第一章实时数字信号处理与DS芯片张

1DSP原理及应用

实时信号处理-11、处理器的速度大于信号的产生或应用的速度。2、处理器的运算速度满足系统对响应时间的要求。2实时信号处理-23、必须满足一定的峰值负荷要求。一个实时系统的负荷可能是不均匀的。但整个系统必须满足额定的峰值负荷要求，即在负载重，甚至超负荷的情况下，某些关键任务一定要得到满足。4、实时系统的可靠性至关重要。一般的实时系统都是工作在条件恶劣的不适合人参与的环境小。温度变化大、振动强烈和电磁干扰强的特点，要求实时系统不但需要采用工业级元器件。而且还要在系统级的设计中采取容错设计。

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什么是DSP芯片

DSP： DigitalSignalProcessing DSPs: DigitalSignalprocessors

内部采用程序和数据分开的哈佛结构； 具有专门的硬件乘法器； 广泛采用流水线操作； 提供特殊的DSP

指令；适用于快速实现各种数字信号处理算法。56实时性的要求（一）：系统必须在有限的时间内对外部输入信号完成指定的操作，即信号的处理速度必须大于或等于信号的输入速度。7

IP电话（voiceoverIP）8电动机

方向舵实时性的要求（二）从信号输入到结果输出的延迟必须足够小，即响应时间满足系统的要求。9医疗诊断1011为什什么么要要用用DSP芯片片，，而而不不是是模模拟拟器器件件来来对对信信号号进进行行处处理理？？模拟拟电电路路的的性性能能要要取取决决于于温温度度等等环环境境因因素素。。而而数数字字滤滤波波器器则则基基本本上上不不受受环环境境的的影影响响。。DSP易于于在在非非常常小小的的宽宽容容度度内内进进行行计计算算，，因因为为其其性性能能并并不不取取决决于于性性能能离离散散的的器器件件组组合合。。一个个模模拟拟电电路路一一旦旦制制造造出出来来，，其其特特性性（（例例如如通通带带频频率率范范围围））是是不不容容易易改改变变的的。。使使用用DSP实现现数数字字信信号号处处理理，，就就可可以以通通过过对对其其重重新新编编程程来来改改变变系系统统的的特特性性。。12信号处理方式的比较比较因素模拟方式数字方式修改设计的灵活性修改硬件设计，或调整硬件参数改变软件设置精度元器件精度A/D的位数和计算机字长，算法可靠性和可重复性受环境温度、湿度、噪声、电磁场等干扰和影响大不受这些因素的影响大规模集成尽管已有一些模拟集成电路，但品种较少、集成度不高、价格较高DSP器件体积小、功能强、功耗小、一致性好、使用方便、性能/价格比高实时性除开电路引入的延时外，处理是实时的由计算机的处理速度决定高频信号的处理可以处理包括微波毫米波乃至光波信号按照奈准则的要求，受S/H、A/D和处理速度的限制13能够进行数字信号处理的CPU通用处理器（GPP）采用冯.诺依曼结构，程序和数据的存储空间合二而一8-bitApple（6502），NECPC-8000（Z80）8086/286/386/486/Pentium/PentiumII/PentiumIIIPowerPc64-bitCPU（SUNSparc，DECAlpha,HP）CISC复杂指令计算机,RISC精简指令计算机采取各种方法提高计算速度，提高时钟频率，高速总线，多级Cashe，协处理器等SingleChipComputer/MicroControllerUnit（MCU）具有通用CPU所具有的ALU和CU，还有存储器（RAM/ROM）寄存器，时钟，计数器，定时器，串/并口，有的还有A/D，D/AINTELMCS/48/51/96（98）MOTOROLAHCS05/011ARM7，9，……DSP采用哈佛结构，程序和数据分开存储采用一系列措施保证数字信号的处理速度，如对FFT的专门优化14DSP与通通用用处处理理器器的的比比较较1对密密集集的的乘乘加加法法运运算算的的支支持持2存储储器器结结构构3零开开销销循循环环4定点点，，浮浮点点计计算算6执行行时时间间的的预预测测5专门门的的寻寻址址方方式式8开发发工工具具的的要要求求7多处处理理器器接接口口9JTAG（JointTestActionGroup）标标准准测测试试接接口口（（IEEE1149标准准接接口口））15DSP芯片片的的第第一一步步1978AMI公司司1979美国国Iintel公司司第第一一个个单单片片DSP芯片片。。但但是是这这两两种种芯芯片片内内部部都都没没有有现现代代DSP芯片片所所必必须须的的单单周周期期指指令令功功能能。。1980年。。日日本本NEC公司司μPD7720第一一个个具具有有乘乘法法器器的的商商用用DSP芯片片。。1982日本本Hitachi公司司浮浮点点DSP芯片片（CMOS工艺艺））。1983日本本Fujitsu公司司指指令令周周期期120ns，双双内内部部总总线线第一一个个高高性性能能的的浮浮点点DSP芯片片应应是是AT&T公司司于于1984年推推出出的的DSP32。16第一一代代（1982）TMS320C1x；第二二代代TMS320C2x；第三三代代TMS320C3x；第四四代代TMS320C40/C44；第五五代代TMS320C50/C51/C52/C53；第六六代代TMS320C6000；还有多种种不同领领域的DSP芯片（P13图1.1）目前最成成功：美美国德克克萨斯仪仪器公司司（TexasInstruments，TI）17发展趋势势从运算速速度来看看，MAC（一次乘乘法和一一次加法法）时间间已经从从80年代初的的400ns（如TMS32010）降低到到40ns（如TMS32C40），处理理能力提提高了10多倍。内部关键键的乘法法器部件件从1980年的占模模区的40左右下降降到5以下，片片内RAM增加一个个数量级级以上。。从制造工工艺来看看，1980年采用4μ的N沟道MOS工艺，而而现在则则普遍采采用亚微微米CMOS工艺。引脚数量量从1980年的最多多64个增加到到现在的的200个以上，，引脚数数量的增增加，意意味着结结构灵活活性的增增加。DSP芯片的发发展，使使DSP系统的成成本、体体积、重重量和功功耗都有有很大程程度的下下降。18DSP厂商的芯芯片（一一）

公司/名称芯片/核定点/浮点字长(bits)指令长度(bits)钟频(MHz)DSPGroupPineDSPCoreCoreFixed161640OakDSPCoreCoreFixed161680TeakDSPCoreCoreFixed1616130PalmDSPCoreCoreFixed16/20/2416/32150ARMPiccoloCoreFixed1616/3270HitachiSH-DSPChipFixed1616/326619DSP厂商的芯芯片（二二）公司/名称芯片/核定点/浮点字长(bits)指令长度(bits)钟频(MHz)IBMC54XDSPCoreFixed161666MentorGraphicsM320C50CoreFixed1616

Siemens(Infineon)TriCoreBothFixed3216/3280CarmelBothFixed1624/48120ZoranZR386xxChipFixed203240ZSPCorporationZSP164xxChipFixed161620020DSP芯片的四四大家族族（近期1990年前后））AnalogDevices[ADSP-21xx][TigerSharcDSP][SHARCDSP]Lucent[DSP-16xx][DSP16000]Motorola[DSP-56800][DSP563xx]Lucent/Motorola[StarCoreSC100]TexasInstrument[TMS320C2000][TMS320C5000][TMS320C6000][TMS320DM640][OMAP]21AnalogDevicesADSP-21xxTigerSharcDSPSHARCDSP16-bitDSP，支持定定点和浮浮点运算算带8-bit保护位的的40-bitACC单周期执执行指令令多数指指令可以条件件执行VLIW（超长指指令字））结构可可以在一一个机器器周期内内执行四四条指令令该系列DSP具有SIMD（单条指指令多个个数据））的能力力内部集成成有大容容量的SRAM（第一个个TigerSharcDSP集成了6Mbit的RAM）ADI公司的软软硬件开开发工具具：VisualDSP集成开发发环境22LucentDSP-16xxDSP1600016-bit定点DSP具有16316-bit的乘法器器36-bit的ALU/移位器所有片种种都有片片内ROM工作在2.7-4.75V双MAC单元支持16332-和32332-bit的乘法ALU支持16-、32-、40-bit运算X和Y存储器具具有32-bit数据宽度度软件工具具：ANSIC编译器、、汇编器器、连接接器、调调试器和和软仿真真器。用用TargetView通信系统统通过JTAG来作独立立的或连连网的硬硬件仿真真可以图图形化地地显示通通过DSP的数据流流。这样样，用户户可以观观察到处处理器中中没有充充分使用用的部分分，修改改代码来来提高效效率。SynopsysCOSSAP,CadenceSPW,以及MathworksMatlab等第三方方的工具具。23MotorolaDSP-56800DSP563xx16，24-bit定点DSP带有控制制功能的的DSP可以中断断的硬件件do循环七级流水水，具有条件件ALU指令以寄存器器为基础础的结构构与核执行行单元并并发的六六通道DMA操作多数器件件工作于于3.3V，并兼容容5V的I/O；有些器器件工作作于1.8V,兼容3.3V的I/O，工作于于2.7V和70MHz与核并行行工作的的滤波器器协处理理器使用OnCE口，通过过JTAG接口作片片上仿真真。CodeWarrior提供集成成的开发发环境。。24Lucent/MotorolaStarCoreSC10016-bit定点DSP核DSP结构可以以升级可变长度度指令提提高代码码的效率率和并行行性更好的C程序编译译器25TMS320C5000结构特点点16-bit定点DSPC55x有双MAC单元；C54x有单MAC单元C55的指令长长度可变变，且没没有排队队的限制制C55x有12组总线；；C54x有8组总线工作于0.9V和300MHz综合介绍C55x和C54x源代码兼容容，而C5x和C2x源代码兼容容。C54x关注于低功功耗，而C55x则将低功耗耗提到一个个新水平：：300MHz的C55x和120MHz的C54x相比，性能能提高5倍，而功耗耗则降到六六分之一。。26TMS320C6000结构特点第一块C64x可以达到750MHz超长指令字字（VLIW）结构具有有与RISC类似的特点点C编译器与结结构结合紧紧密8个功能块提提高了并行行性综合介绍TI的TMS320C6000是基于超长长指令字（（VLIW）结构的通通用DSP系列。该结结构包括定定点的C62x、浮点的C67x和新的C64x。C64x和C62x代码兼容，，但结构有有显著的加加强，其初初期的工作作频率可达达750MHz。C67x在C62x八个功能块块中的六个个上增加了了浮点功能能，因此其其指令集是是不同的。。27TMS320DM64xDSPs特点针对视频进进行优化的的VC1/WMV9FullD1SD解码MPEG-2MP@MLSD解码MPEG-4ASPFullD1SD解码专用视频处处理子系统统后端——集成OSD，四个视频频DAC，24位数字RGB输出C编 译器器与结构结结合紧密。。前端——图像缩放工工具、影像像处理引擎擎、16位数字输入入。视频编码/解码定点数数字信号处处理采用达芬奇奇技术综合介绍TMS320DM64x架构是一款款高度集成成的片上系系统(SoC)，集成了数数字视频所所需的许多多外部组件件，使硬件件材料清单单成本降低低了50%。DM64x器件建立在在TI性能卓越的的TMS320C64x+™DSP内核基础之之上，ARM926处理器、视视频加速器器、网络外外设及外部部存储器／／存储设备备接口等都都专门为视视频功能进进行了调节节。TMS320DM6443针对视频编编码及解码码应用进行行了调优，，可提供数数字视频解解码所需要要的全部组组件，包括括带集成式式图像缩放放工具及画画中画(OSD)引擎的模拟拟及数字视视频输出。。TMS320DM6446则特别适合合视频编码码与解码，，其专门的的视频处理理前端添加加了视频编编码功能，，能够捕获获各种数字字视频格式式。28达芬奇（DaVinciTM）技术介绍绍达芬奇技术术是业界第第一款集成成了DSP处理器、软软件、工具具以及技术术支持的综综合型解决决方案。适适用于开发发优化的数数字视频终终端设备。。达芬奇技术术由组件优优化构成，，这些组件件可以使数数字视频终终端设备相相互支持：：达芬奇处理理器达芬奇处理理器基于业业界最高性性能的DSP平台—TITMS320C6000™，其充分利利用了TI最新的C64x+™DSP内核。达芬芬奇处理器器包含基于于可扩展、、可编程DSP的SoC（可从DSP与ARM内核进行定定制），同同时还包含含优化的加加速器与外外设，以全全方位满足足各种数字字视频终端端设备对价价格、性能能以及功能能等多方面面的需求。。29达芬奇软件件运行于达芬芬奇处理器器之上的达达芬奇软件件将充分利利用芯片资资源，其内内置于可配配置的框架架内，并通通过流行操操作系统内内部已公布布的API提供，以实实现快速的的软件实施施。视频、影像像、音频及及语音编解解码器H.264,MPEG4,H.263,WMV9,MPEG2,JPEG,AAC+,WMA,MP3,G.711,G.728,G.723.1，G.729ab等视频、影影像、音频频以及语音音编解码器器操作系统达芬奇技术术最初支持持Linux操作系统，，未来会陆陆续实现对对诸如WinCE等其它流行行操作系统统的支持。。应用编程接接口(API)这些API可结合DSP与ARM软件开发人人员双方的的最大优势势。在DSP平台针对DSP专家保持开开放性的同同时，ARM软件开发人人员可以根根据API进行编程，，同时确保保新一代数数字视频处处理所需要要的编解码码器流行组组合能够相相互配合