第一章 DSP技术概述.ppt

1、DSP原理及应用,齐美彬电子信息工程系,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。,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

2、应用,1、数字信号处理 （Digital Signal ProcessingDSP） 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 （Digital Signal ProcessorDSP） 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、DS

3、P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

4、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=2847Mbp

5、s,（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

6、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,1GHz1.25GHz 320 GMAC/160 GFLOP 1.25G

7、Hz 32KB L1P, 32KB L1D, 512KB L2 Per Core 4MB Shared L2 Multicore Navigator Network Coprocessors- Packet Accelerator, Security Accelerator SRIO 2.1 - 5 Gbaud PCIe Gen2 Ethernet MAC 100/1000 Mbps,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

8、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,Robert Noyce,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

9、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

10、,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

11、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

12、 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，C67x 2）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,Tex

13、as Instruments （德州仪器）公司 Agere,从Lucent Technologies（朗讯技术）分出 Analog Devies（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

14、德州仪器公司 （Texas InstrumentsTI） 推出第一代DSP TMS320010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DSP MC56001。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（Analog DevicesAD）相继推出了定点DSP芯

15、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： Reduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机 CISC：Complex Instruction Set Computer 复

16、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-Specific Integrated Circuit 专用集成电路,1）TMS320C2000系列，DSP控制器。集成了flash存储器、

17、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40-300MHz 2）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1.1G

18、Hz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=33.6G MIPS ； 11年推出的C6678有8个DSP核，运算速度达到： 320 GMAC/160 GFLOP 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。,Texas Instruments简史,1930年，建立Geophysical Service公司，地震石油勘探； 1941年，石油

19、，为美国陆军和海军提供电子设备； 1951年，更名为Texas Instruments，进军仪器领域。 1952年，TI从Western Electric Co.购买了专利许可来制造锗三极管。 1954年，贝尔实验室的M Tanenbaum et al.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Regency TR-1。 1958年，员工Jack Kilby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DS

20、P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

21、/D D/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、Flash Memory， 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

22、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： PCI ISA 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

23、， 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