DSP處理器概述要點PPT課件

1、（3學(xué)時） 模擬與數(shù)字技術(shù)，采用數(shù)字技術(shù)的好處是什么？ 數(shù)字信號處理系統(tǒng)，為什么DSP處理器是實現(xiàn)數(shù)字信號處理的最佳選擇？ DSP處理器及其特點，DSP處理器與其他處理器的區(qū)別在哪里？ DSP處理器的分類，TI 系列DSP的發(fā)展與特點？ DSP嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，設(shè)計開發(fā)DSP系統(tǒng)的流程和工具情況是怎樣的？ 什么是DSP (1) Digital Signal Processing 數(shù)字信號處理 即數(shù)字信號處理，是指數(shù)字信號處理的理論和算法，例如濾波、 變換、卷積和頻譜分析等； (2) Digital Signal Processor 數(shù)字信號處理器 即數(shù)字信號處理器，是指實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法的微處

2、理器芯片， 它為數(shù)字信號的實時處理提供一個平臺。 模擬技術(shù)與數(shù)字技術(shù) 模擬技術(shù)數(shù)字技術(shù) 數(shù)字信號處理 數(shù)字技術(shù)的優(yōu)點 數(shù)字技術(shù)采用數(shù)字化方式對數(shù)據(jù)和信號進(jìn)行處理，這種處理一般由硬 件和軟件配合實現(xiàn)，由軟件實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)和信號處理，由硬件提供一個 軟件運行的系統(tǒng)平臺。 （1）能實現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜處理； （2）靈活性強： （3）可靠性高 （4）精度高 數(shù)字信號處理系統(tǒng) 放大與濾 波 采樣量化 D/A 濾波 數(shù)字信號處 理 D/A )(tx a )(tx )(nx )(nxd )(nyd )(ty )(ty a DSP 1023 45 6 0 )(tx )()(nTxnx 1023456 100 101

3、 110 011 010 110 101 100 011 010 100 101 110 011 010 1023456 010 011 100 101101 100 0 0 )(nx d )(ny d )(ty)(ty a 通用計算機(jī)的通用計算機(jī)的CPU：優(yōu)點是軟件豐富、編程實現(xiàn)較容易，缺點是不 易實時信號處理、無法嵌入式應(yīng)用。一般地，計算機(jī)的CPU由于成本 高、功耗大，因此只有在系統(tǒng)對體積、功耗和實時性要求不高的情況 下采用，并只適合于固定場合應(yīng)用。 數(shù)字信號處理系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的實現(xiàn) 單片機(jī)（MCU）：優(yōu)點是價格低廉和編程簡單，缺點是性能差、速 度慢。單片機(jī)一般應(yīng)用于控制領(lǐng)域，

4、這些領(lǐng)域的數(shù)字處理要求比較簡 單，數(shù)據(jù)量小。 專用集成電路（ASIC）：將特定的信號處理算法由一個集成電路來 實現(xiàn)，例如FFT專用集成電路芯片。這種方法的優(yōu)點是處理速度快、 系統(tǒng)規(guī)?；杀镜?，缺點是功能有限、系統(tǒng)靈活性差、開發(fā)成本高。 目前，采用專用集成電路的數(shù)字系統(tǒng)只適合處理任務(wù)不很復(fù)雜而要求 大批量生產(chǎn)的應(yīng)用情況。 數(shù)字信號處理系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的實現(xiàn) 可重構(gòu)系統(tǒng)（RCPS）：）： FPGA等現(xiàn)場可編程門陣列可以根據(jù)需要組 建不同的系統(tǒng)邏輯，但成本高只適合實現(xiàn)小規(guī)模簡單系統(tǒng)，不便于大 量應(yīng)用。 。 DSP處理器：DSP處理器是專門針對數(shù)字信號處理應(yīng)用而設(shè)計的微 處理器，在處理器結(jié)構(gòu)

5、和工作原理上采用乘法累加運算單元 （MAC）、多總線和多流水線作業(yè)，使得信號處理高效和靈活，并 且功耗低、便于嵌入式應(yīng)用。 數(shù)字信號處理系統(tǒng)的實現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的實現(xiàn) DSP處理器由于其高性價比而成為當(dāng)前數(shù)字信號處理系統(tǒng)設(shè)處理器由于其高性價比而成為當(dāng)前數(shù)字信號處理系統(tǒng)設(shè) 計中采用的主流處理器。計中采用的主流處理器。 DSP的發(fā)展的發(fā)展 1978年，美國英特爾（Intel）公司推出了2920。這款芯片將內(nèi)部信號處 理器和A/D、D/A集成在一個芯片中，但沒有硬件乘法器。 1979年，AMI公司發(fā)布了S2811，主要是作為其他微處理器的數(shù)字信號協(xié) 處理器。同年，貝爾實驗室（Bell Labs）發(fā)

6、布了第一個真正意義上的DSP 芯片MAC4。 1980年，日本NEC公司和AT&T公司在IEEE召開的國際固態(tài)電路會議上分別 推出了PD7720和DSP1，這兩款芯片得到了許多研究人員的推崇，在公共 電信網(wǎng)得到了一定的應(yīng)用。 1983年，美國德州儀器（TI）公司推出了具有里程碑意義的 TMS320C10，這款DSP字長為16比特，采用哈弗（Harvard）結(jié)構(gòu)， 有獨立的指令和數(shù)據(jù)存儲器，并且有一個特殊的指令集處理讀入累加、 乘加等運算，一個乘加運算的時間是390ns。當(dāng)時另一個比較成功的 DSP是Motorola的DSP5600。 1984年，AT&T公司推出DSP32，這是早期具備較高性能

7、的浮點DSP 芯片。 DSP的發(fā)展的發(fā)展 主要的DSP芯片制造商：美國德州儀器（TI）公司、美國飛思卡爾（FreeScale） 公司、 美國模擬器件（AD）公司以及日本電氣（NEC）公司。 DSP的特點的特點 （1）哈佛結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)使程序和數(shù)據(jù)空間彼此獨立。 （2）多總線結(jié)構(gòu)：可以保證在一個機(jī)器周期內(nèi)多次訪問程序空間和數(shù)據(jù)空間。 （3）支持流水線操作：采用流水線結(jié)構(gòu)，在程序運行過程中使取指、譯碼和 執(zhí)行等操作可以重疊進(jìn)行。 （4）硬件乘法器：配有硬件乘法器，與專用累加器一起構(gòu)成乘法累加運算單 元MAC，可在一個周期內(nèi)完成一次乘法和一次累加操作。 （5）并行執(zhí)行多個操作：DSP內(nèi)部一般都包括有

8、多個處理單元，如算 術(shù)邏輯運算單元(ALU)、輔助寄存器運算單元(ARAU)、累加器(ACC)以 及硬件乘法器(MUL)等，它們可以在一個指令周期內(nèi)同時進(jìn)行運算。 （6）快速的運算速度：TMS320C5416 的指令執(zhí)行速度可達(dá)到160 MIPS，或160MMACS，即每秒1.6億次乘法累加運算。而DaVinci芯片 TMS320DM6446更是達(dá)到了接近5000MMACS。 DSP的特點的特點 DSP的分類的分類 l 根據(jù)DSP芯片工作時的數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)格式劃分，可分為定點DSP芯片和浮點DSP 芯片兩大類， l 按照DSP芯片的字長字長劃分，可以分為16位、24位、32位DSP芯片。 l 根

9、據(jù)DSP芯片的用途用途分，可分為通用型DSP芯片和專用型DSP芯片。 l 按照不同生產(chǎn)廠家廠家的產(chǎn)品系列劃分，有TI公司的TMS320系列、AD公司 的ADSP21系列、AT&T公司的DSP16/32系列、Motorola公司的 MC5600/MC9600系列、NEC公司的PD77系列等。 DSP的性能指標(biāo)的性能指標(biāo) （1）計算速度：一般用MIPS、MFLOPS和MMACS表示。分別表示每秒 執(zhí)行的指令數(shù)、每秒執(zhí)行的浮點操作數(shù)和每秒執(zhí)行的乘法累加數(shù)。 （2）運算精度：一般由處理器的字長表示。定點DSP芯片字長一般為16 位，少數(shù)24位。浮點DSP芯片的字長一般為32位。 （3）硬件資源：DSP

10、芯片所提供的硬件資源，如片內(nèi)RAM、ROM的數(shù) 量，外部可擴(kuò)展的程序和數(shù)據(jù)空間，總線接口、I/O接口等。 （4）功耗：電源消耗量。一般移動和便攜式DSP設(shè)備對功耗要求較高， 選擇DSP芯片時一般采用低功耗芯片。 DSP的性能指標(biāo)的性能指標(biāo) u定點DSP芯片的價格較為便宜、功耗低，但運算精度稍低。 u浮點DSP芯片的優(yōu)點是運算精度高，C語言編程調(diào)試方便，但 價格稍貴，功耗也較大。 TIDSP概述概述 德州儀器的DSP芯片以TMS320表示，目前占有全球市場的50%。 TMS320C2000 TMS320C5000 TMS320C6000 OMAPDaVinci http:/ =11948&con

11、tentId=4600 （開放多媒體應(yīng)用平臺）（達(dá)芬奇平臺） C2000系列系列 被稱為數(shù)字信號控制器（DSC： Digital Signal Controller）。 LF240 x子系列：16位定點DSP、40MIPS，代表器件：TMS320LF2407 F280 x子系列：32位定點DSP、60100MIPS，代表器件：TMS320F2809 F281x子系列：32位定點DSP、150MIPS，代表器件：TMS320F2812 F282x子系列：32位浮點DSP、200300MFLOPS，代表器件：TMS320F28232 F283x子系列：32位浮點DSP、300MFLOPS，代表器件

12、：TMS320F2832 C2000系列系列 C2000系列系列 C2000應(yīng)用與特點應(yīng)用與特點 低價格、高性能，適用于控制領(lǐng)域，如工業(yè)自動化、汽車電子、電機(jī)控制、 家用電器和消費電子等領(lǐng)域。 （1）處理能力強。指令周期最短為25ns，運算能力達(dá)40MIPS以上。 （2）片內(nèi)FLASH或ROM。系統(tǒng)升級也比較方便。 （3）功耗低。在3.3V工作時每個MIPS消耗1.1mA電流，F(xiàn)280 x等系列內(nèi)核的工作電壓只 有1.8V，功耗更低。 （4）資源配置靈活。具有A/D和CAN模塊，容易與其他設(shè)備連接。 C5000系列系列 C54x子系列：16位定點DSP、100532MIPS 代表器件：TMS3

13、20VC5402、VC5416、VC5441 C55x子系列：16位定點DSP、300600MIPS 代表器件：TMS320VC5510、VC5509、VC5502 C54xARM7子系列：100MIPS，RISC頻率47.5MHz 代表器件：TMS320VC5470、VC5471 C55xARM9子系列：即OMAP芯片 代表器件：OMAP5910 （1）TMS320C54x （2）TMS320C55x C5000系列系列 TMS320C5416內(nèi)部結(jié)構(gòu) C5000系列系列 C5000系列DSP代碼上完全兼容，但C55x的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對C54x復(fù)雜，采用1個40位ALU和16位 ALU，2個乘加

14、器（MAC）和4個累加器，而C54x分別只有1個40位ALU、MAC和2個累加器。另 外，C55x的程序和地址總線也進(jìn)行了擴(kuò)展。 C5000應(yīng)用與特點應(yīng)用與特點 低功耗、高性能定點DSP，主要應(yīng)用在無線移動通信、程控交換機(jī)、調(diào)制 解調(diào)器和GPS、PDA。 （1）運算速度快。運算速度為100600MIPS。 （2）優(yōu)化的CPU結(jié)構(gòu)。內(nèi)部ALU，40位的累加器，1717位MAC和40位的桶形移 位器。 （3）低功耗方式?？稍?.3V、2.5V、1.8V甚至1.2V的低電壓下工作，C55x的待機(jī) 功耗只有0.12mW。 （4）智能外設(shè)。串行口和時分復(fù)用（TDM）串行口，自動緩沖串行口BSP和與外 部

15、處理器通信的HPI。 C6000系列系列 （1）C62x子系列：32位定點DSP、300600MMACS 代表器件：TMS320C6211，C6201 （2）C64x子系列：32位定點DSP，40009600MMACS 代表器件：TMS320C6416、C6424、C6455（1.2GHz） （3）C67x子系列：32位浮點DSP、5002400MMACS 代表器件：TMS320C6711、C6713、C6727 （4）C64x+ARM9子系列：即DaVinci芯片 代表器件：TMS320DM6446 一種高性能的DSP芯片 C6000系列系列 C6000系列系列 C6000應(yīng)用與特點應(yīng)用與特

16、點 面向視頻會議、高清晰數(shù)字電視、無線局域網(wǎng)、安防視頻監(jiān)控和核磁共振 （MRI）等需要大規(guī)模數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。 （1）運行速度快。運算能力普遍超越C5000，最高的C6455處理器時鐘頻率達(dá)到 1.2GHz，每秒執(zhí)行MAC運算達(dá)到 9600個。 （2）VelociTI超長指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)。在一條指令中組合了幾個執(zhí)行單元，可 在一個時鐘周期內(nèi)并行執(zhí)行多條指令。 （3）大容量的片內(nèi)存儲器和大范圍的尋址能力。 （4）智能外設(shè)。內(nèi)部集成了416個DMA接口，兩三個多通道緩存串口McBSP， 兩個32位計時器。 OMAP系列系列 （1）C55x +ARM9：400MIPS（DSP）+150MHz（AR

17、M9） 代表器件：OMAP5910、OMAP1610 （2）C55x +ARM11：440MIPS（DSP）+330MHz（ARM11） 代表器件：OMAP2420 （3）ARM+協(xié)處理器：200600MH z（ARM911、ARM Cortex）， GPRS/ISP/IVA/PowerVR 代表器件：OMAP750、OMAP2430、OMAP2431、OMAP3503 ARM+DSP，在具體應(yīng)用中把不同的任務(wù)交給適合的處理器來處理。 OMAP系列系列 OMAP系列系列 數(shù)字媒體、生物特征識別、定位服務(wù)、增強型游戲及遠(yuǎn)程通信，2.5G/3G 手持無線通信終端及 PDA 。 (1) 處理效率高。

18、DSP+ARM雙核結(jié)構(gòu)使整個芯片的處理效率和性能得到極大提升。 (2) 有效的開發(fā)環(huán)境。支持Microsoft Windows CE、Linux、Wind River VxWorks 等領(lǐng)先的操作系統(tǒng)及TI 的 DSP/BIOS實時可擴(kuò)展內(nèi)核。 (3) 豐富的外設(shè)。配備有多種極佳外設(shè)的片上系統(tǒng)功能，包括USB 1.1 、MMC/SD 卡接口、多通道緩沖串行端口、實時時鐘、GPIO 與 UART、LCD 接口、SPI等。 OMAP應(yīng)用與特點應(yīng)用與特點 DaVinci系列系列 （1）C64x/C643x+VICP：40007200MMACS 代表器件：DM647、DM648、DM6435、DM64

19、37 （2）C644x/C646x+ARM9+VICP： 4700 MMACS（DSP）+300MHz （ARM9） 代表器件：DM6441、DM6446、DM6467 （3）ARM9+VICP： 270MHz 代表器件：DM335、DM355 2005年，TI推出了新一代高性能DSP芯片TMS320DM6443、TMS320DM6446， 并命名為達(dá)芬奇（DaVinci）數(shù)字媒體處理器。 DaVinci一般構(gòu)成為 C64x DSP+ARM9+應(yīng)用軟件包。 DaVinci系列系列 DaVinci系列系列 DaVinci系列系列 多格式視頻安全設(shè)備、視頻電話、高清數(shù)字電視廣播通信系統(tǒng)，車用視覺系

20、統(tǒng) （車道偏離、避免碰撞）以及機(jī)器視覺系統(tǒng)、機(jī)器人技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、數(shù)碼相 機(jī)等 。 （1）整體性能高。 采用SOC技術(shù)，高性能C64x DSP與高端ARM內(nèi)核相結(jié)合。 （2）音視頻信號處理速度快。 高性能的C64x DSP和VPSS、VICP硬件子系統(tǒng)相 結(jié)合，各種音視頻信號編解碼速度很快。 （3）片上外設(shè)豐富。 音視頻I/O接口，10/100 以太網(wǎng)、UART、I2C、SPI、 GPIO、McBSP 和PWM 等。 （4）豐富的開發(fā)工具與環(huán)境：Linux、WinCE操作系統(tǒng)、音視頻處理API等。 基于基于DSP的嵌入式系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是指應(yīng)用軟件與硬件一體化的系統(tǒng)，具

21、有體積小、軟 件代碼精煉、高度自動化、響應(yīng)速度快等特點，特別適合于要求 實時多任務(wù)處理的應(yīng)用場合。 DSP嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)一般有主從方式和獨立運行方式兩種類型，前 一種方式一般作為一個子處理系統(tǒng)協(xié)助主系統(tǒng)完成一些復(fù)雜信號處 理任務(wù)，后一種方式則完全獨立。 DSP嵌入式系統(tǒng)設(shè)計流程嵌入式系統(tǒng)設(shè)計流程 需求分析 可行性分析 信號分析 算法分析與設(shè)計 資源分析 硬件結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計 軟件設(shè)計與調(diào)試 系統(tǒng)集成與綜合調(diào)試 系統(tǒng)設(shè)計的最終目標(biāo)不僅是實現(xiàn)系統(tǒng)功能， 而且要盡量做到結(jié)果精確、效率高、資源消耗 少。 DSP應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計包括硬件子系統(tǒng)設(shè)計 和軟件子系統(tǒng)設(shè)計兩大部分。這兩部分的設(shè) 計并非

22、完全獨立，而是需要協(xié)調(diào)綜合考慮。 開發(fā)工具與實驗平臺開發(fā)工具與實驗平臺 開發(fā)工具提供系統(tǒng)開發(fā)的便利性，可以加快設(shè)計開發(fā)系統(tǒng)的進(jìn)程，而實驗平 臺則可以提供一種測試系統(tǒng)的環(huán)境。 CCS（Code Composer Studio） 菜單欄 工具欄 狀態(tài)欄 工作區(qū)窗口 輸出窗口 工具欄 工程窗口 TMS320C5416 DSK SEED5416 DTK DSP嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 移移 動動 電電 話話 DSP嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 BroadbandCommunications Wireless3GBaseStations MedicalImaging DSP嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)應(yīng)

23、用 軟件無線電軟件無線電 遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng) DSP嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 USB BatteryWiFi BT GPS beagle DSP嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 SD 4GB DSP嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 DigitalVideo Recorder/Server ConvergedDevices Digital StillCameras IPphones Wireless Infrastructure Smartphones Broadband DiskDrives DigitalMotorControl 3GWireless Bluetooth VoIPGateway DigitalTV PDAs DigitalRadio WirelessLANs Digital Camcorders DigitalAudio DSP DSP嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 蘇州大學(xué)蘇州大學(xué)TIDSP