《DSP器件與應(yīng)用》-緒論

《DSP器件與應(yīng)用》-緒論第一頁，共54頁。緒論第二頁，共54頁。DSP技術(shù)DigitalSignalProcessing數(shù)字信號處理DigitalSignalProcessor數(shù)字信號處理器第三頁，共54頁。內(nèi)容簡介：

信號處理經(jīng)歷了模擬信號處理、經(jīng)典數(shù)字信號處理、現(xiàn)代數(shù)字信號處理等歷程，現(xiàn)在已發(fā)展成先進的數(shù)字信號處理技術(shù)。以數(shù)字信號處理器（DigitalSignalProcessor）為核心的技術(shù)已廣泛應(yīng)用于家用電器、辦公設(shè)備、便攜電子儀器、手持通信裝置、醫(yī)療電子設(shè)備、各類信號處理場合中。本課程以應(yīng)用廣泛的TI公司的廉價產(chǎn)品TMS320C2xx為例，對DSP及其應(yīng)用作一個一般性的介紹后，深入了解DSP的性能、特點、結(jié)構(gòu)、用途及DSP軟硬件開發(fā)工具，實例介紹DSP芯片應(yīng)用方法。第四頁，共54頁。數(shù)字信號處理器DSP的發(fā)展

縱觀信號處理的歷程，早期的模擬信號處理工作始于60年代，該時期的產(chǎn)品特點是精度差、處理能力低、功能單一且價格高；70年代進行的經(jīng)典DSP研究，主要用于數(shù)字濾波；80年代的研究被稱之為現(xiàn)代DSP，主要用于雷達、聲納、地震勘探和通訊等領(lǐng)域；到了90年代，已發(fā)展成為先進的DSP技術(shù)，它的用途非常之廣。第五頁，共54頁。0.1數(shù)字信號處理器(DSP)數(shù)字信號處理器（DigitalSignalProcessor，簡稱DSP）就是能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號處理的器件專用數(shù)字信號處理器（屬于ASIC-專用集成電路）通用數(shù)字信號處理器（專門用于數(shù)字信號處理的特殊微處理器）IP核（IPcore）（用FPGA或其它可編程器件實現(xiàn)）第六頁，共54頁。專用DSP是為某一或某些特定功能而專門設(shè)計的器件(ASIC)，如FFT計算（Austek公司的A41102等）相關(guān)器/FIR濾波器（INMOS的A100等）特點：全部采用硬件處理，處理速度快，可與其他硬件或微處理器構(gòu)成高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)但功能單一，靈活性差，造價較高。除非在速度要求很苛刻的場合，否則一般很少使用第七頁，共54頁。IP核（IPcore）DSP把DSP器件的功能、結(jié)構(gòu)、行為等的硬件描述，通過編譯下載到FPGA或其它可編程器件中，形成具有ASIC特性的專用DSP器件按實現(xiàn)程度來分，IP核具有軟核（SoftCore）、固核（FirmCore）、硬核（HardCore）三種形式特點：高度并行性、速度快靈活的可配置特性，使得FPGA構(gòu)成的DSP系統(tǒng)非常易于修改、易于測試及硬件升級第八頁，共54頁。0.3通用DSP器件①DSP是一個微控制器（MC）、即一個單片機②它是一個高性能的MC③它很適合實時高速數(shù)據(jù)處理和控制，是基于軟件實現(xiàn)數(shù)字信號處理的第九頁，共54頁。0.3.1通用DSP器件的特點首先，DSP使用哈佛結(jié)構(gòu)或增強哈佛結(jié)構(gòu)其次，DSP使用流水線技術(shù)第三，DSP使用硬件乘法加法器（multiplier-accumulator，MAC）第四，DSP具有特殊的適用于數(shù)字信號處理的指令和快速尋址方式第五，DSP采用重復使用硬件的技術(shù)第六，DSP使用眾多性能優(yōu)良的片內(nèi)外設(shè)資源第十頁，共54頁。第十一頁，共54頁。DSP使用[增強]哈佛結(jié)構(gòu)通用型微處理器：馮。諾依曼結(jié)構(gòu)程序指令和數(shù)據(jù)共用一個存儲空間和單一的地址與數(shù)據(jù)總線DSP采用哈佛結(jié)構(gòu)或增強哈佛結(jié)構(gòu)將程序指令與數(shù)據(jù)的存儲空間分開，各有自己的地址與數(shù)據(jù)總線。這就使得處理指令和數(shù)據(jù)可以并行操作，從而大大提高了處理效率實現(xiàn)取指令和執(zhí)行指令的完全重疊，這是單周期指令的基礎(chǔ)相互獨立的總線連接不同的處理部件和模塊，在單個周期中完成多個操作，提高了DSP的并行處理能力第十二頁，共54頁。DSP使用流水線技術(shù)DSP采用流水線技術(shù)把指令的執(zhí)行分解為取指、譯碼、存取操作數(shù)、執(zhí)行等多個階段，每個階段由不同的硬件部件完成，各部件并行工作流水線技術(shù)允許DSP在一個運行周期中執(zhí)行多個操作，如在流水作業(yè)中，取指、譯碼、存取操作數(shù)、執(zhí)行操作可以在一個周期內(nèi)重疊，結(jié)果，指令執(zhí)行可等效成在單個機器周期內(nèi)完成。流水線減少了指令的平均執(zhí)行時間，極大提高了處理速度。DSP的哈佛結(jié)構(gòu)為采用流水技術(shù)提供了方便。第十三頁，共54頁。流水線技術(shù)示意圖時鐘周期T1T2T3T4T5T6取指部件NN+1N+2N+3N+4N+5譯碼部件NN+1N+2N+3N+4存取操作數(shù)NN+1N+2N+3執(zhí)行部件NN+1N+2平均每個周期執(zhí)行一條指令第十四頁，共54頁。第十五頁，共54頁。DSP使用硬件乘法加法器（multiplier-accumulator，MAC）在數(shù)字信號處理算法中，乘法和累加是最基本的數(shù)量最大運算，例如在數(shù)字濾波、FFT等算法中都有類似于∑[a(k)*X(n-k)]的運算。DSP中設(shè)置了硬件乘法加法器，其結(jié)構(gòu)獨立而聯(lián)系密切，這使DSP在一個周期內(nèi)能完成一次加法和一次乘法運算，即乘和累加可以在單個指令周期內(nèi)完成，極利于濾波、相關(guān)、矩陣及FFT等數(shù)字信號處理。第十六頁，共54頁。通用計算機的乘法用軟件實現(xiàn)的，用若干個機器周期。DSP中有硬件乘法器，用MAC指令(取數(shù)、乘法、累加)在單周期完成。第十七頁，共54頁。DSP具有特殊的適用于數(shù)字信號處理的指令和快速尋址方式如延遲分支等不破壞流水線的分支循環(huán)指令、單周期乘加指令、FFT必用的位反轉(zhuǎn)尋址及循環(huán)尋址指令、單（或塊）指令重復指令等，使DSP具有優(yōu)秀的性能，很適合實時高速數(shù)據(jù)處理和控制。第十八頁，共54頁。DSP采用重復使用硬件的技術(shù)如多套總線和多個運算單元等，這給DSP的并行操作創(chuàng)造條件，并行的運算和并行的吞吐使速度成倍增加。第十九頁，共54頁。DSP使用眾多性能優(yōu)良

的片內(nèi)外設(shè)資源如模數(shù)接口、中斷控制器、DMA控制器、PWM接口、事件捕獲器，CAN總線，RAM和ROM/FLASH等，這使DSP可工作于單片模式，其性能、速度、體積、功耗等明顯優(yōu)化。且單獨的DMA總線及其控制器，在不影響或極小影響DSP處理速度的情況下，作并行的數(shù)據(jù)傳送，這為DSP多片應(yīng)用提供了方便。第二十頁，共54頁。獨立的DMA總線和控制器有一組或多組獨立的DMA總線，與CPU的程序、數(shù)據(jù)總線并行工作，在不影響CPU工作的條件下,DMA速度目前已達到800Mbytes/s第二十一頁，共54頁。CPU通用微處理器的CPU由ALU和CU組成，其算術(shù)運算和邏輯運算通過軟件來實現(xiàn)的，如加法需要10個機器周期，乘法是一系列的移位和加法，需要數(shù)十個機器周期。DSP的CPU設(shè)置硬件乘法器，可以在單周期內(nèi)完成乘法和加法。第二十二頁，共54頁。0.3.2通用DSP的發(fā)展事實上，隨著制造工藝的精進，DSP器件在功耗、速度、處理能力、片內(nèi)資源（RAM、ROM/EPROM/FLASH、外設(shè)部件等）、編程仿真調(diào)試等方面已經(jīng)有了很大的發(fā)展。

第二十三頁，共54頁。DSP在功耗、速度、處理能力上的發(fā)展功耗：依賴低電壓供電和待機、休眠等降耗技術(shù)，DSP的功耗大幅下降，并得到有效的閑置抑制，典型的低功耗DSP工作時功耗在mW級，很利于便攜、掌上設(shè)備。速度：憑籍IC制造工藝的日益精細和內(nèi)外分離的時鐘技術(shù)，DSP的工作頻率大幅提高，速度已達到2400MIPS（兆指令每秒）/或1800MFLOPS（兆浮點運算每秒）的能力，并還在提高。處理能力：借助集成度的提高，DSP內(nèi)部容納的并行和重復單元更多，而尋址方法的巧妙和片內(nèi)資源的高速處理能力，使DSP的總體處理能力飛速增加。

第二十四頁，共54頁。電子系統(tǒng)軟件化由于DSP性能和速度的飛速發(fā)展，原先只能靠硬件才能實時實現(xiàn)的處理系統(tǒng)在一個DSP里便能實現(xiàn)，促進了電子系統(tǒng)的軟件化發(fā)展。

第二十五頁，共54頁。DSP開發(fā)方法和工具的進步DSP器件基本上采用JTAG（邊界掃描）接口和ISP（在系統(tǒng)編程）技術(shù)，這使得仿真調(diào)試和程序加載（固化）變得十分方便。硬件開發(fā)工具變得簡單，一種開發(fā)工具可以對相應(yīng)系列的不同DSP進行仿真調(diào)試和編程。基于Windows的軟件開發(fā)系統(tǒng)也變得十分友好，從程序設(shè)計到DSP代碼生成乃至調(diào)試均可在集成環(huán)境中進行，既直觀又便捷。第二十六頁，共54頁。常見的開發(fā)工具TI的CCS3.0以上版本：DSP程序開發(fā)和調(diào)試在不同系列芯片間統(tǒng)一起來；而RTDX（實時數(shù)據(jù)交換）插件和XDS560USB硬件仿真工具，則使調(diào)試工作變得更加理性和簡單ADI的VisualDSP++的軟件平臺也同樣出色新版本的Matlab軟件(Matlab7.0及以上版本)已經(jīng)集成了TI公司C2000、C5000、C6000系列DSP的開發(fā)工具包，可在Matlab/Simulink環(huán)境中用圖形化的方式進行DSP的設(shè)計及仿真驗證第二十七頁，共54頁。0.3.3PC、MCU、DSP性能對比微機（PC）、單片機（MCU）、DSP均屬微型計算機（Micro-Computer）范疇，各自特點不同，使用法范圍也差別很大。第二十八頁，共54頁。微機一般指個人計算機（PersonalComputer），是一種通用設(shè)備，適合于科學計算、事務(wù)管理、圖形圖像顯示、網(wǎng)絡(luò)互連等各種處理，也可兼作多媒體設(shè)備，還可組成機群處理系統(tǒng)，具有很好的人機對話界面。

第二十九頁，共54頁。單片機也稱微控制器（Micro-Controller），是一種專用的、無界面的、作為工業(yè)設(shè)備、家用電器、或微機外部輔助設(shè)施等的簡單運算和主要控制單元，一般以單片形式工作，必要時可外加其它硬件構(gòu)成較大的系統(tǒng)。單片機系統(tǒng)的開發(fā)一般要借助于微機進行程序編制，交叉匯編，軟硬件仿真和代碼下載等，因微機具有友好的可視化界面。

第三十頁，共54頁。DSPDSP則是一種適合于數(shù)字信號處理和高速控制的高性能單片機，擁有單片機具有的一切特性，還具有高速信號處理的能力。基于這一原因，微機的處理器中一般都嵌入了DSP處理單元，用作多媒體擴展（MMX）的加速設(shè)備。第三十一頁，共54頁。微機、單片機、DSP比較1指標微機單片機DSP體系結(jié)構(gòu)Von.NEAMAMMHARVARDHARVARD時鐘頻率極高、內(nèi)外頻差別大較低極高、允許內(nèi)外頻差別運算單元CPU（ALU、MMX單元）、數(shù)學協(xié)處理器ALU乘法加法器、ALU第三十二頁，共54頁。微機、單片機、DSP比較2指標微機單片機DSP指令執(zhí)行超標量流水線（復雜或精簡指令集）順序執(zhí)行（復雜或精簡指令集）流水線（單周期、復雜或精簡指令集）速度高低信號處理最高片內(nèi)資源CACHE在片外設(shè)、SRAMCACHE、在片外設(shè)、SRAM第三十三頁，共54頁。微機、單片機、DSP比較3指標微機單片機DSPDMA能力外部支持無片內(nèi)DMAC中斷能力有有有數(shù)據(jù)類型定點/浮點定點定點/浮點外部存儲器各種DRAM低速SRAM高速SRAM并行能力有無有用途通用、可視化控制信號處理高速控制第三十四頁，共54頁。0.3.4DSP的應(yīng)用領(lǐng)域我國的DSP應(yīng)用現(xiàn)狀看，已由主要用于研究領(lǐng)域、高尖技術(shù)領(lǐng)域，發(fā)展到辦公、消費等領(lǐng)域。DSP的主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：軍用領(lǐng)域、航空航天、雷達、聲納、地震、機器人、圖象處理、GPS、移動/保密通訊、MODEM、視頻電話會議、控制系統(tǒng)、語音識別、多媒體、影音電子設(shè)備、醫(yī)療保健、高品質(zhì)智能化測量儀器儀表、乃至現(xiàn)代汽車工業(yè)等

第三十五頁，共54頁。信息化的基礎(chǔ)是數(shù)字化。數(shù)字化的核心技術(shù)之一是信號處理。數(shù)字信號處理的任務(wù)，特別是實時處理的任務(wù)，在很大程度上需要由DSP器件或以DSP為核心的ASIC來完成。DSP技術(shù)已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的并得到迅速發(fā)展的前沿技術(shù)。第三十六頁，共54頁。數(shù)字照相機第三十七頁，共54頁。數(shù)字相機框圖第三十八頁，共54頁。全球定位系統(tǒng)第三十九頁，共54頁。應(yīng)用從手持電話到移動交換設(shè)備，DSP正大顯身手。而在傳統(tǒng)工業(yè)改造方面，DSP也很具有突破口：現(xiàn)很多中小企業(yè)設(shè)備老化，技術(shù)落后，產(chǎn)品合格率低，且適應(yīng)市場的產(chǎn)品更少，只有進行設(shè)備的更新和現(xiàn)代化改造才能使傳統(tǒng)工業(yè)重現(xiàn)生機。在醫(yī)療電子設(shè)備方面，DSP的專長正好用于CT、B超、心電圖、腦電地形圖、核磁共振、病員監(jiān)護、胎兒監(jiān)視等醫(yī)療儀器上。在測量儀器儀表方面，DSP采用先進的數(shù)字信號處理方法為實現(xiàn)高品質(zhì)智能化產(chǎn)品提供了良好的基礎(chǔ)。汽車工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域：隨著國產(chǎn)汽車性能逐步提高，作為輔助設(shè)施的相應(yīng)部件也應(yīng)得到加強，防撞、減震、降噪、節(jié)能、廢氣監(jiān)控等系統(tǒng)宜采用DSP來提高汽車質(zhì)量和檔次。第四十頁，共54頁。0.3.5DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計DSPS（DSP解決方案）國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀TI公司TMS320系列DSP及其開發(fā)平臺簡單DSPS單片DSP可以完成所有的系統(tǒng)工作復雜DSPS用FPGA等現(xiàn)場可編程邏輯器件和FPAD/FPMSD（模擬/混合信號現(xiàn)場可編程器件）作為DSP與外圍的橋梁，以簡化結(jié)構(gòu)、減小體積、提高可靠性第四十一頁，共54頁。DSP信號流圖第四十二頁，共54頁。0.3.6MATLAB在DSP應(yīng)用系統(tǒng)中的作用Matlab7.O以上版本已經(jīng)集成了TI公司C2000、C5000、C6000系列DSP的開發(fā)工具包，可在Matlab/Simulink環(huán)境中用圖形化的方式進行DSP的設(shè)計及仿真驗證，并能將設(shè)計的圖形文件(．mdl)直接轉(zhuǎn)換成C語言程序。這使得系統(tǒng)和程序設(shè)計大為簡化，甚至可以回避具體的DSP結(jié)構(gòu)，因為與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)已由MATLAB來完成了。第四十三頁，共54頁。為什么要采用數(shù)字信號處理（1）靈活性模擬處理系統(tǒng):修改硬件設(shè)計，或調(diào)整硬件參數(shù)。數(shù)字處理系統(tǒng):改變軟件設(shè)置。例：模擬濾波器，數(shù)字濾波器，自適應(yīng)濾波器。第四十四頁，共54頁。為什么要采用數(shù)字信號處理（2）精度模擬系統(tǒng):元器件精度

數(shù)字處理系統(tǒng)：A/D的位數(shù)和計算機字長，算法。第四十五頁，共54頁。為什么要采用數(shù)字信號處理(3)可靠性和可重復性模擬系統(tǒng)：受環(huán)境溫度、濕度、噪聲、電磁場等的干擾和影響大。數(shù)字系統(tǒng)：可靠性和可重復性好。第四十六頁，共54頁?？乖肼暩蓴_第四十七頁，共54頁。為什么要采用數(shù)字信號處理（4）大規(guī)模集成模擬系統(tǒng)：盡管已有一些模擬集成電路，但是品種較少、集成度不高、價格較高。數(shù)字系統(tǒng)：DSP體積小、功能強、功耗小，一致性好、使用方便，性價比高。第四十八頁，共54頁。模擬信號是不可取代的(5)實時性模擬系統(tǒng):除開電路引入的延時外，處理是實時的。數(shù)字系統(tǒng):由計算機的處理速度決定。(6)高頻信號的處理(7)模擬與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換第四十九頁，共54頁。0.3.7DSP應(yīng)用系統(tǒng)的速度評價指標

MIPS，百萬條指令/秒：定點DSP芯片運算速度的衡量指標指令周期：即執(zhí)行一條指令所需要的時間，通常以ns（納秒）為單位。MOPS，百萬次操作/秒：這里的操作除了包括CPU操作外，還包括地址的計算、DMA訪問、數(shù)據(jù)傳輸、I/O操作電能。MOPS可以對DSP芯片的性能進行綜合描述。MFLOPS，百萬次浮點操作/秒：浮點操作包括浮點乘法、加法、減法、存儲等操作。MFLOPA是表征浮點DSP芯片性能的重要指標。MAC時間：執(zhí)行一次乘法和加法運算所花費的時間，