断,1.4TMS320F2812的主要特点,（10）128位的密钥/锁（SecurityKey/Lock）保护Flash/OTPROM和L0/L1SRAM防止固化在ROM中的程序被盗（11）3个32位的CPU定时器（12）马达（电机）控制外围设备2个时间管理器（EVA,EVB）,1.4TMS320F2812的主要特点,（13）串行外围设备串行外部设备接口SPI（SerialPeripheralInterface）2个串行通信接口SCI（SerialCommunicationInterface）改进的局域网络eCAN(用于