1、DSP原理與應用The Technology & Applications of DSPs第1頁，共50頁。第一章: 概述第1.1節 概述第1.2節 DSP芯片分類和特點第1.3節 選擇DSP芯片的原則習題第2頁，共50頁。第1.1節 概述什么是DSP(What is DSP?)數字信號處理和模擬信號處理第3頁，共50頁。第1.1節 概述什么是DSP(What is DSP?)DSP(Digital Signal Processing)數字信號處理(DSP，Digital Signal Processing)是指為得到滿足人們需要的信號形式而對數字化的信號進行處理的數學原理、方法和手段，也就是

2、說將現實世界的模擬信號轉換成數字信號，再用數學的方法來處理此數字信號，得到相應的結果。例如IIR、FIR、FFT第4頁，共50頁。第1.1節 概述什么是DSP(What is DSP?)DSP算法的實現基于PC的軟件實現各種軟件編解碼器，如mp3 player, avi播放器等硬件實現MCU實現FPGA/ASIC實現DSPs實現第5頁，共50頁。第1.1節 概述什么是DSP(What is DSP?)DSPs(Digital Signal Processors)數字信號處理器（Digital Signal Processors, DSPs）是指一類具有專門為完成數字信號處理任務而優化設計的系統

3、體系結構、硬件和軟件資源的單片可編程處理器件。第6頁，共50頁。第1.1節 概述為什么用DSP(Why DSPs?)DSPs專為DSP算法進行優化為數學計算而設計DSPs是可編程的可方便地修改和更新程序DSPs高度集成化多種外設、功耗低第7頁，共50頁。第1.1節 概述為什么用DSP(Why DSPs?)DSPs特點：(1)哈佛總線結構(2)流水線技術(3)片內多總線并行技術(4)軟、硬件等待功能(5)獨立的乘法器和加法器(6)低功耗、體積小、價格低(7)DMA通道和通信口(8)中斷和定時器第8頁，共50頁。(1) 哈佛總線結構第1.1節 概述為什么用DSP(Why DSPs?)馮諾曼結構哈佛

4、結構改進的哈佛結構第9頁，共50頁。第1.1節 概述為什么用DSP(Why DSPs?)(1) 哈佛總線結構馮諾曼結構處理器指令流與時鐘的關系哈佛結構處理器指令流與時鐘的關系第10頁，共50頁。第1.1節 概述為什么用DSP(Why DSPs?)(2) 流水線技術流水線概念取自工廠自動化生產線，它是一種可以使兩個或更多的操作在執行時發生重疊的技術，在流水線操作中，一個任務被分解為若干子任務，這樣它們就可在執行時相互重疊。一個子任務被稱為一個流水段。第11頁，共50頁。第1.1節 概述為什么用DSP(Why DSPs?)(3) 片內多總線并行技術DSP可以充分利用哈佛結構多重總線的優點，在一個周

5、期里使內部的各個處理單元同時工作，實現高度的并行處理。如在一個周期里可以同時完成取指令、計算下一個指令的地址、執行一個或兩個數據傳輸、更新一個或兩個地址指針并且進行計算等等。 F28335包含程序讀總線、數據讀總線、數據寫總線第12頁，共50頁。第1.1節 概述為什么用DSP(Why DSPs?)(4) 軟、硬件等待功能可設定的軟件等待周期外部設備數據就緒指示(硬件等待)第13頁，共50頁。第1.1節 概述為什么用DSP(Why DSPs?)(5) 獨立的乘法器和加法器硬件乘法器多種乘法乘法輸入輸出寄存器乘法加法器第14頁，共50頁。第1.1節 概述為什么用DSP(Why DSPs?)(5)

6、獨立的乘法器和加法器實時處理如果等待時間0,則可以稱這個應用為一個實時應用應用舉例：16bits,20kHz音頻512*512*16bits,30fps視頻第15頁，共50頁。第1.1節 概述為什么用DSP(Why DSPs?)(6) 低功耗、體積小、價格低DSPs同PC用CPU比較(pentium,AMD等)尺寸功耗價格構成DSPs應用場合價格低、尺寸小、低功耗、實時性要求高的場合通用處理(General Purpose Processor)應用場合大內存、高級操作系統第16頁，共50頁。第1.1節 概述為什么用DSP(Why DSPs?)(7) DMA通道和通信口存儲技術雙口存儲器SARA

7、M寄存器文件FIFOCache外部RAM接口通信口SPISCICAN(optional)第17頁，共50頁。第1.1節 概述為什么用DSP(Why DSPs?)(8) 中斷和定時器多級多路中斷源多個定時器應用:信號處理,通信,語音,圖形圖像,軍事,儀器儀表,自動控制,醫療,家用電器第18頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點Texas Instruments:TMS320C2000TMS320C5000TMS320C6000TMS320C3XAnalog Devices:ADSP-21xxSHARC DSPTigerSharc DSPblackfinMotorola:DSP560 xxD

8、SP563xxDSP566xxDSP568xxLucent:DSP-16xxDSP-16xxxLucent+Motorola:StarCore 140 Core第19頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點功能上分通用型TI TMS320，AD ADSP-21xx, DSP56X，StarCore 140專用型ADV601混合型TI OMAP數據格式上分定點型浮點型第20頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點第21頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點TMS320C2000TM DSP平臺(C2000TM DSP)該平臺提供了推動數字控制最全面的DSP解決方案。該平臺采用內存等

9、片上外設、超高速A/D轉換器以及強大、可靠的CAN模塊相組合。C2000 DSP平臺創造了性能與外設集成的新標準。最新的C2000DSP控制器(TMS320F28xx DSP)的目標是工業自動化、光纖網絡以及汽車控制應用。C24XC28X第22頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點TI TMS320C24x DSP系列(定點)(1) 規格： 40 MIPS的運行速率； 3種斷電模式； 代碼兼容、控制優化DSP； 基于JTAG掃描的仿真； 3.3 V與5 V設計。 第23頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點TI TMS320C24x DSP系列(定點)(2) 應用:數字化馬達控制電

10、氣、壓縮機、工業自動化、不間斷電源(UPS)系統、汽車剎車與操縱系統、電氣儀表、打印機與復印機、手持電源工具、電子冷卻系統、智能傳感器、可調激光、消費類產品(加油泵、工業頻率轉換器、遠程監控、ID標簽閱讀器)。第24頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點TI TMS320C24x DSP系列(定點)(3) 特性： 375 ns(最低轉換時間)模數(A/D)轉換器; 死區邏輯; 雙通道10位A/D轉換器; 4個16位通用定時器; 看門狗定時器模塊; 16條PWM通道; 41個GPIO引腳; 5個外部中斷； 2個事件管理器；第25頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點TI TMS320

11、C24x DSP系列(定點)(3) 特性： 32 KB分扇區閃存；。 控制器域網絡(CAN)接口模塊； 串行通信接口(SCI)； 串行外設接口(SPI)； 6個采集單元(4個帶QEP)； 引導ROM(LF240A器件)； 針對片上閃存/ROM的代碼安全性(L240A器件)。第26頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點TI TMS320C28x DSP系列(定點)(1) 規格： 32位定點C28xTM DSP內核； 150 MIPS的速率運行； 1.9 V內核與3.3 V外設。(2) 應用：照明，光纖網絡(ONET)，電源，工業自動化，消費類產品。 第27頁，共50頁。第1.2節 DSP的

12、分類和特點TI TMS320C28x DSP系列(定點)(3) 特性：針對任何中斷的超高速2040 ns服務時間；強大的20 Mb/s數據記錄調試功能；32/64位飽和度，單循環讀修改寫指令，64/32與32/32模數除法；高性能ADC；增強的工具套件，具備C與C+支持；獨特的實時調試功能；3232單循環定點MAC，雙通道1616單循環定點MAC；第28頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點TI TMS320C28x DSP系列(定點)(3) 特性：具備16位指令支持，以提高代碼效率；兼容TMS320C24x DSP與TMS320C2xLP源代碼。128 K分扇區閃存；12位A/D、12

13、.5 MSPS吞吐量、80 ns最低轉換時間；2個事件管理器，2個串行通信接口模塊；SPI， McBSP模塊；增強的CAN模塊；引導ROM；針對片上閃存的代碼安全性。 第29頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點TMS320C5000 DSP平臺該平臺可提供20多種器件，包括OMAP5910處理器，其在單個芯片上集成了TMS320C55xTM DSP內核與TI 增強的ARM。C5000DSP平臺是功耗敏感的系統設計人員的最佳選擇，可以提供0.33 mA/MHz的低功耗以及高達600 MIPS的性能。C54XC55XOMAP 4 Platform第30頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類

14、和特點TI TMS320C54x DSP系列(定點)(1) 規格:16位定點DSP；100 MIPS情況下，功耗低于60 mW；提供30532 MIPS性能的單核與多核產品；提供1.2 V、1.8 V、2.5 V、3.3 V與5 V版本；3種斷電模式；全面的RAM與ROM配置；自動緩沖串行端口；多信道緩沖串行端口；主機端口接口；超薄封裝(100、128、144與176引腳LQFP；144、176與169引腳MicroStar BGAsTM)；每核6通道DMA控制器。 第31頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點TI TMS320C54x DSP系列(定點)(2) 應用：數字蜂窩通信、個人

15、通信系統(PCS)、尋呼機、個人數字助理、數字無繩通信、無線數據通信、網絡、計算機電話、分組語音、便攜的互聯網音頻、調制解調器。(3) 特性：集成Viterbi加速器；40位加法器與2個40位累加器，以支持并行指令；40位ALU，帶兩個16位配置功能，用于雙單循環運行；1717乘法器，可實現16位帶符號乘法運算；4條內部總線與雙地址生成器，可實現多程序和數據提取；單循環歸一化與指數編碼；8個輔助寄存器和1個軟件堆棧，可實現高級定點DSP C編譯程序；用于電池驅動應用的斷電模式。第32頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點TI TMS320C55x DSP系列(定點)(1) 規格：內核可以

16、為高達600 MIPS。在整個C5000 DSP平臺上可實現軟件兼容。 功耗0.15mW/MHz。(2) 應用：功能豐富的便攜產品，2G、2.5G、3G手機與基站，數字音頻播放器，數碼相機，電子圖書，語音識別，GPS接收器，指紋/模式識別，無線調制解調器，耳機，生物辨識。第33頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點TI TMS320C55x DSP系列(定點)(3) 特性：高級自動電源管理；可配置的空閑域，以延長電池壽命；縮短調制過程，從而加快產品上市進程。C5501/C5502 DSP：C5509 DSP：144/200 MHz時鐘頻率；256 KB RAM，64 KB ROM；3個M

17、cBSP；I2C；看門狗定時器；通用定時器。新型的C5509 DSP外設。USB 2.0全速(12 Mb/s)、10位ADC、實時時鐘(RTC)、到MMC與SD的無縫媒體接口第34頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點TI OMAP5910 DSPOMAP即開放多媒體應用平臺(Open Multimedia Application Platform)。雙內核OMAP5910處理器是在單個芯片上集成了TMS320C55xTM DSP內核及TI增強型ARM925。它能夠實現極高性能與低功耗的完美組合。這種獨特的架構可以同時為DSP和ARM開發人員提供極具吸引力的解決方案，在融合了ARM的指令

18、與控制功能的情況下，能夠提供DSP的低功耗與實時信號處理功能。應用范圍非常廣泛，從互聯網應用到軍事與政府移動系統，無所不含。第35頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點(1) 應用：因特網設備、增強型游戲、Webpad、銷售點設備、醫療器件、業界專用PDA、遠程信息、數字媒體處理、安全性、軟件無線電。(2) 特性：150 MHz的TI增強ARM925微處理器：16 KB指令高速緩沖存儲器以及8 KB數據緩沖器；數據與指令MMU；32位與16位指令集。150 MHz TMS320C55xTM DSP內核：24 KB指令高速緩沖存儲器；160 KB SRAM；用于視頻算法的硬件加速器。第36

19、頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點(3)外設與片上資源：192 KB共享SRAM；用于SDRAM與閃存的2個16位內存接口；9通道系統DMA控制器；LCD控制器；USB 1.1主機與客戶機；MMC/SD卡接口；7個串行端口，外加3個UART；9個定時器；鍵盤接口；小型、289引腳、12 mm12 mm(GZG)或9mm19 mm(GDY)MicroStar BGAs封裝選項第37頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點(4) OMAP 4 平臺處理器：第38頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點(4) OMAP 4 平臺處理器：轉為智能手機、平板電腦和其他移動多媒體設備設計

20、硬件1080p多標準高清視頻編解碼視頻捕捉和拍照硬件雙核ARM Cortex-A93D圖形加速卡移動應用平臺Win CE,Linux,TI DSP/BIOS,Android第39頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點TMS320C6000 DSP平臺該平臺融合了高性能硬件與豐富的開發資源，帶來了低成本與低功耗，并能夠提供高達720 MHz的時鐘頻率。該平臺具有眾多代碼完全兼容的器件。其性能在定點可以達到12005760 MIPS，在浮點可以達到6001350 MFLOPS。C64XC62X/C67X第40頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點TMS320C64X DSP平臺(1)

21、規格:TMS320C64x DSP的高性能核心可提供高達1 GHz的可擴展性能;業界中速度最快的DSP，性能高達720 MHz(5760 MIPS);C64xTM DSP與TI的C62xTM DSP在軟件方面具有兼容性。(2) 應用：DSL與調制解調器組、基站收發器、無線LAN、企業PBX、多媒體網關、寬帶視頻代碼轉換器、視頻流服務器與客戶機、高速掃描影像處理(RIP)引擎、網絡相機。第41頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點TMS320C64X DSP平臺(3) 特性:時鐘頻率可達300720 MHz, 指令執行速度可達24005760 MIPS，具有各種外設TMS320C6411

22、DSP：256 KB字節L2內存。TMS320C6412 DSP：靈活的32位PCI、32位HPI或10/100 Mb以太網MAC；256 KB字節L2內存。TMS320C6414 DSP：三個多信道緩沖串行端口(McBSP);32位主機端口接口(HPI)。TMS320C6415 DSP：靈活的32位/33 MHz PCI或32位HPI;用于ATM(UTOPIA)或McBWSP的PHY接口。第42頁，共50頁。第1.2節 DSP的分類和特點TMS320C2833532位C28X+32位單精度浮點運算(FPU)150MHz，1.9V內核，3.3V IO32位CPU,32位FPU,16*16 32

23、*32 乘法器6路DMA通道32位外部接口RAM,FLASH,可外擴Boot ROM88路復用IO128位加密鎖18路PWM輸出，6個事件捕捉器3個獨立32位定時器2路CAN,3路SCI,2路SPI,1路I2C16路12位80ns AD轉換器支持C/C+編程,低功耗模式第43頁，共50頁。第1.3節 選擇DSP芯片的原則設計DSP系統，首先應確定所設計DSP系統的性能指標，選擇合適的DSP芯片，不同的DSP應用系統由于應用場合、應用目的不盡相同，對DSP芯片的選擇也是不同的。第44頁，共50頁。第1.3節 選擇DSP芯片的原則1. 設計DSP系統應考慮的技術指標(1)由信號的頻率范圍確定系統的

24、最高采樣頻率(2)由采樣頻率、要進行的最復雜算法所需要時間來判斷系統能否實時工作(3)由以上因素確定何種類型的DSP芯片的指令周期可滿足需求；(4) 由數據量的大小確定所使用的片內RAM及需要擴展的RAM的大小；(5) 由系統所需要的精度來確定是采用定點運算還是浮點運算；(6) 根據系統是計算用還是控制用來確定I/O端口的需求。第45頁，共50頁。第1.3節 選擇DSP芯片的原則2. 選擇DSP需要考慮的因素(1)DSP芯片的運算速度： 指令周期(MOPS) MAC時間(MACS) FFT執行時間 MIPS BDTI Benchmark(2)DSP芯片的硬件資源。(3)DSP芯片的運算精度。(

25、4)DSP芯片的價格。(5)DSP芯片的開發工具。(6)DSP芯片的功耗。第46頁，共50頁。第1.3節 選擇DSP芯片的原則3.一般原則(1) 主流產品，在DSP市場上占較大的份額；(2) 用戶眾多，便于與他人交流；(3) 性能/價格比好。(4) 其他:除了上述因素外，選擇DSP芯片還應考慮到封裝的形式、質量標準、供貨情況、生命周期等。第47頁，共50頁。習題1.請詳細描述傳統的DSP芯片的主要結構特點。2.結合所在實驗室的某項目，做一篇DSP選型報告，要求有項目描述、重點問題、選型依據、性能比較等內容。(以下3和4任選一題即可）3. 目前數字信號處理應用的實現方案很多，主要采用包括： (1) DSP processors (2) FPGA: field programmable gate array (3) ASSP: application specific standard product (4) ASIC:application specific integrated circuit 請簡單描述(2)(3)(4)，并分別列舉出一個具體的芯片及其相應的應用實例。4. 目前數字信號處理器件(DSP)的發展趨勢主要包括： (1) 通過體系結構的改進大幅提升芯片的處理能力，并降低相應的處理功耗。 (2) 提供更高的單片集成度，包括提供更多的片上存儲器和外設等，以及集成協處理