1DSP概述詳解可編輯

緒論數(shù)字信號處理器(DSP)綜述0.1什么是數(shù)字信號處理器數(shù)字信號處理(DigitalSignalProcessing):信號的數(shù)字化和數(shù)字處理。數(shù)字信號處理器——DSP。過去受集成電路技術(shù)和數(shù)字化器件發(fā)展水平限制，只限于理論概念的講授和仿真。早期－在計算機(jī)上仿真，算法實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在－在DSP上實(shí)時處理國內(nèi)常用DSP一詞來指數(shù)字信號處理器。DSP最典型的應(yīng)用——手機(jī)，可見DSP的應(yīng)用市場之大。在世界眾多的DSP廠商中，德州儀器（TI）的DSP始終占有較大的市場份額（百分之60）。全球每10部手機(jī)中就有6部采用TI的DSP，每10部手機(jī)中就有8部嵌進(jìn)TI公司的模擬芯片。PC時代的領(lǐng)袖——Intel信息時代的領(lǐng)袖——TI2000年諾貝爾物理獎—TI公司杰克-基爾比0.2DSP與通用計算機(jī)、單片機(jī)的區(qū)別數(shù)字信號處理的運(yùn)算特點(diǎn)：乘/加，及反復(fù)相乘求和（乘積累加）早期的計算機(jī)或微處理器的內(nèi)部乘法運(yùn)算是靠加法器反復(fù)移位相加實(shí)現(xiàn)的，需要數(shù)十個時鐘周期。而DSP設(shè)置了硬件乘法/累加器，能在單個指令周期內(nèi)完成乘/加運(yùn)算。為滿足FFT、卷積等數(shù)字信號處理的特殊要求，目前DSP大多在指令系統(tǒng)中設(shè)置了“循環(huán)尋址”及“位倒序”尋址指令和其他特殊指令，使得尋址、排序的速度大大提高。1024點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT所需時間:微秒量級。高速數(shù)據(jù)的傳輸能力是高速實(shí)時處理的關(guān)鍵之一。（1）新型的DSP設(shè)置了單獨(dú)的DMA總線及其控制器，在不影響或基本不影響DSP處理速度的情況下，做并行的數(shù)據(jù)傳送，傳送速率可達(dá)每秒百兆字節(jié)。（2）DSP還在指令并行、功能單元并行、多總線、時鐘頻率提高等方面不斷創(chuàng)新和改進(jìn)。（3）DSP是專為數(shù)字信號處理所設(shè)計的。與PC機(jī)相比，體積小、成本低。且易于開發(fā)，易于實(shí)現(xiàn)嵌入式和便攜式應(yīng)用。所以，DSP在內(nèi)部功能單元并行、多DSP核并行、多總線、功耗小方面尤為突出；通用計算機(jī)（PC機(jī)）、單片機(jī)不適于用在高速數(shù)字信號處理領(lǐng)域中。通用計算機(jī)（PC機(jī)）：在大容量內(nèi)存、大規(guī)模多級高速緩存、極高的主頻和復(fù)雜的管理調(diào)度算法方面表現(xiàn)優(yōu)勢明顯。例如，奔騰PC機(jī)，目前主頻已達(dá)3.2GHz，主內(nèi)存2GB以上。它將許多大中型計算機(jī)上出現(xiàn)的技術(shù)應(yīng)用到了芯片內(nèi)部。采用:(1)超標(biāo)量流水線結(jié)構(gòu)(2)層次化多級高速緩存(3)實(shí)現(xiàn)動態(tài)執(zhí)行技術(shù)和分支預(yù)測功能，大大提高指令運(yùn)行的并行度，使奔騰PC機(jī)的運(yùn)行速度大大提高。PC機(jī)的設(shè)計目的：(1)“通用”計算，方便使用，所以，它有大容量內(nèi)存、復(fù)雜的指令集和操作系統(tǒng)。(2)體系結(jié)構(gòu)對特殊類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只能提供通用的尋址操作，而DSP有專門的簡捷尋址機(jī)構(gòu)和輔助硬件來快速完成。PC機(jī)通常不能高效地完成許多基本的數(shù)字處理運(yùn)算。例如，乘法累加，矢量旋轉(zhuǎn)，三角函數(shù)等。許多DSP有很好的并行性，許多單處理機(jī)系統(tǒng)中不能有效地利用，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基本神經(jīng)元，DSP可以很好處理。單片機(jī)：（1）為低成本控制領(lǐng)域而設(shè)計和開發(fā)的。位控能力強(qiáng)，I/O接口種類繁多，在片上外設(shè)和控制功能豐富、價格低、使用方便占有一定的優(yōu)勢，但處理速度較慢。（2）DSP具有高速并行結(jié)構(gòu)及指令，而單片機(jī)沒有。DSP處理的算法的復(fù)雜度和大的數(shù)據(jù)處理流量更是單片機(jī)不可企及的。三者各有所長，技術(shù)的發(fā)展使得DSP、通用計算機(jī)、單片機(jī)相互借鑒對方的優(yōu)點(diǎn)，互相取長補(bǔ)短?，F(xiàn)在，PC機(jī)及部分單片機(jī)內(nèi)部都有硬件乘法器單片機(jī)內(nèi)部也有了通用計算機(jī)和DSP內(nèi)部才有的流水線作業(yè)（但規(guī)模小些）而DSP內(nèi)部也有了一定規(guī)模的高速緩存。有的DSP內(nèi)部集成了高速運(yùn)行的的DSP內(nèi)核及控制功能豐富的嵌入式處理器內(nèi)核。例如，內(nèi)部集成有TI公司的C54xCPU內(nèi)核和ARM公司的ARM7TDMIE內(nèi)核的DSP，既具有高速的數(shù)據(jù)處理能力，又有各種類型的外設(shè)接口和位控能力，大大拓寬DSP在控制領(lǐng)域的應(yīng)用。美國Cygnal公司的C8051F0208位單片機(jī)，內(nèi)部采用流水線結(jié)構(gòu)，大部分指令的完成時間為1或2個時鐘周期，峰值處理能力為25MIPS。片上集成有8通道A/D，兩路D/A，兩路電壓比較器，內(nèi)置溫度傳感器、定時器、可編程數(shù)字交叉開關(guān)和64個通用I/O口、電源監(jiān)測、看門狗、多種類型的串行總線（兩個UART、SPI等）。0.3DSP芯片分類0.3.1三種方式分類按以下三種分類：1.按基礎(chǔ)特性分按工作時鐘和指令類型分類。靜態(tài)DSP芯片：在某時鐘頻率范圍內(nèi)的任何時鐘頻率上，DSP都能正常工作，除計算速度的變化外，性能上沒有下降。一致性芯片：兩種或兩種以上的DSP芯片，它們的指令集和相應(yīng)的引腳結(jié)構(gòu)相互兼容。2.按數(shù)據(jù)格式分定點(diǎn)和浮點(diǎn)之分。(Q格式是重點(diǎn))定點(diǎn)：TMS320C2XX/C5X,TMS320C54X/C62XX等系列。浮點(diǎn)：TMS320C3X/C4X。不同的DSP的浮點(diǎn)格式不一定完全一樣，如IEEE的標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式（摩托羅拉的MC96002），自定義的浮點(diǎn)格式（TMS320C3X）。3.按用途分通用型和專用型通用型：適合普通的DSP應(yīng)用專用型：為特定的DSP運(yùn)算而設(shè)計，如數(shù)字卷積、數(shù)字濾波、FFT等。0.3.2DSP的應(yīng)用自20世紀(jì)70年代末誕生，得到飛速發(fā)展。已廣泛應(yīng)用，價格越來越低。主要應(yīng)用:（1）信號處理:數(shù)字濾波，自適應(yīng)濾波，F(xiàn)FT，相關(guān)運(yùn)算，譜分析，卷積，模式匹配，加密，波形產(chǎn)生（2）電機(jī)和機(jī)器人控制:在單片內(nèi)集成多個DSP處理器,可采用先進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯控制等人工智能算法。機(jī)器人智能的視覺、聽覺和四肢的靈活運(yùn)動必須有DSP技術(shù)支持才能實(shí)時實(shí)現(xiàn)。（3）激光打印機(jī)、掃描儀和復(fù)印機(jī)：DSP不僅僅是控制，還有繁重的數(shù)字信號處理任務(wù)，如字符識別、圖像增強(qiáng)、色彩調(diào)整等.（4）網(wǎng)絡(luò)控制及傳輸設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)功能和性能的不斷提高，如視頻信箱、交互式電視等，要求更寬、更靈活的傳輸帶寬，實(shí)時傳輸和處理數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)控制器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)都需要DSP的支持。（5）通訊:調(diào)制解調(diào)器,自適應(yīng)均衡,數(shù)據(jù)加密,數(shù)據(jù)壓縮,擴(kuò)頻通信,糾錯編碼,傳真,可視電話。（6）語音處理：語音編碼,語音合成,語音識別,語音郵件,語音存儲。（7）自動測試診斷設(shè)備及儀器儀表、虛擬儀器：現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)備中，有近百分之六十的設(shè)備及資金是用于測試設(shè)備，自動測試設(shè)備集高速數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、實(shí)時處理于一體，又一廣闊應(yīng)用領(lǐng)域。（8）圖像處理：二維三維圖形處理，圖像壓縮、傳輸與增強(qiáng)，動畫，機(jī)器人視覺，模式識別。（9）軍事:保密通信，雷達(dá)處理，導(dǎo)航，導(dǎo)彈制導(dǎo)。如機(jī)載空-空導(dǎo)彈，在有限的體積內(nèi)裝有紅外探測儀和相應(yīng)的DSP處理部分，完成目標(biāo)的自動鎖定與跟蹤，戰(zhàn)斗機(jī)上的目視瞄準(zhǔn)器和步兵頭盔式微光儀，需DSP完成圖像的濾波與增強(qiáng)，智能化目標(biāo)的搜索、捕獲（10）自動控制:機(jī)器人控制，磁盤控制，自動駕駛，聲控，發(fā)動機(jī)控制。（11）醫(yī)療儀器:助聽、診斷工具、超聲儀,CT、核磁共振。（12）家用電器:數(shù)字電話，數(shù)字電視，音樂合成，音調(diào)控制，玩具與游戲，高保真音響，數(shù)字收音機(jī)、數(shù)字電視。（13）汽車:防滑剎車、引擎控制、伺服控制、振動分析、安全氣囊的控制器、視像地圖。0.4如何選擇DSP從本質(zhì)上說,沒有任何處理器能夠滿足所有的,或者大多數(shù)應(yīng)用的需要。DSP第一類應(yīng)用：大量便宜的嵌入式系統(tǒng)，如手機(jī)、硬盤和光盤驅(qū)動器（用于伺服控制）和便攜式播放器。在這些應(yīng)用中，成本和集成是極為重要的。對便攜式的以電池供電的產(chǎn)品，功耗也極為重要。DSP第二類應(yīng)用：處理專門的復(fù)雜算法的大量數(shù)據(jù)。以聲納和地震探礦為例，其產(chǎn)品的產(chǎn)量并不大，但算法非常復(fù)雜，產(chǎn)品的設(shè)計工作量很大，也更復(fù)雜。因此設(shè)計者希望使用性能最高的、最容易使用的、能支持多處理器配置的方案。DSP的選取，完全取決于應(yīng)用。某種DSP對于某些應(yīng)用可能是是很好的，但對于另外的應(yīng)用可能很差的。0.4.1如何選擇數(shù)據(jù)格式定點(diǎn)格式、浮點(diǎn)格式。大多數(shù)DSP使用定點(diǎn)運(yùn)算。有的DSP使用浮點(diǎn)運(yùn)算。浮點(diǎn)運(yùn)算與定點(diǎn)運(yùn)算相比，靈活性和數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍都比較大，因此，比較容易編程。因?yàn)楦↑c(diǎn)DSP電路更復(fù)雜，芯片也更大，所以成本和功耗也就比較大。但在很多情況下，不需關(guān)注數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍和精度?？煽紤]使用定點(diǎn)DSP。大多數(shù)批量生產(chǎn)的產(chǎn)品使用定點(diǎn)DSP，主要考慮其成本和功耗低。程序員和算法設(shè)計者根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，通過分析和仿真來確定數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍和精度，然后在需要的時候，在代碼中增加定標(biāo)運(yùn)算。對于需要很高動態(tài)范圍和精度的應(yīng)用，或在開發(fā)的容易程度比成本更重要的情況下，浮點(diǎn)DSP就有其優(yōu)勢。0.4.2數(shù)據(jù)寬度所有浮點(diǎn)DSP為32位，大多數(shù)定點(diǎn)DSP是16位，但有的也使用20、24、32位數(shù)據(jù)字。數(shù)據(jù)字的長短是影響成本的重要因素，因?yàn)樗鼧O大地影響芯片的大小、引腳數(shù)以及DSP的片外存儲器的大小。0.4.3速度有多種方法來衡量DSP的速度。最基本的是指令周期，即用MIPS——每秒執(zhí)行多少百萬條指令。但問題是：不同的DSP在單個周期所完成的工作是大不相同。使用MOPS（每秒百萬次運(yùn)算）和MFLOPS（每秒百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算），要十分小心。因?yàn)椴煌瑥S商的關(guān)于“運(yùn)算”的概念是不同的。其次，要注意的是，現(xiàn)在許多DSP是用低頻的時鐘，來產(chǎn)生片上所需的高頻時鐘。0.4.4開發(fā)的難易程度為減少產(chǎn)品成本，可使用比較便宜的開發(fā)工具。使用何種語言編程。選擇C語言、匯編語言等。用C編寫用的較多。對實(shí)時性要求高的程序，仍用匯編語言編寫。也有混合編寫的。消費(fèi)類產(chǎn)品，由于成本限制，不可能使用高性能的DSP。0.4.5支持多處理器雷達(dá)：高數(shù)據(jù)率和大運(yùn)算量的應(yīng)用系統(tǒng)，往往需要多個DSP，在這種情況下，DSP的連接是否容易、連接的性能，都成為重要的因素。近年推出的DSP大都非常注意增加專門的接口或DMA通道，來支持多DSP的運(yùn)行。0.4.6功耗和電源管理越來越多的DSP用于電池供電的便攜式應(yīng)用（如手機(jī)、便攜式播放器），許多DSP廠商都降低了DSP的供電電壓，加強(qiáng)了電源管理功能。0.4.7成本決定DSP的價格的主要因素之一是器件封裝的價格。0.4.9結(jié)論并不存在最好的DSP。正確的DSP選擇取決于具體的應(yīng)用場合。對于一種應(yīng)用來說是好的選擇，對另外的應(yīng)用則可能是很差的。0.5TI公司的主流產(chǎn)品三大家族：2000系列、5000系列、6000系列。0.5.1TMSC2000家族TMSC2000家族，將閃存、10位A/D、CAN（控制器局域網(wǎng)）等各種片內(nèi)外設(shè)集成在一起，主要包括TMSC240X及TMSC28X等產(chǎn)品。主要產(chǎn)品為兩個系列:C20X、C240XC20X：系列用于電話、數(shù)字相機(jī)、嵌入式家電設(shè)備等。C240X、C28XX

：主要用于數(shù)字電機(jī)控制、電機(jī)控制、工業(yè)自動化電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等0.5.1.124系列28系列（控制）該系列為16位定點(diǎn)DSP，速度：LF240X為30MIPS，LF240XA為40MIPS。TMS320F280X100MIPS專為數(shù)字電機(jī)控制和其它控制系統(tǒng)而設(shè)計的。是當(dāng)前集成度較高、性能較強(qiáng)的運(yùn)動控制芯片。不但有高性能的C2XXCPU內(nèi)核，配置有高速數(shù)字信號處理的結(jié)構(gòu)，且有單片電機(jī)控制的外設(shè)。將數(shù)字信號處理的高速運(yùn)算功能，與面向電機(jī)的強(qiáng)大控制功能結(jié)合在一起，成為傳統(tǒng)的多微處理器單元和多片系統(tǒng)的理想替代品?？捎糜诳刂乒β书_關(guān)轉(zhuǎn)換器，可提供多電機(jī)的控制等。C240X可運(yùn)行諸如自適應(yīng)控制、卡爾曼濾波和控制等先進(jìn)的控制算法，支持多項(xiàng)式的高速實(shí)時算法，因而可減少力矩紋波、降低功耗、減少振動，從而延長被控設(shè)備的壽命，為各種電機(jī)提供了高速、高效和全變速的先進(jìn)控制技術(shù)。4級流水線結(jié)構(gòu)，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)。片內(nèi)外設(shè)及存儲器:（1）雙10位（雙8路或單16路）A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間500nS。（2）41個可獨(dú)立編程的多路復(fù)用I/O引腳；（3）帶鎖相環(huán)PLL的時鐘模塊；（4）看門狗定時器模塊；（5）串行通信接口SCI與串行外設(shè)接口SPI；（6）兩個事件管理器EVA、EVB，可為所有電機(jī)類型提供控制技術(shù)，在工業(yè)自動化方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。3個具有死區(qū)功能的全比較單元；2個單比較單元；*防止擊穿故障的可編程PWM死區(qū)控制；*2個16位通用定時器；*3個事件捕捉單元，其中2個具有直接連接光電編碼器脈沖的能力；（7）8個16位PWM通道（8）5個外部中斷（兩個驅(qū)動保護(hù)、復(fù)位、兩個可屏蔽中斷）；（8）CAN2.0B模塊（9）指令集：包括信號處理指令和通用控制指令，利用的它的為反轉(zhuǎn)變址尋址能力可進(jìn)行基2的FFT運(yùn)算。（10）用于仿真的JTAG接口（11）片內(nèi)存儲器：32K字閃存、2.5K字RAM0.5.1.1TMSC28X系列為32位定點(diǎn)，速度為可達(dá)400MIPS片內(nèi)：閃存、12位A/D、CAN（控制器局域網(wǎng)）總線模塊、SPI、SCI等片內(nèi)外設(shè)。0.5.2TMSC5000家族（通信）該系列高性能、多種片內(nèi)外設(shè)選擇、小封裝、省電。適用：無線電通信、因特網(wǎng)。電源可降至0.9V及速度可達(dá)600MIPS。非常適用于:數(shù)字音樂唱機(jī)、3G電話、數(shù)字相機(jī)。0.5.2.1TMSC54X系列16位定點(diǎn),功耗0.32mw/MIPS,32-532MIPS.0.5.2.2TMSC55X系列8-48位浮點(diǎn),功耗0.05mw/MIPS,288-600MIPS。程序字寬度為32位。0.5.3TMSC6000家族（圖像）TMSC6000家族為高性能DSP.包括:TMSC62X定點(diǎn)DSP系列、TMSC64X定點(diǎn)DSP系列、TMSC67X浮點(diǎn)DSP系列。0.5.3.1TM