DSP概述ppt課件

1、第一章 DSP概述,第一章 DSP概述,1.1 DSP芯片的概念 1.2 DSP芯片的發(fā)展 1.3 DSP芯片的特點 1.4 DSP芯片的分類 1.5 DSP系列產(chǎn)品,DSP-Digital SignalProcessing DSP-DigitalSignalProcessor 前者對應(yīng)“數(shù)字信號處理”這門課，側(cè)重理論和算法的研究 后者對應(yīng)“DSP原理與應(yīng)用”這門課，主要來學(xué)習(xí)DSP芯片的結(jié)構(gòu)和使用方法,1.1 DSP芯片的概念,典型 DSP 系統(tǒng),DSP系統(tǒng)基于軟件設(shè)計，靈活性高，抗干擾能力強,A/D與D/A轉(zhuǎn)換器建立起了數(shù)字世界與現(xiàn)實模擬世界之間的橋梁, 將輸入信號x(t)進行抗混疊濾波，

2、濾掉高于折疊頻率的分量，以防止信號頻譜的混疊； 經(jīng)采樣和A/D轉(zhuǎn)換器，將濾波后的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號x(n)； 數(shù)字信號處理器對x(n)進行處理，得數(shù)字信號y(n)； 經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器，將y(n)轉(zhuǎn)換成模擬信號； 經(jīng)低通濾波器，濾除高頻分量，得到平滑的模擬信號y(t)。,DSP系統(tǒng)的處理過程, 在通用計算機上用軟件（如C語言）來實現(xiàn)，但速度慢，不適合實時數(shù)字信號處理。可以在通用計算機系統(tǒng)中加入專用的擴展板卡或協(xié)處理器，用以增強運算能力和提高運算速度。不適合于嵌入式應(yīng)用。, 用單片機（例如89C51）來實現(xiàn)，用于不太復(fù)雜的數(shù)字信號處理。不適合于以乘累加運算為主的密集型DSP算法。,用專用的DSP芯片

3、來實現(xiàn)，專用集成電路ASIC也屬于此類。一般說來，DSP核是通用DSP器件中的CPU部分，再配上用戶所需的存儲器(包括Cache、RAM、ROM、Flash、EPROM)和外設(shè)(包括串口、并口、主機接口、DMA、定時器等)，組成用戶的ASIC，用在要求信號處理速度極快的特殊場合，如FFT、數(shù)字濾波、卷積、相關(guān)算法等，算法由內(nèi)部硬件電路實現(xiàn)。,數(shù)字信號處理的實現(xiàn)是指用硬件、軟件或軟硬結(jié)合的形式來實現(xiàn)各種算法，一般有以下幾種方法：,數(shù)字信號處理的實現(xiàn), 用通用的可編程DSP芯片實現(xiàn)，具有可編程性和強大的處理能力，可完成復(fù)雜的數(shù)字信號處理的算法，在實時DSP領(lǐng)域中處于主導(dǎo)地位。,DSP芯片的應(yīng)用,隨

4、著DSP芯片價格的下降，性能價格比的提高，DSP芯片具有巨大的應(yīng)用潛力。,主要應(yīng)用：,1. 信號處理 2. 通 信 3. 語 音 4. 圖像處理 5. 軍 事,6. 儀器儀表 7. 自動控制 8. 醫(yī)療工程 9. 家用電器 10. 計 算 機,如：數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波、 快速傅氏變換、Hilbert變換、 相關(guān)運算、頻譜分析、 卷 積、模式匹配、 窗函數(shù)、波形產(chǎn)生等；,如：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、 回波抵消、多路復(fù)用、 傳真、擴頻通信、 移動通信、糾錯編譯碼、 可視電話、路由器等；,如：語音編碼、語音合成、 語音識別、語音增強、 語音郵件、語音存儲、 文本語音轉(zhuǎn)換等；,如

5、：二維和三維圖形處理、 圖像壓縮與傳輸、 圖像鑒別、圖像增強、 圖像轉(zhuǎn)換、模式識別、 動畫、電子地圖、 機器人視覺等；,如：保密通信 雷達處理 聲納處理 導(dǎo)航 導(dǎo)彈制導(dǎo) 電子對抗 全球定位GPS 搜索與跟蹤 情報收集與處理等,如：頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、 數(shù)據(jù)采集、鎖相環(huán)、 模態(tài)分析、暫態(tài)分析、 石油/地質(zhì)勘探、 地震預(yù)測與處理等；,如：引擎控制 聲 控 發(fā)動機控制 自動駕駛 機器人控制 磁盤/光盤伺服控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等,如：助聽器 X-射線掃描 心電圖/腦電圖 超聲設(shè)備 核磁共振 診斷工具 病人監(jiān)護等,如：高保真音響 音樂合成 音調(diào)控制 玩具與游戲 數(shù)字電話/電視 高清晰度電視HDTV 變頻空

6、調(diào) 機頂盒等,如：震裂處理器 圖形加速器 工作站 多媒體計算機等,1.2 DSP芯片的發(fā)展,DSP芯片誕生于20世紀70年代末，至今已經(jīng)得到了突飛猛進的發(fā)展，并經(jīng)歷了以下三個階段。,第一階段，DSP的雛形階段（1980年前后） 第二階段，DSP的成熟階段（1990年前后） 第三階段，DSP的完善階段（2000年以后）,1.2 DSP芯片的發(fā)展,第一階段，DSP的雛形階段（1980年前后）,1978年AMI公司生產(chǎn)出第一片DSP芯片S2811。 1979年美國Intel公司發(fā)布了商用可編程DSP器件Intel2920,由于內(nèi)部沒有單周期的硬件乘法器，使芯片的運算速度、數(shù)據(jù)處理能力和運算精度受到了

7、很大的限制。運算速度大約為單指令周期200250ns，應(yīng)用領(lǐng)域僅局限于軍事或航空航天部門。,這個時期的代表性器件有 Intel2920(Intel) PD7720(NEC) TMS320C10(TI) DSP16(AT&T) S2811(AMI) ADSP-21(AD),第二階段，DSP的成熟階段（1990年前后）,這個時期的DSP器件在硬件結(jié)構(gòu)上更適合數(shù)字信號處理的要求，能進行硬件乘法、硬件FFT變換和單指令濾波處理，其單指令周期為80100ns。 如TI公司的TMS320C20，它是該公司的第二代DSP器件,采用了CMOS制造工藝，其存儲容量和運算速度成倍提高，為語音處理、圖像硬件處理技術(shù)

8、的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 20世紀80年代后期，以TI公司的TMS320C30為代表的第三代DSP芯片問世，伴隨著運算速度的進一步提高，其應(yīng)用范圍逐步擴大到通信、計算機領(lǐng)域。,1.2 DSP芯片的發(fā)展,這個時期的器件主要有：TI公司的TMS320C20、C30、C40、C50系列，Motorola公司的DSP5600、9600系列，AT&T公司的DSP32等,第三階段，DSP的完善階段（2000年以后）,這一時期各DSP制造商不僅使信號處理能力更加完善，而且使系統(tǒng)開發(fā)更加方便、程序編輯調(diào)試更加靈活、功耗進一步降低、成本不斷下降。尤其是各種通用外設(shè)集成到片上，大大地提高了數(shù)字信號處理能力。這一時期的D

9、SP運算速度可達到單指令周期10ns左右，可在 Windows 環(huán)境下直接用 C 語言編程，使用方便靈活，使DSP芯片不僅在通信、計算機領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且逐漸滲透到人們?nèi)粘ＯM領(lǐng)域。,目前，DSP芯片的發(fā)展非常迅速。硬件方面主要是向多處理器的并行處理結(jié)構(gòu)、便于外部數(shù)據(jù)交換的串行總線傳輸、大容量片上RAM和ROM、程序加密、增加I/O驅(qū)動能力、外圍電路內(nèi)裝化、低功耗等方面發(fā)展。軟件方面主要是綜合開發(fā)平臺的完善，使DSP的應(yīng)用開發(fā)更加靈活方便。,1.2 DSP芯片的發(fā)展,1.3 DSP芯片的特點,數(shù)字信號處理不同于普通的科學(xué)計算與分析，它強調(diào)運算的實時性。除了具備普通微處理器所強調(diào)的高速運

10、算和控制能力外，針對實時數(shù)字信號處理的特點，DSP在結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、指令流程上作了很大的改進，其主要特點如下： 1采用哈佛結(jié)構(gòu) DSP芯片普遍采用數(shù)據(jù)總線和程序總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)或改進的哈佛結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)處理器的馮諾伊曼結(jié)構(gòu)有更快的指令執(zhí)行速度。,(1) 馮諾伊曼（Von Neuman）結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)采用單存儲空間，即程序指令和數(shù)據(jù)共用一個存儲空間，使用單一的地址和數(shù)據(jù)總線，取指令和取操作數(shù)都是通過一條總線分時進行。 當(dāng)進行高速運算時，不但不能同時進行取指令和取操作數(shù)，而且還會造成數(shù)據(jù)傳輸通道的瓶頸現(xiàn)象，其工作速度較慢。,1.3 DSP芯片的特點,1.3 DSP芯片的特點,（2）哈佛（Harvar

11、d）結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)采用雙存儲空間，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開，有各自獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，可獨立編址和獨立訪問，可對程序和數(shù)據(jù)進行獨立傳輸，使取指令操作、指令執(zhí)行操作、數(shù)據(jù)吞吐并行完成，大大地提高了數(shù)據(jù)處理能力和指令的執(zhí)行速度，非常適合于實時的數(shù)字信號處理。,1.3 DSP芯片的特點,外部管理數(shù)據(jù)總線,外部管理地址總線,數(shù)據(jù)總線,數(shù)據(jù)地址總線,程序數(shù)據(jù)總線,程序地址總線,外部管理數(shù)據(jù)總線,外部管理地址總線,數(shù)據(jù)總線,數(shù)據(jù)地址總線,程序數(shù)據(jù)總線,程序地址總線,1.3 DSP芯片的特點,2采用流水線技術(shù),每條指令可通過片內(nèi)多功能單元完成取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行等多個步驟，實現(xiàn)多條指令的并行執(zhí)行

12、，從而在不提高系統(tǒng)時鐘頻率的條件下減少每條指令的執(zhí)行時間。,利用這種流水線結(jié)構(gòu)，加上執(zhí)行重復(fù)操作，就能保證在單指令周期內(nèi)完成數(shù)字信號處理中用得最多的乘法 - 累加運算。如：,1.3 DSP芯片的特點,3. 配有專用的硬件乘法-累加器,為了適應(yīng)數(shù)字信號處理的需要，當(dāng)前的DSP芯片都配有專用的硬件乘法-累加器，可在一個周期內(nèi)完成一次乘法和一次累加操作，從而可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的乘法-累加操作。如矩陣運算、FIR和IIR濾波、FFT變換等專用信號的處理。,4. 具有特殊的DSP指令,為了滿足數(shù)字信號處理的需要，在DSP的指令系統(tǒng)中，設(shè)計了一些完成特殊功能的指令。如：TMS320C54x中的FIRS和LMS指令

13、，專門用于完成系數(shù)對稱的FIR濾波器和LMS(Least Mean Square)最小均方算法。,1.3 DSP芯片的特點,5快速的指令周期,由于采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的指令以及集成電路的優(yōu)化設(shè)計，使指令周期可在20ns以下。如：TMS320C67x的運算速度為100MIPS (Million Instructions Per Second)，即100百萬條/秒。,6硬件配置強,新一代的DSP芯片具有較強的接口功能，除了具有串行口、定時器、主機接口（HPI）、DMA控制器、軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器等片內(nèi)外設(shè)外，還配有中斷處理器、PLL、片內(nèi)存儲器、仿真器接口等單元電路

14、，可以方便地構(gòu)成一個嵌入式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。,1.3 DSP芯片的特點,7支持多處理器結(jié)構(gòu),為了滿足多處理器系統(tǒng)的設(shè)計，許多DSP芯片都采用支持多處理器的結(jié)構(gòu)。如：TMS320C40提供了6個用于處理器間高速通信的32位專用通信接口，使處理器之間可直接對通，應(yīng)用靈活、使用方便；,8省電管理和低功耗,DSP功耗一般為0.54W，若采用低功耗技術(shù)可使功耗降到0.25W，可用電池供電，適用于便攜式數(shù)字終端設(shè)備。,1.3 DSP芯片的特點,1.4 DSP芯片的分類,為了適應(yīng)數(shù)字信號處理各種各樣的實際應(yīng)用，DSP廠商生產(chǎn)出多種類型和檔次的DSP芯片。在眾多的DSP芯片中，可以按照下列2種方式進行分類：,1.

15、 按數(shù)據(jù)格式分類 2. 按用途分類,1按數(shù)據(jù)格式分類,根據(jù)芯片工作的數(shù)據(jù)格式，按其精度或動態(tài)范圍，可將通用DSP劃分為定點DSP和浮點DSP兩類。,若數(shù)據(jù)以定點格式工作的定點DSP芯片。 若數(shù)據(jù)以浮點格式工作的浮點DSP芯片。,不同的浮點DSP芯片所采用的浮點格式有所不同，有的DSP芯片采用自定義的浮點格式，有的DSP芯片則采用IEEE的標準浮點格式。,1.4 DSP芯片的分類,2.按用途分類,按照用途，可將DSP芯片分為通用型和專用型兩大類。,通用型DSP芯片：一般是指可以用指令編程的DSP芯片，適合于普通的DSP應(yīng)用，具有可編程性和強大的處理能力，可完成復(fù)雜的數(shù)字信號處理的算法。,專用型D

16、SP芯片：是為特定的DSP運算而設(shè)計，通常只針對某一種應(yīng)用，相應(yīng)的算法由內(nèi)部硬件電路實現(xiàn)，適合于數(shù)字濾波、FFT、卷積和相關(guān)算法等特殊的運算。主要用于要求信號處理速度極快的特殊場合。,1.4 DSP芯片的分類,目前，生產(chǎn)通用DSP芯片的廠家如下： TI (美國德州儀器公司) ADI (亞德諾半導(dǎo)體公司/美國模擬器件公司) Freescale (飛思卡爾半導(dǎo)體公司，原摩托羅拉半導(dǎo)體) Lucent (朗訊科技公司-以貝爾實驗室為后盾) NEC (日本電氣股份有限公司公司),1.5 DSP系列產(chǎn)品,Texas Instruments Embedded Processors,Microcontrol

17、lers (MCUs) 16-bit Ultra Low Power MCU MSP430 32-bit Real-Time MCUs C2000 Delfino Piccolo ARM Based Processors 32-bit ARM MCU Stellaris Cortex-M3 TMS570 Cortex-R4 32-bit ARM MPU for Performance Applications Sitara ARM Cortex-A8 and ARM9,Digital Signal Processors (DSPs) DaVinci Digital Video Processo

18、r C6-Integra DSP+ARM Processor C6000 High Performance Multicore DSP C6000 High Performance DSP TMS320C674x Low Power DSP TMS320C67x DSP TMS320C667x DSP TMS320C64x DSP TMS320C62x DSP C5000 Ultra Low Power DSP,TI公司主推的DSP平臺,Optical Networking Control of laser diode,TV screen Deflection of electron beam

19、 for small angle and sharp corner TV screen,Automotive - EPS Battery operated precision for steering,Printer Print head control Paper path motor control,Digital Power Supply Provides control, sensing, PFC, and other functions,“Segway” Many new cool Application to come,Tire Pressure Low cost pressure

20、 sensing based on tire rotation speed measurement,C2000系列MCU,應(yīng)用領(lǐng)域,C2000系列MCU,C2xx子系列：16位定點DSP、20MIPS 代表器件：TMS320F206PZ C24x子系列：16位定點DSP、20MIPS 代表器件：TMS320F240 LF240 x子系列：16位定點DSP、40MIPS 代表器件：TMS320LF2407 F28x子系列：32位定點DSP、150MIPS 代表器件：TMS320F2812、TMS320F2810 F28x Delfino Floating-point Series 代表器件：TM

21、S320F28335、TMS320F28346,Peripherals optimized for digital control,XD(15-0),2 Status Registers,32-Bit Accumulator,3 32-Bit Timers,8 Auxiliary Registers,Stack Point （SP）,32-Bit ALU,Shift L (0,1,4,-6),32-Bit P Register,32-Bit T Register,32 x 32 Multiply,32-Bit Barrel Shifter (L),Repeat Count,Program /

22、Data / I/O Buses,Program FLASH 128K words,150-MIPS C28x 32位DSP Core,Data RAM 18K words,Peripheral Bus,Boot ROM 4K words,XA(18-0),TMS320F2812 內(nèi)部結(jié)構(gòu),Processor Performance 300 MFLOPS at 150MHz Single-cycle 32-bit MAC 6-channel DMA support for EMIF, ADC, McBSP Memory 512KB flash and 68KB RAM Configurable

23、 16- or 32-bit EMIF Control Peripherals PWM outputs interfaces for three 3-phase motors 6 High-resolution PWM outputs Highest-speed on-chip ADC Communications Ports Each McBSP configurable as SPI CAN 2.0b with 32 mailboxes I2C at 400 Kbps Development Tools SEED-DEC28335+SEED-XDSusb2.0 Code Composer

24、Studio IDE V3.3 Software libraries,TMS320F28335 內(nèi)部結(jié)構(gòu),Up To 40 MIPS,Control Performance,High-Precision Control,Multi-Function, Appliance & Consumer Control,150 MIPS!,Software Compatible,High-end Derivatives,Application specific versions,Scaled Down versions,C2000系列MCU Roadmap,Device,Future,Production

25、,Development,Sampling,Performance,Integration,F2810,F2812,Pin to pin compatible,C2810,C2811,C2812,F2811,F28332,C28xx Roadmap 高端產(chǎn)品,F28334,F28335,F28232,F28234,F28235,C28xxx eMAC,C28344,C28345,C28244,C28245,F28LC Roadmap 低端產(chǎn)品,Device,Future,Production,Development,Sampling,Performance,F28015,F28016,F280

26、1-60,F2802-60,C2801,C2802,F2801,F2802,F2806,F2808,Pin to pin compatible,F2809,Integration,F28024 32kB,F28036 128kB,F28035 64kB,F28034 32kB,F28023 16kB,Digital Motor Control Based On C2000 Controller,Bridge Rectifier,Power converter MOSFET/IGBT,Motor,Load,AC Input,Current sense LM324, TLV274, TLV2774

27、,Resolver,Optical encoder,Hall effect,SN65HVD10/1/2,ADS8361 TLC354x ADS7864,C2000 DSP Controller LF240 x F280 x F281x,voltage sense LM324, TLV274, TLV2774,TPS767D318 TPS767D301 TPS76x33 TPS76x18,SVS TPS380 x,SN65HVD230/1,MAX3221/2/3,CAN Bus,PFC MOSFET/IGBT,QEP,ADC,CAP,ADC,ADC,RS485,RS232,+/- 10v,CAN

28、,SPI/EMIF,SCI,SCI,PWM,UC3842,C5000系列DSP的應(yīng)用,C5000系列DSP,C54x子系列：16位定點DSP、100160MIPS 代表器件：TMS320VC5402、VC5409、VC5410、VC5416 C55x子系列：16位定點DSP、400MIPS 代表器件：TMS320VC5510、VC5509、VC5502 C54xARM7子系列： 代表器件：TMS320VC5470、VC5471、DSC21 C55xARM9子系列： 即OMAP平臺：Open Multimedia Applications Platform 代表器件：OMAP5910,High

29、Performance 160-MIPS performance 16K words SRAM 3 McBSPs 6-channel DMA 8/16-bit HPI 1.2-V and 1.8-V core options Low Power 72 mW active power (100 MIPS) Small Size 144-pin LQFP Ultra-small 144 microStar BGA (12 mm x 12 mm),D(15-0),A(22-0),C54x內(nèi)部結(jié)構(gòu),OMAP Application Processor,OMAP Processor Core,ARM92

30、5 Subsystem 175 MHz 16KB i-cache 8KB d-cache,55x DSP Subsystem 200 MHz 12KW 2x 1-cache 48KW SARAM 32KW DARAM 16KW ROM Video Accelerators,LCD Ctrl,UART USB Host/ Client Camera I/F SD/MMC,Frame Buffer (1.5 Mb),Flash SRAM,SDRAM,Peripherals,C5000系列DSP Roadmap,C5502 400 MIPS,C5509 288-400 MIPS,C5510 320-

31、400 MIPS,C55xTM DSP,DSP + RISC,Power Efficiency/System Density,Feature Integration,C5470 C54xTM+ARM7,C5471 C54xTM+ARM7,OMAPTM OMAP5910,C5420 200 MIPS,C5421 200 MIPS,C5441 532 MIPS,C55xTM Multicore,C5407 120 MIPS,C5404 120 MIPS,C6000系列DSP,C6000系列DSP,C62x子系列：32位定點DSP、12002400MIPS 代表器件：TMS320C6211 C67x子系列：32位浮點DSP、12001800MIPS，9001350MFLOPS 代表器件：TMS320C6713、C6727、C6747 C64x子系列：32位定點DSP，40005760MIPS 代表器件：TMS320C66414、C6415、C6416,TMS320C6713 225MHz Audio DSP,C6000 Catalog Roadmap,Future,Sampling,In Development,OMAP-L1x/C674x Roadmap,Time,Apps Proc,300 MHz ARM926 Audio CoP,OMAP-L138,300 MH