实时数字信号处理绪论ppt课件

1、实时数字信号处理绪论 数字信号处理是一门发展迅速的重要学科，涉及面越来越广泛，理论越来越深入，算法越来越复杂。 数字信号处理器是实现数字信号处理的首选器件，其体系结构在设计上考虑了数字信号处理一般算法的特点。 音视频媒体处理应用普及，以及对操作控制方面的要求，产生了将计算和控制有机融合在一个芯片上的趋势。 新型数字信号处理器在实现复杂音视频媒体处理算法基础上，提供了完成事务管理的控制功能 嵌入式媒体处理芯片 对称多核媒体处理器 ADSP-BF561，对称双核嵌入式媒体处理器 实现更加复杂的计算和灵活的控制，更加有效的应用模式数字信号处理基本概念数字信号处理基本概念 世界上有各种各样需要研究的信

2、号。 人们用感知认识世界、获取信息。 人们通过各种手段改变世界。 数字信号处理Digital Signal Processing，DSP是20世纪60年代前后发展起来的一门新兴学科。 现代信号处理理论 涉及到非常复杂的算法和大量的计算 增加了实时处理难度 分布式、并行计算 并行计算机系统 、DSP芯片的阵列处理系统 通用计算机和DSP都朝着多核发展 数字信号处理算法基本特点数字信号处理算法基本特点 乘累加MAC） 根据线性时不变离散时间系统的单位脉冲响应，系统响应可采用卷积和来计算。 用差分方程描述的系统的响应计算。 信号互相关函数计算 离散傅立叶变换DFT） 离散余弦变换DCT） 循环数字信

3、号处理实现方法数字信号处理实现方法 实际、实现、运用 1822年傅立叶级数理论 研究各种应用算法和快速算法 1965年快速傅立叶变换FFT） 数字信号处理的实现方法经历了一个较长的发展过程。 1982，TI TMS320C10 数字信号处理的实现方法 1通用计算机上软件实现。 2通用计算机系统中专用加速处理机实现。 3专用DSP芯片实现。 4通用单片机实现。 5FPGA实现。 6通用可编程DSP实现。 数字信号处理系统及特点 数字系统有如下优点： 1接口方便，符合工业标准的数字系统或设备在设计上都考虑了兼容性 2编程方便，数字器件一般具有可编程性 3稳定性好，数字系统受环境温度以及噪声的影响较

4、小 4精度高，数字器件一般可实现16-bit、24-bit、32-bit数据，甚至更高 5可重复性好，数字系统基本上不受元器件参数变化的影响 6集成方便，数字系统中的数字部件一般都有高度规范性 数字系统的突出优点使其得到了广泛应用。 输出输入抗混叠滤波器A/D数字处置器件D/A平滑滤波数字信号处理系统及特点数字信号处理系统及特点 设计的一般过程 事前准备阶段。确定系统性能指标、信号处理的各种具体要求。 2算法模拟阶段。一个关键是要研究有效算法，高级语言验证。例如，视频压缩算法要考虑到编码速率和编码质量，不同应用有不同要求，因为二者具有矛盾性。 3系统设计阶段。根据算法运算量、运算精度、接口、系

5、统成本、功耗等选择硬件并设计。根据算法和所选择的器件编写程序，一般采用高级语言和汇编语言混合编程。 4系统调试阶段。硬件调试一般采用硬件仿真器、示波器、逻辑分析仪等进行。软件调试一般要借助于开发工具，如软件模拟器、开发系统等。算法调试一般采用比较法，与高级语言算法模拟结果的输出进行比较。 5运行调试阶段。各个环节的配合对整体系统实时性的影响，以及噪声、环境变化对稳定性的影响。重新设计、修改算法。数字信号处理器基本概念数字信号处理器基本概念 一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，或者说主要是为快速实现各种数字信号处理算法而设计的。 目前，DSP芯片已广泛应用 第一颗DSP芯片，1978年

6、AMI公司发布的S2811 1979，Intel，商用可编程器件2920 是DSP芯片的一个主要里程碑 但上述两种芯片内部都没有单周期乘法器 1980，NEC，uPD7720，第一个具有乘法器的商用DSP芯片。 TI TMS320系列、ADI ADSP系列、Motolora的MC系列、AT&T的DSPX系列、Zoran的ZR系列、Inmos的IMSA系列、NEC的PD系列等。 数字信号处理器基本概念数字信号处理器基本概念 TI 第一代DSP芯片TMS32019及系列产品 第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28等 第三代DSP芯片TMS320C30/C31/

7、C32等 第四代DSP芯片TMS320C40/C44等 第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X等 第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等 ADI 16位的定点DSP产品ADSP-21xx系列、Blackfin ADSP-215xx系列 32位的浮点DSP产品SHARC系列、TigerSHARC系列 混合信号处理DSP产品ADSP-2199X系列 嵌入式电机控制DSP产品ADMC系列等数字信号处理器基本概念数字信号处理器基本概念系列型号类型处理能力片内存储器（程序+数据）电源电压（V）内嵌ADC单元BlackfinADSP-21535P16位定点600MMACS154K1.5AD

8、SP-21532S16位定点600MMACS58K2.25-3.6ADSP-21xxADSP-2191M16位定点160MMACS32K32K2.5ADSP-2195M16位定点160MMACS 32K16K2.5ADSP-2196M16位定点160MMACS24K8K2.5ADSP-2188N16位定点80MMACS48K56K1.8ADSP-2189N16位定点80MMACS32K48K1.8ADSP-2187N16位定点80MMACS32K32K1.8ADSP-2185N16位定点80MMACS16K16K1.8ADSP-2186N16位定点80MMACS8K8K1.8ADSP-2184

9、N16位定点80MMACS4K4K1.8ADSP-2188M16位定点75MMACS48K56K2.5ADSP-2189M16位定点75MMACS32K48K2.5ADSP-2185M16位定点75MMACS16K16K2.5ADSP-2186M16位定点75MMACS8K8K2.5数字信号处理器基本概念数字信号处理器基本概念系列型号类型处理能力片内存储器（程序+数据）电源电压（V）内嵌ADC单元SHARCADSP-21161N32位浮点600MLOPS1 Mbits1.8/3.3ADSP-21160M32位浮点480MLOPS4 Mbits2.5/3.3ADSP-21160N32位浮点570

10、MLOPS4 Mbits1.9/3.3ADSP-2106032位浮点198MLOPS4 Kbits3.3/5ADSP-21065L32位浮点198MLOPS544 Kbits3.3TigerSHARCADSP-TS101S32位浮点1500MLOPS6 Mbits1.2/3.3ADSP-TS201S32位浮点3GFLOPS24 Mbits1.0/2.5混合信号ADSP-2199016位定点160MIPS4K+4K14-bit20MSPSADSP-2199116位定点160 MIPS8K+32K14-bit20MSPS电机控制ADMC40116位定点26 MIPS2K+1K8通道12-bitAD

11、MC32x16位定点20 MIPS0.5K+0.5K可变ADMCF32x16位定点20 MIPS0.5K+0.5K可变ADMC341/F34116位定点20 MIPS0.5K+0.5K6通道10-bit数字信号处理器基本概念数字信号处理器基本概念型号时钟频率（MHz）FIR滤波器（每阶）/nsIIR滤波器（每个二阶级联阶）/ns1024点复FFT（基4）平方根的倒数（ns）除法（ns）ADSP-21161N100540171us6040ADSP-2106040251000.46ms225150ADSP-2106240251000.46ms225150ADSP-21065L6615600.27m

12、s13590ADSP-TS101S2502.239.34us（基2）ADSP-TS201S5001.020.0us（基2）数字信号处理器技术特点数字信号处理器技术特点 DSP芯片一般具有如下基本特点： 1一个指令周期内完成一次乘法/加法/乘累加。 2程序和数据空间分开 3片内具有快速RAM，通常可在两块中同时访问。 4具有低开销或无开销的循环及跳转的硬件支持。 5快速的中断处理和硬件I/O支持。 6具有单周期多个地址产生器。 7可以并行执行多个操作。 8支持流水线操作，使取指、译码、执行等操作可以重叠执行。 指令并行、多功能单元并行、多总线等重要特点 数字信号处理器技术特点数字信号处理器技术特

13、点 目前DSP通用处理器的发展方向主要有： 提高单个处理器的能力：高速、多总线、高精度；片内RAM容量、片外寻址能力；片上外设种类和数量；内部并行单元，ADSP-BF561有双MAC、多个视频处理单元。 低电压、低功耗设计。工艺上尽量采用CMOS工艺，降低内核工作电压。设置多种节能状态。 增强DSP片间互联能力：处理器阵列串行或并行地执行，加快处理速度。TMS320C40 DSP有6个8bit的通信口；ADI的SHARC系列DSP设计了多个Link口。 实现单芯片上集成多个DSP内核的能力：TM320C5421 DSP内部有两个C54xCPU内核；ADSP-BF561有两个对称双核，每个可运行

14、在600MIPS。 DSP核与算法组成专用ASIC芯片 DSP核与其它微控制器核集成在一起非对称双核处理器。数字信号处理器选型依据数字信号处理器选型依据 运算量是首要因素 运算速度运算速度与内核工作频率关系密切，决定着指令周期、MAC时间 FFT执行时间 MIPS每秒执行百万条指令）、MOPS每秒百万次操作）、MFLOPS每秒百万次浮点操作）、BOPS每秒十亿次操作） 硬件资源 RAM、ROM的数量；DSP内核数量；DSP内部并行数据处理功能单元；运算精度开发工具 Visual DSP+，CCS；DSP/BIOS，VDK；函数和软件工具包，如数字滤波器、数字信号处理算法子程序；MATLAB6.

15、5版本，TI；NI LabVIEW，ADI Blackfin嵌入式模块 其它因素价钱、功耗、封装、质量标准、供货情况、生命周期等。计算机领域的多机并行计算计算机领域的多机并行计算 计算科学与工程CSEComputational Science and Engineering） 随着计算技术和计算方法的飞速发展，几乎所有学科均趋向定量化和精确化，产生了诸如计算物理学、计算化学、计算材料学、计算力学、计算生物学、计算气象学和计算电子学等新兴学科，形成了所谓计算科学与工程CSEComputational Science and Engineering的计算性学科分支。 计算科学Computation

16、al Sciences和传统的理论科学与实验科学并列成为第三门学科。 大型并行机系统 单指令多数据流SIMDSingle Instruction Multiple- Data）、并行向量处理机PVPParallel Vector Processor）、对称多处理机SMPSymmetric Multiprocessor）、大规模并行处理机MPPMassively Parallel Processor）、工作站机群COWCluster of Workstations和分布共享存储DSMDistributed Shared Memory多处理机计算机领域的多机并行计算计算机领域的多机并行计算共享存储

17、的SMP系统结构具有如下特性：1对称性任何处理器均可访问任何存储单元和I/O设备2单地址空间，益处：例如因为只有一个OS和DB等副本驻留在共享存储器中，所以仍可按工作负载情况在多个处理器上调度进程从而易达到动态负载平衡如因为所有数据均驻留在同一共事存储器中，所以用户不必担心数据的分配和再分配3高速缓存及其一致性多级高速缓存可支持数据的局部性，而其一致性可由硬件来增强4低通信延迟处理器间的通信可用简单的读/写指令来完成P/CP/CP/C总线或交叉开关SMSMI/O多核计算机多核计算机 摩尔定律 1965年4月，预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番1975年，认为芯片上集成的晶体管数

18、量将每两年翻一番现在摩尔定律一般表述为芯片上集成的晶体管数量将每18个月翻一番问题芯片的发热量也越来越大，电流泄漏也会越来越严重，能耗却随着频率提升而加剧；回报不成正比。多核技术是一种适应发展需求的新方法 在单个核的性能差不多达到极限的情况下，通过集成多个核来一起工作来提高处理器性能。 思想源头：多处理器系统 2019，多核桌面处理器 逻辑上多核处理器非常类似于前面提到的SMP并行系统，但核之间通信带宽可以做到非常高，有共享高速缓存Cache），同时核之间的联系非常紧密。 DSP领域的多领域的多DSP并行计算并行计算 多个DSP芯片间的并行处理通过扩大并行规模而较大地增强系统的计算能力 多DS

19、P并行处理是一个综合性很强的应用领域，涉及到算法研究、VLSI设计理论、系统结构、网络拓扑等多个方面 要素：处理单元DSP）、并行处理系统结构、并行算法和任务分配方法 三者紧密联系、互相依赖，任务分配和并行算法的直接影响并行处理系统的性能，芯片间的网络连接可参考并行计算机系统的各种方式，连接通道负责为各处理单元提供任务调度和数据交换。 共享总线的多DSP并行处理系统 基于Link口的多DSP并行处理系统 基于SPORT的多DSP并行处理系统 基于HPI/IDMA的主从分布式多DSP并行处理系统 基于数据交换的多DSP并行处理系统 DSP领域的多领域的多DSP并行计算并行计算 共享总线的多DSP

20、并行处理系统 共享总线就是所有DSP的外部总线地址、数据和访问控制总线分别连接在一起，各DSP片内存储器、IOP寄存器也映射成存储器地址以及挂接在总线上的外部存储器、外设都作为共享资源 获得总线控制权的DSP是主处理器，每个DSP都有各自的ID 从处理器可以通过总线请求信号来获取外部总线控制权从而成为主处理器，主处理器可以访问从处理器资源 支持这种方式的典型芯片是ADI的浮点DSP芯片ADSP2106xDSP领域的多领域的多DSP并行计算并行计算 基于Link口的多DSP并行处理系统 ADSP2106x还具有实现基于Link口的多DSP并行处理系统，属于处理器之间通过数据流相联系的并行系统 各

21、DSP用Link口连接在一起，进行通信控制和数据交换，系统结构简单、连线少、可扩展性强，可灵活组成线形、星形、环形、树形、网络型或超立方体型等多种形式 各DSP之间在指令上没有关联，仅通过数据流相联系，相互的耦合作用也较低，所以称为分布式存储系统或松耦合系统DSP领域的多领域的多DSP并行计算并行计算 基于SPORT的多DSP并行处理系统 在基于SPORT的多DSP并行处理系统中，DSP一般以主从方式工作在多通道模式下，所有通信进程由主DSP芯片控制，各个从DSP芯片以TDM方式挂接在总线上，各自有唯一的通道号 主DSP可任意选择某一指定通道建立双向数据通信，也可以采用“广播写的方式同时向所有

22、的从DSP发送数据 ADSP-BF561具有这种多DSP并行的能力，有多种工作模式DSP领域的多领域的多DSP并行计算并行计算 基于HPI/IDMA的主从分布式多DSP并行处理系统 基于HPI主机接口）/IDMA内部DMA口，可组成主从分布式的多DSP并行处理系统。主DSP通过译码控制模块产生接口访问控制信号，以获得外部总线控制权，管理从DSP，实现主从DSP之间的并行任务分配、访问控制以及数据、状态信息的高速交换，可组建大型星型或树型并行系统 DSP领域的多领域的多DSP并行计算并行计算 基于数据交换的多DSP并行处理系统 多个DSP之间用双口RAM或网络交换机等作为数据交换的“缓冲池”，以

23、数据缓冲池的空、满状态作为DSP间数据交换的启动标志，并以此进行DSP间的并行任务分配、状态信息交换和海量数据流传输等操作非对称多核处理器非对称多核处理器AMP特点特点 嵌入式应用和数字信号处理应用是两个不同的应用 两者结合起来的一种典型应用就是嵌入式多媒体应用 嵌入式多媒体处理器EMP）传统方法：微控制器和数字信号处理器共同完成MCU管理“控制域”，DSP负责“计算域” MCU适合于高效率的异步控制流，DSP适合于同步恒定速度数据流并完成数字信号处理算法。MCU厂商在保持原有控制功能外，集成了一些信号处理功能，例如指令集扩展以及MAC单元，不足之处是缺乏先进信号处理所必需的基本架构。 DSP

24、生产商也不断引入MCU功能，但在系统控制方面有所欠缺。 Motorola，MPC8260 PowerQUICC II，电信和网络市场而设计的，较先进的集成通信微处理器，融合了两个CPU嵌入PowerPC内核和通信处理模块CPM），Infineon，TC10GP和增强型TC1130是三核TriCore结构微处理器，设计了微控制器、DSP核、数据和程序存储器核、外围专用集成电路ASIC） Hitachi，SH7410和SH7612 TI，OMAP5910，集成了DSP核和ARM9核 非对称多核处理器非对称多核处理器AMP特点特点 每个内核具有不同的特点，属于非对称双核处理器AMP） 每个内核运行分离的且通常是不同的任务 一个内核运行嵌入式操作系统或嵌入式操作系统内核Kernel），执行与控制相关的任务，如图形显示和覆盖功能、网络连接、与存储器接口以及整个数据流的控制 另一个内核负责专门的高密度的信息处理功能，如将来自第一个内核的已压缩的音视频数据进行解码，或把从音视频接口采集到的数据进行压缩，或完成某个识别任务等 这种模式可对功能类型进行划分从而允许并行设计处理，可以消除项目中对关键路径的依赖 这种编程模式也有助于项目中的测试和验证，如果一个内核上的代码发生变化，对另外一个内核上已经完成的工作影响较小对