《DSP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》課件

DSP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)歡迎來到《DSP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》課程。本課程將深入探討數(shù)字信號(hào)處理器的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。我們將從基礎(chǔ)概念開始，逐步深入到高級(jí)應(yīng)用。課程概述1基礎(chǔ)知識(shí)DSP架構(gòu)、指令集和存儲(chǔ)器系統(tǒng)2硬件接口A/D轉(zhuǎn)換、通信接口和電源管理3軟件開發(fā)編程環(huán)境、調(diào)試技術(shù)和性能優(yōu)化4應(yīng)用案例信號(hào)處理算法和系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)DSP簡介定義DSP是專門用于數(shù)字信號(hào)處理的微處理器特點(diǎn)高速運(yùn)算、并行處理、專用指令集應(yīng)用領(lǐng)域通信、音頻、視頻、控制系統(tǒng)等優(yōu)勢實(shí)時(shí)處理、低功耗、高精度DSP基本架構(gòu)核心組件算術(shù)邏輯單元（ALU）、乘法器、累加器、程序控制單元特殊功能單元硬件循環(huán)、地址生成單元、DMA控制器存儲(chǔ)系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、緩存DSP內(nèi)部總線程序總線用于獲取指令數(shù)據(jù)總線用于數(shù)據(jù)傳輸DMA總線用于高速數(shù)據(jù)移動(dòng)外圍總線連接外部設(shè)備DSP寄存器組通用寄存器用于暫存數(shù)據(jù)和地址累加器存儲(chǔ)ALU運(yùn)算結(jié)果狀態(tài)寄存器記錄處理器狀態(tài)和標(biāo)志位控制寄存器配置處理器工作模式DSP指令集算術(shù)指令加、減、乘、除邏輯指令與、或、非、異或數(shù)據(jù)移動(dòng)指令加載、存儲(chǔ)、交換程序控制指令跳轉(zhuǎn)、調(diào)用、返回固定小數(shù)點(diǎn)運(yùn)算1Q格式表示整數(shù)部分和小數(shù)部分的位數(shù)分配2定點(diǎn)乘法結(jié)果需要右移以保持精度3飽和運(yùn)算防止溢出，保持?jǐn)?shù)值在合理范圍4舍入技術(shù)減少截?cái)嗾`差，提高計(jì)算精度浮點(diǎn)運(yùn)算IEEE754標(biāo)準(zhǔn)定義單精度和雙精度浮點(diǎn)格式浮點(diǎn)單元（FPU）專用硬件加速浮點(diǎn)運(yùn)算精度與范圍相比固定點(diǎn)，具有更大的動(dòng)態(tài)范圍DSP存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)1哈佛架構(gòu)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分離2多級(jí)存儲(chǔ)器L1緩存、L2緩存、片上RAM3DMA控制器高效數(shù)據(jù)傳輸，減少CPU干預(yù)4存儲(chǔ)器管理單元虛擬地址轉(zhuǎn)換，保護(hù)機(jī)制DSP存儲(chǔ)器訪問1單周期訪問一個(gè)時(shí)鐘周期完成讀寫操作2雙端口訪問同時(shí)讀取兩個(gè)數(shù)據(jù)，提高帶寬3循環(huán)緩沖優(yōu)化循環(huán)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)訪問4位反轉(zhuǎn)尋址支持FFT算法的高效數(shù)據(jù)重排DSP外設(shè)接口模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)數(shù)模轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)串行通信UART、SPI、I2C等接口通用I/O可編程的輸入輸出端口A/D和D/A轉(zhuǎn)換器采樣率決定信號(hào)的最高頻率成分分辨率量化級(jí)數(shù)，影響信號(hào)的精度轉(zhuǎn)換時(shí)間完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)器模塊通用定時(shí)器可編程的計(jì)數(shù)和中斷生成看門狗定時(shí)器監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，防止死機(jī)實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)PWM生成器產(chǎn)生可調(diào)占空比的脈沖信號(hào)串行通信接口1UART通用異步收發(fā)器，簡單可靠2SPI串行外設(shè)接口，高速全雙工3I2C雙線式串行總線，多設(shè)備通信4CAN控制器局域網(wǎng)，抗干擾能力強(qiáng)并行端口接口通用I/O（GPIO）可編程輸入輸出端口外部存儲(chǔ)器接口連接SRAM、FLASH等外部存儲(chǔ)器主機(jī)端口接口與主處理器通信的高速并行接口擴(kuò)展總線接口連接外部設(shè)備和擴(kuò)展模塊DSP電源管理多電壓域核心、I/O、模擬電路分別供電低功耗模式空閑、睡眠、深度睡眠等模式動(dòng)態(tài)頻率調(diào)整根據(jù)負(fù)載調(diào)整時(shí)鐘頻率電池管理支持電池供電系統(tǒng)的優(yōu)化DSP時(shí)鐘管理1PLL鎖相環(huán)，產(chǎn)生高頻時(shí)鐘2時(shí)鐘分頻器生成不同頻率的子時(shí)鐘3時(shí)鐘門控控制各模塊時(shí)鐘開關(guān)4時(shí)鐘監(jiān)控檢測時(shí)鐘故障，確保系統(tǒng)安全DSP開發(fā)環(huán)境集成開發(fā)環(huán)境（IDE）代碼編輯、編譯、調(diào)試一體化工具仿真器模擬DSP硬件行為，加速開發(fā)過程JTAG調(diào)試器實(shí)時(shí)硬件調(diào)試和程序下載工具DSP編程接口匯編語言直接控制硬件，最高效率C語言高級(jí)語言，提高開發(fā)效率DSP庫函數(shù)優(yōu)化的信號(hào)處理算法庫RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，多任務(wù)管理軟件開發(fā)流程需求分析明確系統(tǒng)功能和性能要求算法設(shè)計(jì)選擇合適的DSP算法代碼實(shí)現(xiàn)編寫和優(yōu)化DSP程序仿真驗(yàn)證使用仿真器進(jìn)行初步測試硬件調(diào)試在實(shí)際DSP硬件上運(yùn)行和調(diào)試測試和調(diào)試方法斷點(diǎn)調(diào)試設(shè)置斷點(diǎn)，單步執(zhí)行代碼實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)觀察監(jiān)視內(nèi)存和寄存器狀態(tài)性能分析測量代碼執(zhí)行時(shí)間和資源使用日志跟蹤記錄關(guān)鍵事件和數(shù)據(jù)流性能優(yōu)化技術(shù)1指令級(jí)并行充分利用DSP的并行執(zhí)行能力2循環(huán)展開減少循環(huán)開銷，提高指令并行度3數(shù)據(jù)預(yù)取提前加載數(shù)據(jù)，減少等待時(shí)間4內(nèi)存對齊優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)布局，加速訪問典型應(yīng)用案例壓縮編碼算法音頻編碼MP3、AAC、Opus等算法實(shí)現(xiàn)視頻編碼H.264、H.265、VP9編解碼器數(shù)據(jù)壓縮無損壓縮算法，如LZ77、哈夫曼編碼圖像處理算法濾波高斯濾波、中值濾波等邊緣檢測Sobel、Canny算子圖像變換FFT、DCT變換特征提取SIFT、SURF算法語音處理算法1語音增強(qiáng)降噪、回聲消除2語音識(shí)別特征提取、模式匹配3語音合成文本到語音轉(zhuǎn)換4說話人識(shí)別聲紋分析和匹配信號(hào)處理算法快速傅里葉變換（FFT）高效頻譜分析工具數(shù)字濾波器FIR和IIR濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波LMS、RLS等算法小波變換多分辨率信號(hào)分析系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)需求分析明確系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)架構(gòu)設(shè)計(jì)確定硬件平臺(tái)和軟件結(jié)構(gòu)模塊開發(fā)實(shí)現(xiàn)各功能模塊系統(tǒng)集成模塊組裝和接口對接測試驗(yàn)證系統(tǒng)級(jí)測試和性能評(píng)估未來DSP發(fā)展趨勢異構(gòu)計(jì)算DSP與GPU、FPGA的協(xié)同處理人工智能加速深度學(xué)習(xí)算法的硬件