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文檔簡介
李大湘1535370798135108809@數(shù)字信號處理器原理B李大湘數(shù)字信號處理器原理B1課前說明1總課時:48課時(32理論+16實踐),3個學分2理論:教材前6章內(nèi)容+試驗相關算法介紹3實踐:(1)試驗箱:WintechTS-DM642(2)數(shù)字圖像處理相關的試驗例如:邊緣檢測、直方圖均衡、中值濾波等4考試:平時的試驗報告40%+筆試60%5要求:不能曠課、不遲到、不早退,參加試驗課且交報告
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各班班長下次課交一份本班同學名單課前說明1總課時:48課時(32理論+16實踐),3個學2第1章:DSP技術概要數(shù)字信號處理器(DigitalSignalProcessors,簡稱DSP
)是一種用于數(shù)字信號處理的可編程微處理器。它的誕生與快速發(fā)展,使各種數(shù)字信號處理算法得以實時實現(xiàn),為數(shù)字信號處理的研究和應用打開了新局面,提供了低成本的實際工作環(huán)境和應用平臺,推動了新的理論和應用領域的發(fā)展。第1章:DSP技術概要3
目錄
1.1DSP系統(tǒng)和芯片的結構特點 1.2DSP的發(fā)展概況及趨勢 1.3DSP芯片的分類、性能及其應用第1章:DSP技術概要第1章:DSP技術概要41.1DSP系統(tǒng)和芯片的結構特點1.1.1DSP系統(tǒng)的基本結構
第1章:DSP技術概要1.1DSP系統(tǒng)和芯片的結構特點第1章:DSP技術概要51.1DSP系統(tǒng)和芯片的結構特點
數(shù)字信號處理(DigitalSignalProcessing,DSP):是研究如何對信號采樣、變換、濾波、估計、增強、混合、比較、壓縮及識別等處理算法的一門學科。圍繞理論、實現(xiàn)和應用而得到迅速發(fā)速。第1章:DSP技術概要1.1DSP系統(tǒng)和芯片的結構特點第1章:DSP技術概要6第1章:DSP技術概要實時處理(Real-Time):數(shù)字信號處理與信號的輸入和輸出保持同步非實時處理(NonReal-Time):先對信號進行采樣并存儲,然后再對其進行處理第1章:DSP技術概要實時處理(Real-Time):數(shù)字信7第1章:DSP技術概要在通用計算機上用軟件實現(xiàn)用單片機實現(xiàn)用可編程DSP實現(xiàn)用專用DSP實現(xiàn)用可編程陣列FPGA等實現(xiàn)DSP+單片機+FLASH+CPLDDSP+FPGADSP+ARM+操作系統(tǒng)基于標準總線的DSP系統(tǒng)☆
數(shù)字信號處理的實現(xiàn)第1章:DSP技術概要在通用計算機上用軟件實現(xiàn)☆數(shù)字信號處8第1章:DSP技術概要1.1.2DSP芯片的結構特點
☆經(jīng)典的DSP算法舉例求兩序列信號h(n)、x(n)的卷積:求兩序列信號y(n)、x(n)的相關函數(shù):數(shù)字濾波器的數(shù)學表達式為:對信號進行快速傅立葉變換FFT:☆數(shù)字信號處理的突出特點:ΣAi×Xi、高速實時第1章:DSP技術概要1.1.2DSP芯片的結構特點9第1章:DSP技術概要☆DSP特別適合于數(shù)字信號處理的結構1.采用改進型哈佛結構
計算機的總線結構通??煞譃槎N:
①馮·諾依曼結構
②哈佛結構
第1章:DSP技術概要☆DSP特別適合于數(shù)字信號處理的結構10第1章:DSP技術概要馮·諾依曼結構特點:程序和數(shù)據(jù)共用同一套總線,對程序和數(shù)據(jù)需要分時讀寫,執(zhí)行速度慢,數(shù)據(jù)吞吐量低,計算機結構簡單,不適于進行高速度的數(shù)字信號處理第1章:DSP技術概要馮·諾依曼結構11第1章:DSP技術概要多數(shù)微處理器和單片機采用馮·諾依曼結構,如圖所示
第1章:DSP技術概要多數(shù)微處理器和單片機采用馮·諾依12第1章:DSP技術概要哈佛結構特點:程序、數(shù)據(jù)具有獨立的存儲空間,有獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線,可同時對程序和數(shù)據(jù)進行尋址和讀寫訪問,執(zhí)行速度高,數(shù)據(jù)吞吐量大,計算機結構復雜,非常適于進行高速的數(shù)字信號處理。
(a)哈佛結構(b)改進型哈佛結構
第1章:DSP技術概要哈佛結構13第1章:DSP技術概要(a)哈佛結構(b)改進型哈佛結構第1章:DSP技術概要(a)14第1章:DSP技術概要DSP采用的是改進型哈佛總線結構,如上圖(b)所示
改進之處主要體現(xiàn)在下列3點:1)片內(nèi)RAM可映像至數(shù)據(jù)空間,也可映像至程序空間2)片內(nèi)ROM可映像至程序空間,也可映像至數(shù)據(jù)空間3)具有根裝載(Bootloader)功能,即把片外的指令代碼調(diào)至數(shù)據(jù)存儲器,供CPU零等待運行。第1章:DSP技術概要DSP采用的是改進型哈佛總線結構,如上15第1章:DSP技術概要2.流水線操作☆指令的執(zhí)行通常分為以下4個階段:取指Fetch譯碼Decode取操作數(shù)Operand執(zhí)行Execute第1章:DSP技術概要2.流水線操作16第1章:DSP技術概要
取指.譯碼.取操作數(shù).執(zhí)行指令n-2取指.譯碼.取操作數(shù).執(zhí)行指令n-1取指.譯碼.取操作數(shù).執(zhí)行指令n☆采用馮·諾依曼結構的微處理器指令流如下圖CPU是在完成一條指令的全部4個操作階段后再去執(zhí)行另一條指令的,從時間上看是一種串行執(zhí)行的過程,因此需要花費較多的CPU時鐘周期。
第1章:DSP技術概要☆采用馮·諾依曼結構的微處理器指令流17第1章:DSP技術概要☆DSP采用多級流水線結構
所謂流水線操作就是將一條指令的不同階段分配在連續(xù)的幾個周期上,通過不同的硬件去完成指令的不同執(zhí)行階段(稱為級)。
例如:當取指硬件完成取指任務,就將指令N交給譯碼硬件,它就可以去取下一條指令N+1,而譯碼硬件則同時對指令N進行譯碼。
第1章:DSP技術概要☆DSP采用多級流水線結構18第1章:DSP技術概要一個4級流水線的示意圖如圖1-6所示。雖然就一條指令而言,似乎要用4個時鐘周期才能完成全部操作,但從多條指令的角度看,則可認為每條指令的運行時間是單周期。這樣,就使指令的運行速度得到了很大提高。
第1章:DSP技術概要一個4級流水線的示意圖如圖1-6所示。19第1章:DSP技術概要
TMS320C6000系列定點DSP采用的多級流水線如圖所示
第1章:DSP技術概要TMS320C6000系列定點D20第1章:DSP技術概要3.片內(nèi)集成有硬件乘法器和乘加單元
DSP內(nèi)集成了硬件乘法器,可在單周期內(nèi)完成16×16位、32×32位等的乘法運算。DSP內(nèi)集成了乘加單元,從硬件結構上為高速完成卷積、相關、FFT及數(shù)字濾波等信號處理算法提供了基礎。
第1章:DSP技術概要3.片內(nèi)集成有硬件乘法器和乘加單元21第1章:DSP技術概要TMS320C6000系列片內(nèi)有2個硬件乘法器,支持在單周期內(nèi)完成下列乘法運算。16位×16位16位×32位雙16位×16位4個8位×8位C64xCPUDataPath2DataPath1RegisterFileAD2S2L2A31-A16InstructionDecodeInstructionDispatchInstructionFetchControlRegistersInterruptControlS1L1TMS320C64x-CPUA15-A0+++++++++++++++M1xD1++RegisterFileBB31-B16B15-B0++M2AdvancedInstructionPacking+xxxxxxxxxxxAdvancedEmulation第1章:DSP技術概要TMS320C6000系列片內(nèi)有22第1章:DSP技術概要4.功能強大的CPU結構DSP的CPU一般包括:算術邏輯運算單元ALU、累加器、硬件乘法器、乘加單元、加法器、桶型移位器、程序地址產(chǎn)生和數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生等部分。例如:TMS320C6000采用雙數(shù)據(jù)通道和8個功能單元的結構。具有超長指令字(VLIW)操作能力。
TMS320C64xCPU內(nèi)核第1章:DSP技術概要4.功能強大的CPU結構23第1章:DSP技術概要5.硬件循環(huán)重復機制許多DSP芯片具有指令重復循環(huán)的專用硬件及重復操作指令,能夠自動重復執(zhí)行單條或一段指令。TMS320C5000中有重復計數(shù)器RPTC。當執(zhí)行一條重復指令RPT#N時,會將重復值N送入RPTC,則緊接RPT后面的那條指令將被重復執(zhí)行N+1次。每重復執(zhí)行一次,RPTC的內(nèi)容自動減1,直至減至零為止。這樣可通過硬件自動完成循環(huán)操作過程。第1章:DSP技術概要24假設:塊ai存放于程序存儲器塊中(起始地址2000h)塊bi存放于數(shù)據(jù)存儲器中(起始地址1000h)塊長N=100MAR*,AR1;指定當前輔助寄存器AR為AR1LARAR1,#1000h;1000h→AR1LACC#0;ACC清0RPT#99;后面一條指令重復執(zhí)行100次MAC2000H,*+,0≤k≤N–1本例若假設代碼、程存塊和數(shù)存塊操作數(shù)均在片內(nèi)存儲器中,則執(zhí)行本段程序的周期最短為:1+2+1+1+99+2=106在重復執(zhí)行100次MAC2000HAR1指令時,由于有了硬件重復機制的支持,取指僅使用了2Pcode,大大縮短了執(zhí)行時間。若取CPUCLK=50ns,則本段程序的全速運行時間為5.3μs
MAC算法舉例,0≤k≤N–1本例若假設代碼、程存塊和MAC算法舉例25第1章:DSP技術概要6.復合操作指令
所謂復合操作是指在一條單字單周期指令中可分別完成多個操作任務。以MPYA(乘且累加前次乘積)指令為例。
MPYA*+,AR3;設AR為AR1,執(zhí)行后會發(fā)生下列事件:
(PC)+1→PC (ACC)+移位后的(PREG)→ACC (TREG)×(數(shù)據(jù)存儲器)→PREG (AR1)+1→AR1 令AR3為AR ARP=011B,ARB=001B第1章:DSP技術概要6.復合操作指令26第1章:DSP技術概要7.嵌入式功能DSP片內(nèi)集成有大量片內(nèi)外設,不用外擴很多器件,既可組成獨立的應用系統(tǒng)。DSP芯片具有強大的擴展接口能力,可有效連接一系列外擴器件。DSP=數(shù)字信號處理能力+嵌入式功能通用DSP系統(tǒng)結構DSP內(nèi)核測試和開發(fā)接口(JTAG)主機接口系統(tǒng)時鐘Bootloader電源控制程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器通信端口模擬I/O編解碼器ADC第1章:DSP技術概要7.嵌入式功能通用DSP系統(tǒng)結構DSP27第1章:DSP技術概要
時鐘:CPU時鐘EMIF時鐘外設時鐘VcoreVI/O電源:電源供電電源監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)視手動復位看門狗電路存儲器:異步存儲接口
SRAM、Flash、NvRAM……同步存儲器
同步靜態(tài)RAM:SBSRAM、ZBTSRAM同步動態(tài)RAM:SDRAM同步FIFO模擬I/O:通用A/D、D/A音頻Codec視頻Decoder、Encoder……數(shù)字I/O:開入/開出串行通信接口UART(RS232、RS422/RS485)CAN總線USB……多處理器接口:雙口RAM(DPRAM)HPI接口PCI接口總線擴展存儲總線外設總線系統(tǒng)總線:復位、時鐘、中斷……DSP外部接口CLKCPUCLKEMIFCLKI/O數(shù)據(jù)地址控制片上外設RESETDSP應用系統(tǒng)功能框圖DSP第1章:DSP技術概要時鐘:VcoreVI/O電源28第1章:DSP技術概要1.2DSP的發(fā)展概況和趨勢 1.2.1DSP的發(fā)展概況(1)20世紀70年代,DSP誕生:1978年,AMI公司宣布第一個DSPS2811問世1980年,日本NEC公司推出的D7720是第一片具有硬件乘法器的商用DSP
1982年,美國TI公司推出首枚低成本高性能的DSP-TMS32010芯片,16位定點DSP,采用了哈佛結構和硬件乘法器。1985年,TI公司推出TMS32020系列芯片,尋址空間達到64K。ADSP2100,DSP56001,DSP16A第1章:DSP技術概要1.2DSP的發(fā)展概況和趨勢29第1章:DSP技術概要1.2DSP的發(fā)展概況和趨勢
(2)20世紀90年代后:驚人發(fā)展期性能與指標不斷提高;芯片尺寸與功耗不斷減小,價格逐年降低;
出現(xiàn)了種技術先進的定點與浮點DSP芯片;TI公司的TMS320C20,C30,C40,C50,C80系列芯片;ADSP21XX系列;更適合于數(shù)字信號處理算法;3.3V(I/O),1.8V內(nèi)核
第1章:DSP技術概要1.2DSP的發(fā)展概況和趨勢30第1章:DSP技術概要1.2DSP的發(fā)展概況和趨勢
(3)1997年以后:進入完善期普遍采用0.25,0.18um工藝,增加了集成度;片內(nèi)存儲器容量增大,幾百千字;
內(nèi)核電壓1.2V,進行一步降低功耗;TI公司的TMS320C64x;開發(fā)手段更方便,優(yōu)化方法更靈活;
第1章:DSP技術概要1.2DSP的發(fā)展概況和趨勢31第1章:DSP技術概要☆目前全球DSP市場中的主要廠商TI公司位居榜首,在全球DSP市場的占有率為44%左右Motorola公司的占有率為13.2%左右ADI公司的占有率為10.2%左右其他一部分由Hitachi(日立)、NEC、Zilog(桑那)等公司占據(jù)
第1章:DSP技術概要☆目前全球DSP市場中的主要廠商32第1章:DSP技術概要☆TI公司的三大系列DSP芯片:(1)TMS320C200系列:16/32位的定點DSP芯片;速度150MIPS;主要應用:數(shù)字馬達控制,電機控制,數(shù)字電視,工業(yè)主動化,智能傳感器等嵌入式應用領域。
第1章:DSP技術概要☆TI公司的三大系列DSP芯片:33第1章:DSP技術概要(2)TMS320C500系列:低功耗的16位的定點DSP芯片;速度600MIPS;C54x,C55x.主要應用:個人或便攜產(chǎn)品。如:音樂播放器,數(shù)碼相機2G,3G手機和基站;GPS接收器;多種消費類電子產(chǎn)品。
第1章:DSP技術概要(2)TMS320C500系列:34第1章:DSP技術概要(3)TMS320C600系列:高性能的32位的定點DSP芯片;具有強大的計算能力與并行處理能力.C62X,C64x,C67x。主要應用:音頻與視頻處理。如:語音識別,醫(yī)學圖像處理,視頻監(jiān)控。音頻會議與廣播;第1章:DSP技術概要(3)TMS320C600系列:35第1章:DSP技術概要☆目前TI公司和ADI公司的主流DSP的一些特性如表第1章:DSP技術概要☆目前TI公司和ADI公司的主流DSP36第1章:DSP技術概要1.2.2DSP的發(fā)展趨勢1.單片DSP的發(fā)展
將圍繞性能、價格和功耗這三大要素進行進一步的改善2.DSP與其它可編程處理器技術相結合 將FPGA與DSP技術相結合,可實現(xiàn)寬帶信號處理,大大提高信號處理速度
3.DSP與SoC技術相結合 利用DSP核嵌入技術將一個系統(tǒng)集成在一塊芯片上,提高設計速度,降低開發(fā)成本,可直接使用DSP系統(tǒng)開發(fā)技術來開發(fā)內(nèi)部嵌有DSP內(nèi)核的SoC。SystemonChip的縮寫,稱為系統(tǒng)級芯片,也有稱片上系統(tǒng)。所謂SoC技術,是一種高度集成化、固件化的系統(tǒng)集成技術。使用SoC技術設計系統(tǒng)的核心思想,就是要把整個應用電子系統(tǒng)全部集成在一個芯片中。在使用SoC技術設計應用系統(tǒng),除了那些無法集成的外部電路或機械部分以外,其他所有的系統(tǒng)電路全部集成在一起。
第1章:DSP技術概要1.2.2DSP的發(fā)展趨勢37第1章:DSP技術概要1.3
DSP芯片的分類、性能及其應用1.3.1DSP芯片的分類
1.按照數(shù)據(jù)格式分類: 定點DSP芯片 浮點DSP芯片 2.按照芯片的用途分類 通用型DSP 專用型DSP 3.按照芯片結構分類: 靜態(tài)DSP 為某種應用目的而專門設計的ASIC系統(tǒng) 硬連線邏輯電路
第1章:DSP技術概要1.3
DSP芯片的分類、性能及其應38第1章:DSP技術概要1.3.2DSP芯片的性能
1.MIPS:百萬條指令/每秒
如TMS320C6416在時鐘為1GHz時的峰值性能可達8000MIPS2.MOPS:百萬次操作/每秒
如TMS320C6201在時鐘為200MHz時的峰值性能可達2400MOPS3.MFLOPS:百萬次浮點操作/每秒
如ADSP-TS201S的峰值性能可達14.4GFLOPS
第1章:DSP技術概要1.3.2DSP芯片的性能39第1章:DSP技術概要4.MBPS:百萬位/每秒
如TMS320C6000的總線時鐘為200MHz時,其總線數(shù)據(jù)吞吐率為800M字節(jié)/秒5.MAC執(zhí)行時間:完成一次乘-累加運算所需時間
大部分DSP可在單周期內(nèi)完成一次MAC6.FFT執(zhí)行時間完成一個N點FFT運算所需時間第1章:DSP技術概要4.MBPS:百萬位/每秒40第1章:DSP技術概要1.3.3DSP芯片的應用
第1章:DSP技術概要1.3.3DSP芯片的應用41第1章:DSP技術概要TMS320C5000?低功耗
手機電信數(shù)碼相機便攜式媒體播放器最佳測控
電機控制家用電器變頻電源控制工業(yè)自動化TMS320C2000?高性能無線基站視頻流、視頻會議視頻安防/監(jiān)控制醫(yī)療成像TMS320C6000?☆TI公司主推的三大DSP平臺第1章:DSP技術概要TMS320C5000?低功耗最佳測控42OpticalNetworkingControloflaserdiodeTVscreenDeflectionofelectronbeamforsmallangleandsharpcornerTVscreenAutomotive-EPSBatteryoperatedprecisionforsteeringPrinterPrintheadcontrolPaperpathmotorcontrolDigitalPowerSupplyProvidescontrol,sensing,PFC,andotherfunctions“Segway”ManynewcoolApplicationtocomeTirePressureLowcostpressuresensingbasedontirerotationspeedmeasurementC2000系列DSP應用領域第1章:DSP技術概要OpticalNetworkingTVscreenAut43☆
C2000系列DSP子系列C2xx子系列:16位定點DSP、20MIPS代表器件:TMS320F206PZC24x子系列:16位定點DSP、20MIPS代表器件:TMS320F240LF240x子系列:16位定點DSP、40MIPS代表器件:TMS320LF2407F28x子系列:32位定點DSP、150MIPS代表器件:TMS320F2812、TMS320F2810第1章:DSP技術概要☆C2000系列DSP子系列C2xx子系列:16位定點DS44第1章:DSP技術概要UpTo40MIPSControlPerformanceHigh-PrecisionControlC242F241LC2404ALF2401ALC2402AMulti-Function,Appliance&ConsumerControlF240F243LC2406ALF2402ALF2403ALF2406ALF2407AF2810128-LQFPF2812176-LQFPF2812179-u*BGA150MIPS!SoftwareCompatibleHigh-endDerivativesApplicationspecificversionsScaledDownversionsRoadmap第1章:DSP技術概要UpTo40MIPSContro45TIDSP占手機市場的60%
TIDSP被前10位因特網(wǎng)消費類電子產(chǎn)品制造商中的8個所選中TIDSP被前8位數(shù)碼相機制造商中的7個所選中TIDSP占IP電話設計的80%TIDSP占VOIP網(wǎng)關市場的80%TIDSP被前10位無線基站制造商中的8個所采用TMS320C5000C5000系列DSP的應用第1章:DSP技術概要TIDSP占手機市場的60%
TIDSP被前10位因46☆
C5000系列DSP子系列C54x子系列:16位定點DSP、100~160MIPS代表器件:TMS320VC5402、VC5409、VC5416C55x子系列:16位定點DSP、400MIPS代表器件:TMS320VC5510、VC5509、VC5502C54x+ARM7子系列:代表器件:TMS320VC5470、VC5471、DSC21C55x+ARM9子系列: 即OMAP平臺:OpenMultimediaApplicationsPlatform代表器件:OMAP5910第1章:DSP技術概要☆C5000系列DSP子系列C54x子系列:16位定點DS47第1章:DSP技術概要Application
EnhancedC5502400MIPSC5509288-400
MIPSC5510320-400
MIPSC55xTMDSPDSP+RISCPowerEfficiency/SystemDensityC5000系列DSPC5470C54xTM+ARM7C5471C54xTM+ARM7OMAPTM
OMAP5910MulticoreC5420
200MIPSC5421
200MIPSC5441532MIPSC55xTMMulticoreSoftwareCompatibleC5407120MIPSC540150MIPSC5402100-160MIPSC540980-160
MIPSC5410100-160MIPSC5416120-160MIPSOver500MillionShippedC54xTMDSPWorld’sMostPopularDSP$5BillioninDesign-insC55xTMDSPBestDSP
MicroprocessorReportDSPProductoftheYear
InternetTelephonyEDN2000DSPC5404120
MIPSRoadmap第1章:DSP技術概要Application
Enhanc48HighPerformance160-MIPS performance16KwordsSRAM3McBSPs6-channelDMA8/16-bitHPI1.2-Vand1.8-VcoreoptionsLowPower<72mWactivepower(100MIPS)SmallSize144-pinLQFPUltra-small144microStar?BGA(12mmx12mm)D(15-0)A(22-0)26MuxedGPI/OProgram/DataBuses8/16-bitHostPort
Interface(HPI)Program/DataRAM16KWordsCh0Ch1Ch2Ch3Ch4Ch5DMATimerProgram/DataROM16KWordsPeripheralBusRND,SAT17x17MPY40-BitAdderMACShifter40-BitBarrel
(-16,31)EXPEncoder40-BitALUCMPSOperator
(VITERBI)ALUAccumulators40-BitACCA40-BitACCB8AuxiliaryRegisters2AddressingUnitsAddressingUnitMultichannelBuffered
SerialPort(McBSPMultichannelBuffered
SerialPort(McBSP)JTAGTest/
Emulation
ControlMultichannelBuffered
SerialPort(McBSP)PLLClock
GeneratorS/WWaitstate
GeneratorPowerManagementTMS320C54x內(nèi)部結構第1章:DSP技術概要HighPerformanceD(15-0)A(22-0)49C54xC55xHigherperformanceCPU2-40bitaccumulators1-40-bitALU1-40bitbarrelshifterL31,R161-17x17-bitMACunprotectedpipeline1-16bitprogrambus3-16bitdatabuses4-16bitaddressbusesseparateprogram,datamemory4-40bitaccumulators1-40-bitALU-dualmode+116-bitALU1-40bitbarrelshifterL32,R312-17x17-bitMACsprotectedpipeline1-32bitprogrambus5-16bitdatabuses6-24bitaddressbusesunifiedmemoryspaceExtendedhardwareresources16bitinstructionsdefinedparallelinstructionsSupersetof54xMnemonic8,16,24,32,40,48bitinstructionsdefinedparallelinstructionsuserdefinedparallelinstructionsC54xMnemonicC55xMnemonicC54x與C55x內(nèi)含的差別第1章:DSP技術概要C54xC55xHigherperformance2-50☆
C6000系列DSP子系列C62x子系列:32位定點DSP、1200~2400MIPS
代表器件:TMS320C6205代表器件:TMS320C6211C67x子系列:32位浮點DSP、1200~1800MIPS,900~1350MFLOPS代表器件:TMS320C6701
代表器件:TMS320C6711、C6712、C6713C64x子系列:32位定點DSP,4000~5760MIPS代表器件:TMS320C6414、C6415、C6416數(shù)字媒體器件:TMS320DM640、DM641、DM642第1章:DSP技術概要☆C6000系列DSP子系列C62x子系列:32位定點DS51DSLmodemsModems池基站收發(fā)器無線局域網(wǎng)
區(qū)域用戶交換機語音識別多媒體網(wǎng)關專業(yè)音頻設備網(wǎng)絡照相機機器視角安全認證工業(yè)掃描儀高速打印機高級加密器BroadbandCommunicationsWireless3GBaseStationsMedicalImagingC6000系列DSP的應用第1章:DSP技術概要DSLmodemsBroadbandCommunica52第1章:DSP技術概要FixedPointSoftwareCompatiblePerformanceFloatingPoint
C67HPMulti-CoreC6000系列DSPC64x+RISCC67LCC64LCC6416C6415C6414C6411DM64xTMC6712CC6711CC6713C6203C6701C6711C6201C6204C6211C6712C6205C6202C64xTMDSPBestDSPof2001InStat/MicroDesignResources2001InnovationoftheYearEDNMagazine第1章:DSP技術概要FixedPointSoftwar53
作業(yè):課后預習第二章內(nèi)容第1章:DSP技術概要作業(yè):課后預習第二章內(nèi)容第1章:DSP技術概要54李大湘1535370798135108809@數(shù)字信號處理器原理B李大湘數(shù)字信號處理器原理B55課前說明1總課時:48課時(32理論+16實踐),3個學分2理論:教材前6章內(nèi)容+試驗相關算法介紹3實踐:(1)試驗箱:WintechTS-DM642(2)數(shù)字圖像處理相關的試驗例如:邊緣檢測、直方圖均衡、中值濾波等4考試:平時的試驗報告40%+筆試60%5要求:不能曠課、不遲到、不早退,參加試驗課且交報告
□
各班班長下次課交一份本班同學名單課前說明1總課時:48課時(32理論+16實踐),3個學56第1章:DSP技術概要數(shù)字信號處理器(DigitalSignalProcessors,簡稱DSP
)是一種用于數(shù)字信號處理的可編程微處理器。它的誕生與快速發(fā)展,使各種數(shù)字信號處理算法得以實時實現(xiàn),為數(shù)字信號處理的研究和應用打開了新局面,提供了低成本的實際工作環(huán)境和應用平臺,推動了新的理論和應用領域的發(fā)展。第1章:DSP技術概要57
目錄
1.1DSP系統(tǒng)和芯片的結構特點 1.2DSP的發(fā)展概況及趨勢 1.3DSP芯片的分類、性能及其應用第1章:DSP技術概要第1章:DSP技術概要581.1DSP系統(tǒng)和芯片的結構特點1.1.1DSP系統(tǒng)的基本結構
第1章:DSP技術概要1.1DSP系統(tǒng)和芯片的結構特點第1章:DSP技術概要591.1DSP系統(tǒng)和芯片的結構特點
數(shù)字信號處理(DigitalSignalProcessing,DSP):是研究如何對信號采樣、變換、濾波、估計、增強、混合、比較、壓縮及識別等處理算法的一門學科。圍繞理論、實現(xiàn)和應用而得到迅速發(fā)速。第1章:DSP技術概要1.1DSP系統(tǒng)和芯片的結構特點第1章:DSP技術概要60第1章:DSP技術概要實時處理(Real-Time):數(shù)字信號處理與信號的輸入和輸出保持同步非實時處理(NonReal-Time):先對信號進行采樣并存儲,然后再對其進行處理第1章:DSP技術概要實時處理(Real-Time):數(shù)字信61第1章:DSP技術概要在通用計算機上用軟件實現(xiàn)用單片機實現(xiàn)用可編程DSP實現(xiàn)用專用DSP實現(xiàn)用可編程陣列FPGA等實現(xiàn)DSP+單片機+FLASH+CPLDDSP+FPGADSP+ARM+操作系統(tǒng)基于標準總線的DSP系統(tǒng)☆
數(shù)字信號處理的實現(xiàn)第1章:DSP技術概要在通用計算機上用軟件實現(xiàn)☆數(shù)字信號處62第1章:DSP技術概要1.1.2DSP芯片的結構特點
☆經(jīng)典的DSP算法舉例求兩序列信號h(n)、x(n)的卷積:求兩序列信號y(n)、x(n)的相關函數(shù):數(shù)字濾波器的數(shù)學表達式為:對信號進行快速傅立葉變換FFT:☆數(shù)字信號處理的突出特點:ΣAi×Xi、高速實時第1章:DSP技術概要1.1.2DSP芯片的結構特點63第1章:DSP技術概要☆DSP特別適合于數(shù)字信號處理的結構1.采用改進型哈佛結構
計算機的總線結構通??煞譃槎N:
①馮·諾依曼結構
②哈佛結構
第1章:DSP技術概要☆DSP特別適合于數(shù)字信號處理的結構64第1章:DSP技術概要馮·諾依曼結構特點:程序和數(shù)據(jù)共用同一套總線,對程序和數(shù)據(jù)需要分時讀寫,執(zhí)行速度慢,數(shù)據(jù)吞吐量低,計算機結構簡單,不適于進行高速度的數(shù)字信號處理第1章:DSP技術概要馮·諾依曼結構65第1章:DSP技術概要多數(shù)微處理器和單片機采用馮·諾依曼結構,如圖所示
第1章:DSP技術概要多數(shù)微處理器和單片機采用馮·諾依66第1章:DSP技術概要哈佛結構特點:程序、數(shù)據(jù)具有獨立的存儲空間,有獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線,可同時對程序和數(shù)據(jù)進行尋址和讀寫訪問,執(zhí)行速度高,數(shù)據(jù)吞吐量大,計算機結構復雜,非常適于進行高速的數(shù)字信號處理。
(a)哈佛結構(b)改進型哈佛結構
第1章:DSP技術概要哈佛結構67第1章:DSP技術概要(a)哈佛結構(b)改進型哈佛結構第1章:DSP技術概要(a)68第1章:DSP技術概要DSP采用的是改進型哈佛總線結構,如上圖(b)所示
改進之處主要體現(xiàn)在下列3點:1)片內(nèi)RAM可映像至數(shù)據(jù)空間,也可映像至程序空間2)片內(nèi)ROM可映像至程序空間,也可映像至數(shù)據(jù)空間3)具有根裝載(Bootloader)功能,即把片外的指令代碼調(diào)至數(shù)據(jù)存儲器,供CPU零等待運行。第1章:DSP技術概要DSP采用的是改進型哈佛總線結構,如上69第1章:DSP技術概要2.流水線操作☆指令的執(zhí)行通常分為以下4個階段:取指Fetch譯碼Decode取操作數(shù)Operand執(zhí)行Execute第1章:DSP技術概要2.流水線操作70第1章:DSP技術概要
取指.譯碼.取操作數(shù).執(zhí)行指令n-2取指.譯碼.取操作數(shù).執(zhí)行指令n-1取指.譯碼.取操作數(shù).執(zhí)行指令n☆采用馮·諾依曼結構的微處理器指令流如下圖CPU是在完成一條指令的全部4個操作階段后再去執(zhí)行另一條指令的,從時間上看是一種串行執(zhí)行的過程,因此需要花費較多的CPU時鐘周期。
第1章:DSP技術概要☆采用馮·諾依曼結構的微處理器指令流71第1章:DSP技術概要☆DSP采用多級流水線結構
所謂流水線操作就是將一條指令的不同階段分配在連續(xù)的幾個周期上,通過不同的硬件去完成指令的不同執(zhí)行階段(稱為級)。
例如:當取指硬件完成取指任務,就將指令N交給譯碼硬件,它就可以去取下一條指令N+1,而譯碼硬件則同時對指令N進行譯碼。
第1章:DSP技術概要☆DSP采用多級流水線結構72第1章:DSP技術概要一個4級流水線的示意圖如圖1-6所示。雖然就一條指令而言,似乎要用4個時鐘周期才能完成全部操作,但從多條指令的角度看,則可認為每條指令的運行時間是單周期。這樣,就使指令的運行速度得到了很大提高。
第1章:DSP技術概要一個4級流水線的示意圖如圖1-6所示。73第1章:DSP技術概要
TMS320C6000系列定點DSP采用的多級流水線如圖所示
第1章:DSP技術概要TMS320C6000系列定點D74第1章:DSP技術概要3.片內(nèi)集成有硬件乘法器和乘加單元
DSP內(nèi)集成了硬件乘法器,可在單周期內(nèi)完成16×16位、32×32位等的乘法運算。DSP內(nèi)集成了乘加單元,從硬件結構上為高速完成卷積、相關、FFT及數(shù)字濾波等信號處理算法提供了基礎。
第1章:DSP技術概要3.片內(nèi)集成有硬件乘法器和乘加單元75第1章:DSP技術概要TMS320C6000系列片內(nèi)有2個硬件乘法器,支持在單周期內(nèi)完成下列乘法運算。16位×16位16位×32位雙16位×16位4個8位×8位C64xCPUDataPath2DataPath1RegisterFileAD2S2L2A31-A16InstructionDecodeInstructionDispatchInstructionFetchControlRegistersInterruptControlS1L1TMS320C64x-CPUA15-A0+++++++++++++++M1xD1++RegisterFileBB31-B16B15-B0++M2AdvancedInstructionPacking+xxxxxxxxxxxAdvancedEmulation第1章:DSP技術概要TMS320C6000系列片內(nèi)有76第1章:DSP技術概要4.功能強大的CPU結構DSP的CPU一般包括:算術邏輯運算單元ALU、累加器、硬件乘法器、乘加單元、加法器、桶型移位器、程序地址產(chǎn)生和數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生等部分。例如:TMS320C6000采用雙數(shù)據(jù)通道和8個功能單元的結構。具有超長指令字(VLIW)操作能力。
TMS320C64xCPU內(nèi)核第1章:DSP技術概要4.功能強大的CPU結構77第1章:DSP技術概要5.硬件循環(huán)重復機制許多DSP芯片具有指令重復循環(huán)的專用硬件及重復操作指令,能夠自動重復執(zhí)行單條或一段指令。TMS320C5000中有重復計數(shù)器RPTC。當執(zhí)行一條重復指令RPT#N時,會將重復值N送入RPTC,則緊接RPT后面的那條指令將被重復執(zhí)行N+1次。每重復執(zhí)行一次,RPTC的內(nèi)容自動減1,直至減至零為止。這樣可通過硬件自動完成循環(huán)操作過程。第1章:DSP技術概要78假設:塊ai存放于程序存儲器塊中(起始地址2000h)塊bi存放于數(shù)據(jù)存儲器中(起始地址1000h)塊長N=100MAR*,AR1;指定當前輔助寄存器AR為AR1LARAR1,#1000h;1000h→AR1LACC#0;ACC清0RPT#99;后面一條指令重復執(zhí)行100次MAC2000H,*+,0≤k≤N–1本例若假設代碼、程存塊和數(shù)存塊操作數(shù)均在片內(nèi)存儲器中,則執(zhí)行本段程序的周期最短為:1+2+1+1+99+2=106在重復執(zhí)行100次MAC2000HAR1指令時,由于有了硬件重復機制的支持,取指僅使用了2Pcode,大大縮短了執(zhí)行時間。若取CPUCLK=50ns,則本段程序的全速運行時間為5.3μs
MAC算法舉例,0≤k≤N–1本例若假設代碼、程存塊和MAC算法舉例79第1章:DSP技術概要6.復合操作指令
所謂復合操作是指在一條單字單周期指令中可分別完成多個操作任務。以MPYA(乘且累加前次乘積)指令為例。
MPYA*+,AR3;設AR為AR1,執(zhí)行后會發(fā)生下列事件:
(PC)+1→PC (ACC)+移位后的(PREG)→ACC (TREG)×(數(shù)據(jù)存儲器)→PREG (AR1)+1→AR1 令AR3為AR ARP=011B,ARB=001B第1章:DSP技術概要6.復合操作指令80第1章:DSP技術概要7.嵌入式功能DSP片內(nèi)集成有大量片內(nèi)外設,不用外擴很多器件,既可組成獨立的應用系統(tǒng)。DSP芯片具有強大的擴展接口能力,可有效連接一系列外擴器件。DSP=數(shù)字信號處理能力+嵌入式功能通用DSP系統(tǒng)結構DSP內(nèi)核測試和開發(fā)接口(JTAG)主機接口系統(tǒng)時鐘Bootloader電源控制程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器通信端口模擬I/O編解碼器ADC第1章:DSP技術概要7.嵌入式功能通用DSP系統(tǒng)結構DSP81第1章:DSP技術概要
時鐘:CPU時鐘EMIF時鐘外設時鐘VcoreVI/O電源:電源供電電源監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)視手動復位看門狗電路存儲器:異步存儲接口
SRAM、Flash、NvRAM……同步存儲器
同步靜態(tài)RAM:SBSRAM、ZBTSRAM同步動態(tài)RAM:SDRAM同步FIFO模擬I/O:通用A/D、D/A音頻Codec視頻Decoder、Encoder……數(shù)字I/O:開入/開出串行通信接口UART(RS232、RS422/RS485)CAN總線USB……多處理器接口:雙口RAM(DPRAM)HPI接口PCI接口總線擴展存儲總線外設總線系統(tǒng)總線:復位、時鐘、中斷……DSP外部接口CLKCPUCLKEMIFCLKI/O數(shù)據(jù)地址控制片上外設RESETDSP應用系統(tǒng)功能框圖DSP第1章:DSP技術概要時鐘:VcoreVI/O電源82第1章:DSP技術概要1.2DSP的發(fā)展概況和趨勢 1.2.1DSP的發(fā)展概況(1)20世紀70年代,DSP誕生:1978年,AMI公司宣布第一個DSPS2811問世1980年,日本NEC公司推出的D7720是第一片具有硬件乘法器的商用DSP
1982年,美國TI公司推出首枚低成本高性能的DSP-TMS32010芯片,16位定點DSP,采用了哈佛結構和硬件乘法器。1985年,TI公司推出TMS32020系列芯片,尋址空間達到64K。ADSP2100,DSP56001,DSP16A第1章:DSP技術概要1.2DSP的發(fā)展概況和趨勢83第1章:DSP技術概要1.2DSP的發(fā)展概況和趨勢
(2)20世紀90年代后:驚人發(fā)展期性能與指標不斷提高;芯片尺寸與功耗不斷減小,價格逐年降低;
出現(xiàn)了種技術先進的定點與浮點DSP芯片;TI公司的TMS320C20,C30,C40,C50,C80系列芯片;ADSP21XX系列;更適合于數(shù)字信號處理算法;3.3V(I/O),1.8V內(nèi)核
第1章:DSP技術概要1.2DSP的發(fā)展概況和趨勢84第1章:DSP技術概要1.2DSP的發(fā)展概況和趨勢
(3)1997年以后:進入完善期普遍采用0.25,0.18um工藝,增加了集成度;片內(nèi)存儲器容量增大,幾百千字;
內(nèi)核電壓1.2V,進行一步降低功耗;TI公司的TMS320C64x;開發(fā)手段更方便,優(yōu)化方法更靈活;
第1章:DSP技術概要1.2DSP的發(fā)展概況和趨勢85第1章:DSP技術概要☆目前全球DSP市場中的主要廠商TI公司位居榜首,在全球DSP市場的占有率為44%左右Motorola公司的占有率為13.2%左右ADI公司的占有率為10.2%左右其他一部分由Hitachi(日立)、NEC、Zilog(桑那)等公司占據(jù)
第1章:DSP技術概要☆目前全球DSP市場中的主要廠商86第1章:DSP技術概要☆TI公司的三大系列DSP芯片:(1)TMS320C200系列:16/32位的定點DSP芯片;速度150MIPS;主要應用:數(shù)字馬達控制,電機控制,數(shù)字電視,工業(yè)主動化,智能傳感器等嵌入式應用領域。
第1章:DSP技術概要☆TI公司的三大系列DSP芯片:87第1章:DSP技術概要(2)TMS320C500系列:低功耗的16位的定點DSP芯片;速度600MIPS;C54x,C55x.主要應用:個人或便攜產(chǎn)品。如:音樂播放器,數(shù)碼相機2G,3G手機和基站;GPS接收器;多種消費類電子產(chǎn)品。
第1章:DSP技術概要(2)TMS320C500系列:88第1章:DSP技術概要(3)TMS320C600系列:高性能的32位的定點DSP芯片;具有強大的計算能力與并行處理能力.C62X,C64x,C67x。主要應用:音頻與視頻處理。如:語音識別,醫(yī)學圖像處理,視頻監(jiān)控。音頻會議與廣播;第1章:DSP技術概要(3)TMS320C600系列:89第1章:DSP技術概要☆目前TI公司和ADI公司的主流DSP的一些特性如表第1章:DSP技術概要☆目前TI公司和ADI公司的主流DSP90第1章:DSP技術概要1.2.2DSP的發(fā)展趨勢1.單片DSP的發(fā)展
將圍繞性能、價格和功耗這三大要素進行進一步的改善2.DSP與其它可編程處理器技術相結合 將FPGA與DSP技術相結合,可實現(xiàn)寬帶信號處理,大大提高信號處理速度
3.DSP與SoC技術相結合 利用DSP核嵌入技術將一個系統(tǒng)集成在一塊芯片上,提高設計速度,降低開發(fā)成本,可直接使用DSP系統(tǒng)開發(fā)技術來開發(fā)內(nèi)部嵌有DSP內(nèi)核的SoC。SystemonChip的縮寫,稱為系統(tǒng)級芯片,也有稱片上系統(tǒng)。所謂SoC技術,是一種高度集成化、固件化的系統(tǒng)集成技術。使用SoC技術設計系統(tǒng)的核心思想,就是要把整個應用電子系統(tǒng)全部集成在一個芯片中。在使用SoC技術設計應用系統(tǒng),除了那些無法集成的外部電路或機械部分以外,其他所有的系統(tǒng)電路全部集成在一起。
第1章:DSP技術概要1.2.2DSP的發(fā)展趨勢91第1章:DSP技術概要1.3
DSP芯片的分類、性能及其應用1.3.1DSP芯片的分類
1.按照數(shù)據(jù)格式分類: 定點DSP芯片 浮點DSP芯片 2.按照芯片的用途分類 通用型DSP 專用型DSP 3.按照芯片結構分類: 靜態(tài)DSP 為某種應用目的而專門設計的ASIC系統(tǒng) 硬連線邏輯電路
第1章:DSP技術概要1.3
DSP芯片的分類、性能及其應92第1章:DSP技術概要1.3.2DSP芯片的性能
1.MIPS:百萬條指令/每秒
如TMS320C6416在時鐘為1GHz時的峰值性能可達8000MIPS2.MOPS:百萬次操作/每秒
如TMS320C6201在時鐘為200MHz時的峰值性能可達2400MOPS3.MFLOPS:百萬次浮點操作/每秒
如ADSP-TS201S的峰值性能可達14.4GFLOPS
第1章:DSP技術概要1.3.2DSP芯片的性能93第1章:DSP技術概要4.MBPS:百萬位/每秒
如TMS320C6000的總線時鐘為200MHz時,其總線數(shù)據(jù)吞吐率為800M字節(jié)/秒5.MAC執(zhí)行時間:完成一次乘-累加運算所需時間
大部分DSP可在單周期內(nèi)完成一次MAC6.FFT執(zhí)行時間完成一個N點FFT運算所需時間第1章:DSP技術概要4.MBPS:百萬位/每秒94第1章:DSP技術概要1.3.3DSP芯片的應用
第1章:DSP技術概要1.3.3DSP芯片的應用95第1章:DSP技術概要TMS320C5000?低功耗
手機電信數(shù)碼相機便攜式媒體播放器最佳測控
電機控制家用電器變頻電源控制工業(yè)自動化TMS320C2000?高性能無線基站視頻流、視頻會議視頻安防/監(jiān)控制醫(yī)療成像TMS320C6000?☆TI公司主推的三大DSP平臺第1章:DSP技術概要TMS320C5000?低功耗最佳測控96OpticalNetworkingControloflaserdiodeTVscreenDeflectionofelectronbeamforsmallangleandsharpcornerTVscreenAutomotive-EPSBatteryoperatedprecisionforsteeringPrinterPrintheadcontrolPaperpathmotorcontrolDigitalPowerSupplyProvidescontrol,sensing,PFC,andotherfunctions“Segway”ManynewcoolApplicationtocomeTirePressureLowcostpressuresensingbasedontirerotationspeedmeasurementC2000系列DSP應用領域第1章:DSP技術概要OpticalNetworkingTVscreenAut97☆
C2000系列DSP子系列C2xx子系列:16位定點DSP、20MIPS代表器件:TMS320F206PZC24x子系列:16位定點DSP、20MIPS代表器件:TMS320F240LF240x子系列:16位定點DSP、40MIPS代表器件:TMS320LF2407F28x子系列:32位定點DSP、150MIPS代表器件:TMS320F2812、TMS320F2810第1章:DSP技術概要☆C2000系列DSP子系列C2xx子系列:16位定點DS98第1章:DSP技術概要UpTo40MIPSControlPerformanceHigh-PrecisionControlC242F241LC2404ALF2401ALC2402AMulti-Function,Appliance&ConsumerControlF240F243LC2406ALF2402ALF2403ALF2406ALF2407AF2810128-LQFPF2812176-LQFPF2812179-u*BGA150MIPS!SoftwareCompatibleHigh-endDerivativesApplicationspecificversionsScaledDownversionsRoadmap第1章:DSP技術概要UpTo40MIPSContro99TIDSP占手機市場的60%
TIDSP被前10位因特網(wǎng)消費類電子產(chǎn)品制造商中的8個所選中TIDSP被前8位數(shù)碼相機制造商中的7個所選中TIDSP占IP電話設計的80%TIDSP占VOIP網(wǎng)關市場的80%TIDSP被前10位無線基站制造商中的8個所采用TMS320C5000C5000系列DSP的應用第1章:DSP技術概要TIDSP占手機市場的60%
TIDSP被前10位因100☆
C5000系列DSP子系列C54x子系列:16位定點DSP、100~160MIPS代表器件:TMS320VC5402、VC5409、VC5416C55x子系列:16位定點DSP、400MIPS代表器件:TMS320VC5510、VC5509、VC5502C54x+ARM7子系列:代表器件:TMS320VC5470、VC5471、DSC21C55x+ARM9子系列: 即OMAP平臺:OpenMultimediaApplicationsPlatform代表器件:OMAP5910第1章:DSP技術概要☆C5000系列DSP子系列C54x子系列:16位定點DS101第1章:DSP技術概要Application
EnhancedC5502400MIPSC5509288-400
MIPSC5510320-400
MIPSC55xTMDSPDSP+RISCPowerEfficiency/SystemDensityC5000系列DSPC5470C54xTM+ARM7C5471C54xTM+ARM7OMAPTM
OMAP5910MulticoreC5420
200MIPSC5421
200MIPSC5441532MIPSC55xTMMulticoreSoftwareCompatibleC5407120MIPSC540150MIPSC5402100-160MIPSC540980-160
MIPSC5410100-160MIPSC5416120-160MIPSOver500MillionShippedC54xTMDSPWorld’sMostPopularDSP$5BillioninDesign-insC55xTMDSPBestDSP
MicroprocessorReportDSPProductoftheYear
InternetTelephonyEDN2000DSPC5404120
MIPSRoadmap第1章:DSP技術概要Application
Enhanc102HighPerformance160-MIPS performance
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