第9章DSP技術(shù)及實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理

9DSP技術(shù)及實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理9.1DSP技術(shù)9.2雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理9.3DSP在電力電子的應(yīng)用9.1DSP技術(shù)一、DSP的分類二、DSP芯片的運(yùn)算速度三、TIDSP四、ADI高性能DSP一、DSP的分類二、DSP芯片的運(yùn)算速度運(yùn)算速度是DSP芯片的一個(gè)最重要的性能指標(biāo)，也是選擇DSP芯片時(shí)所需要考慮的一個(gè)主要因素。DSP芯片的運(yùn)算速度可以用以下幾種性能指標(biāo)來衡量：（1）指令周期：即執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間，通常以ns（納秒）為單位。如TMS320LC549－80在主頻為80MHz時(shí)的指令周期為125ns；（2）MAC時(shí)間：即一次乘法加上一次加法的時(shí)間。大部分DSP芯片可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成一次乘法和加法操作，如TMS320LC549－80的MAC時(shí)間就是125ns；（3）FFT執(zhí)行時(shí)間：即運(yùn)行一個(gè)N點(diǎn)FFT程序所需的時(shí)間。由于FFT運(yùn)算涉及的運(yùn)算在數(shù)字信號(hào)處理中很有代表性，因此FFT運(yùn)算時(shí)間常作為衡量DSP芯片運(yùn)算能力的一個(gè)指標(biāo)；（4）MIPS：即每秒執(zhí)行百萬條指令。如TMS320LC549－80的處理能力為80MIPS，即每秒可執(zhí)行八千萬條指令；（5）MOPS：即每秒執(zhí)行百萬次操作。如TMS320C40的運(yùn)算能力為275MOPS；（6）MFLOPS：即每秒執(zhí)行百萬次浮點(diǎn)操作。如TMS320C31在主頻為40MHz時(shí)的處理能力為40MFLOPS；（7）BOPS：即每秒執(zhí)行十億次操作。如TMS320C80的處理能力為2BOPS。

DSPMarketSharein2003TotalRevenue:6,130MillionUS-$C5000C6000C2000EfficientIntegrationforControlDSCPowerEfficientPerformanceDSPHighPerformance‘C’EfficiencyDSPTexasInstrumentsDSP/DSC-PortfolioTMS320–FamilyBranchesTexasInstruments’TMS320familyDifferentfamiliesandsub-familiesexisttosupportdifferentmarkets.LowestCostControlSystemsMotorControlStorageDigitalCtrlSystemsC2000C5000

EfficiencyBestMIPSperWatt/Dollar/SizeWirelessphonesInternetaudioplayersDigitalstillcamerasModemsTelephonyVoIPC6000MultiChannelandMultiFunctionApp'sCommInfrastructureWirelessBase-stationsDSLImagingMulti-mediaServersVideoPerformance&BestEase-of-UseControlPerformanceFutureofControl:ImprovedIndustrialDrive,ImprovedSystemDensityforONET,etc.Multi-Function,Appliance

&ConsumerControlF2801100MIPSF2806100MIPSF2808100MIPSSoftwareCompatibleF2810

150MIPSInSiliconAnnouncedHigh-PrecisionUni-processorControlforApplicationsfromIndustrialDrivestoAutomotiveC2810150MIPSC2811150MIPSC2812150MIPSSamplesDecember04Higherperformance

GreaterintegrationF2811

150MIPSF2812

150MIPSC24xF24xLC240xALF240xAR2811

150MIPSR2812

150MIPSRoadmapofTMS320C2000?DSC’sTIMERFlash

(words)ROM

(words)

RAM(words)CPUADCMcBSPEXMIFWatchDogSPISCI(UART)CANVolts(V)#I/OPackageResolutionCAP/QEPPWM(CMP)EventManager32bit32bit16bit16bit16bit16bit16bit 16bit 16bit 16bit 16bit 16bit 16bit 16bit16bit

18K18K 2.5K2.5K 1.0K 1.0K1.0K 2.5K 1.5K 5441.0K544 544 544 544

32K 16K 6K 8K 4K 128K 64K32K32K 16K8K 8K 8K 8K 16K

6/66/66/4 6/4 3/23/2 1/0 6/4 6/4 3/2 1/03/2 3/2 4/2 3/2

161616 168 87 16 16 8 788 128 774422 2 4 4 222 2 3 2

12-bit12-bit10-bit10-bit10-bit 10-bit 10-bit10bit 10-bit 10-bit 10-bit 10-bit 10-bit 10-bit 10-bit2211 111111 1 1 1 1 1 200ns200ns500ns500ns500ns 500ns500ns375ns 375ns 425ns 500ns900ns 900ns 6.1us 900ns1.8core1.8core3.33.33.3 3.3 3.3 3.3 3.3 3.3 3.35.0 5.0 5.0 5.0

3.3I/O3.3I/O 56 564141 21 21 13414121 1332 26 28 26176LQFP128LQFP144LQPF100LQPF64LQFP64PQFP32LQFP100LQFP 100LQFP 64PQFP 32LQFP144LQFP 64PQFP 132PQFP 64PQFP

179u*BGA 68PLCC 68PLCC

F2812F2810LF2407ALF2406ALF2403ALF2402A LF2401A LC2406A LC2404A LC2402ALC2401A F243F241 F240 C242Convtime#ofChan 16 1616168 8 5 16 16 85 8 8 16 8TIMERBootROM

(words)MIPS1501504040404040 40 40 40 40 2020 2020 4K 4K256256 256256 256

TIC2000:PortfolioforEmbeddedApplications三、TIDSP1、TMS320F2812高性能的靜態(tài)CMOS工藝，可使主頻達(dá)到150MHz（指令周期6.67ns）；低功耗設(shè)計(jì)（1.8V和3.3V供電）；高性能的32位CPU。實(shí)現(xiàn)16X16和32X32乘操作，快速的中斷操作，程序空間達(dá)4M，尋址空間達(dá)4G，在C/C++和匯編語(yǔ)言中代碼可得到優(yōu)化，還可向下兼容TMS320F24X/LF240X代碼；片上存儲(chǔ)器：閃存128K字，單訪問雙口RAM(SARAM)18K字；啟動(dòng)只讀存儲(chǔ)器ROM4K字，具有軟件啟動(dòng)模式包含標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)表；時(shí)鐘和系統(tǒng)控制采用鎖相環(huán)技術(shù)PLL來控制系統(tǒng)各模塊所需要的頻率；具有3個(gè)外部中斷和外圍中斷擴(kuò)展模塊PIE(PeripheralInterruptExpansion)，PIE可支持多達(dá)45個(gè)外部中斷；128位的代碼安全模塊CSM(CodeSecurityModule)，更好地保護(hù)了開發(fā)者的知識(shí)產(chǎn)權(quán)；具有3個(gè)32位的CPU定時(shí)器和適合電機(jī)控制的事件管理模塊EVA和EVB；具有很強(qiáng)的外圍通訊功能：同步串行口SPI，通用異步串行口SCI，增強(qiáng)的eCAN和多通道緩存串行口McBSP；多達(dá)16個(gè)通道、精度可達(dá)12位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC。C281xBlockDiagram32x32bitMultiplierSectoredFlashA(18-0)D(15-0)ProgramBusDataBusRAMBootROM2232-bitAuxiliaryRegisters332bitTimersRealtimeJTAGCPURegisterBusR-M-WAtomicALUPIEInterruptManager323232EventManagerAEventManagerB12-bitADCWatchdogMcBSPCAN2.0BSCI-ASCI-BSPIGPIO2、TMS320C3XTMS320C30采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)性能如下：指令周期33ns(66MHz)、60MFLOPS、33MIPS總線24bit地址，32bit數(shù)據(jù)／程序，擴(kuò)展總線14bit地址，32bit數(shù)據(jù)／程序；64×32bit指令Cache；16M片外存儲(chǔ)空間，數(shù)據(jù)程序混放，讀單周期，寫雙周期；片內(nèi)2K×32bit雙口RAM，可分兩組分別訪問；非標(biāo)準(zhǔn)32／40bit浮點(diǎn)格式；32／40bit浮點(diǎn)乘法器及ALU，32bit移位器；并行乘／累加操作；8個(gè)40bit數(shù)據(jù)寄存器，8個(gè)32bit輔助（尋址）寄存器；片內(nèi)DMA控制器；尋址：循環(huán)、位反序；單指令循環(huán)、程序塊循環(huán)；條件調(diào)用／返回；互鎖操作；2個(gè)串口；2個(gè)定時(shí)器；加載方式32bit；TI仿真接口（非JTAG）；軟／硬件等待狀態(tài)；外部中斷4個(gè)；

1024點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT：1.67ms；浮點(diǎn)求倒數(shù)1155ns；浮點(diǎn)求平方根倒數(shù)1287ns；封裝181PGA。

C31是C30的簡(jiǎn)易型，區(qū)別在于沒有擴(kuò)展總線，僅有1個(gè)串口，QFP132封裝，可用多種模式（8bit／16bit／32bit／串口）加載且可重定位中斷矢量表，而C30必須用32bit存儲(chǔ)器從0地址裝入初始化程序代碼。C32在C31的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，將片內(nèi)RAM從2K×32位減少為512×32位，同樣分成兩個(gè)256字存儲(chǔ)塊，也具有像C31一樣的多模式程序加載方法，此外在以下方面比C31有了增強(qiáng)和改進(jìn)：●條件調(diào)用／返回；●雙通道DMA控制器，支持8／16／32bit字寬的外部數(shù)據(jù)訪問方式和16／32bit字寬的外部程序訪問；●外部管腳PRGW區(qū)分16／32bit外部程序訪問；●兩個(gè)外存儲(chǔ)器選通信號(hào)STRBO、STRB1和一個(gè)I／O選通IOSTRB，分別對(duì)應(yīng)各種字寬、等待狀態(tài)、數(shù)據(jù)類型的三組總線控制寄存器；●兩種低功耗模式；●PQFP144封裝，40MHZ／50MHZ／60MHZ多種主頻。TI推出了TMS320VC33，VC33采用高達(dá)120MHZ或150MHZ的主頻，有120／150MFLOPS的峰值運(yùn)算能力，片內(nèi)1MbitRAM，程序代碼與先前的C3X完全兼容，VC33本身結(jié)構(gòu)功能也與C31兼容，采用3.3VI／O和1.8V處理器核使功耗降低到200mw，而C30／C31／C32的功耗在1.5～3W之間。TMS320C3X可以用與浮點(diǎn)乘／加相同的速度完成32bit定點(diǎn)乘／加，要注意的是32bit定點(diǎn)乘限制輸入數(shù)據(jù)為16bit（C32）或24bit（C30），結(jié)果取32bit。TMS320VC33的主要特點(diǎn)：●高性能浮點(diǎn)DSP13ns指令周期、150MFLOPS；●34K×32bit(1.1Mbit)片上雙口SRAM(216K+21K)、減少了外存（即減少了外部總線周期），速度等性能更高；●×5PLL允許外接低速晶振；●非常低的功耗（功耗200mW）和價(jià)格￥100●32bit高性能CPU、16/32整數(shù)、32/40浮點(diǎn)操作●4個(gè)內(nèi)部解碼頁(yè)選通與I/O及存儲(chǔ)器器件簡(jiǎn)單接口、減少了讀取時(shí)間●32bit位指令24bit位地址●8個(gè)可擴(kuò)展精密寄存器●1個(gè)串口、2個(gè)32bit定時(shí)器、DMA●協(xié)處理器協(xié)助I/O和CPU工作●144pin(LQFP)132pinPQFP●具有8個(gè)輔助寄存器的兩個(gè)地址產(chǎn)生器、兩個(gè)輔助寄存器算術(shù)單元●兩個(gè)低功耗模式●2或3操作數(shù)指令●并行算術(shù)邏輯單元和單周期乘法器●塊重復(fù)功能●帶單周期分支的零頂環(huán)、條件調(diào)用和返回、支持多處理器的互所指令●總線控制寄存器配置選通控制等待狀態(tài)產(chǎn)生●1.8V(Core)和3.3V(I/O)供電，C3X在1.5～3W之間?！馢TAG、更快且支持多片VC33（取代以前的MPSD仿真口）這種強(qiáng)大的硬件配置提供了以前單片難以獲得的性能。為什么要片內(nèi)RAM大的DSP效率高？目前DSP發(fā)展的片內(nèi)存儲(chǔ)器RAM越來越大，要設(shè)計(jì)高效的DSP系統(tǒng)，就應(yīng)該選擇片內(nèi)RAM較大的DSP。片內(nèi)RAM同片外存儲(chǔ)器相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：●片內(nèi)RAM的速度較快，可以保證DSP無等待運(yùn)行?！駥?duì)于C2000/C3x/C5000系列，部分片內(nèi)存儲(chǔ)器可以在一個(gè)指令周期內(nèi)訪問兩次，使得指令可以更加高效?！衿瑑?nèi)RAM運(yùn)行穩(wěn)定，不受外部的干擾影響，也不會(huì)干擾外部?！馜SP片內(nèi)多總線，在訪問片內(nèi)RAM時(shí)，不會(huì)影響其它總線的訪問，效率較高。

TMS320VC33部分原理圖3、TMS320C6701TMS320C6701是現(xiàn)今業(yè)界運(yùn)算速度最快性能最高的浮點(diǎn)DSP之一，其主要特性包括：時(shí)鐘主頻為167M（時(shí)鐘周期為6ns），最高6ns的指令周期，每個(gè)周期可同時(shí)執(zhí)行8條指令，高達(dá)1GFLOPS的運(yùn)行能力；硬件支持IEEE的單精度及雙精度指令；1Mbit的片內(nèi)SRAM，包括64KB的程序區(qū)和64KB的數(shù)據(jù)區(qū)；32位的外部存儲(chǔ)器接口提供與同步存儲(chǔ)器(SBSRAM、SDRAM)及異步存儲(chǔ)器(SRAM、EPROM)的無縫連接；由8個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算功能單元和32個(gè)32位的通用寄存器組成。運(yùn)算功能單元包括4個(gè)浮點(diǎn)的算術(shù)邏輯單元ALU，2個(gè)定點(diǎn)的ALU及2個(gè)浮點(diǎn)乘法器。TMS320C6701最突出的特點(diǎn)是采用了先進(jìn)的VLIW（甚長(zhǎng)指令字）CPU核結(jié)構(gòu)。通用寄存器分成A、B兩個(gè)寄存器文件。采用這種VLIW結(jié)構(gòu)，6701可以一次讀取8條32位的指令，將8條指令分配到8個(gè)不同的運(yùn)算單元同時(shí)運(yùn)算。這種片內(nèi)并行結(jié)構(gòu)是6701獲得高運(yùn)算能力的關(guān)鍵所在。另外，雖然6701一次同時(shí)讀取和執(zhí)行8條指令，但并不意味著一次同時(shí)執(zhí)行8條有效的指令。運(yùn)算單元、寄存器和內(nèi)存資源沖突以及指令間的上下文依賴關(guān)系都會(huì)阻礙有效指令的并行執(zhí)行。6701的運(yùn)行效率隨有效指令的并行程度的不同而不同，因此應(yīng)用程序編寫的好壞直接影響6701的運(yùn)行效率。

四、ADI浮點(diǎn)DSP在構(gòu)成多DSP方面，ADSPTigerSHARC系列處理器有其自身的優(yōu)勢(shì)。在用ADSPTigerSHARC處理器組成多DSP系統(tǒng)時(shí)，其本身就提供了實(shí)現(xiàn)互連所需的片內(nèi)總線仲裁控制和特有的鏈路口，可以以各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)互連DSP，滿足一些大運(yùn)算量的要求。盡管TI的DSP也可以互連，但是機(jī)制比較復(fù)雜。ADIDSP可以降低外圍設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。TS201S芯片(600MHz)主要性能指標(biāo)：運(yùn)行速度：1.67ns指令周期，每周期可執(zhí)行4條指令；DSP內(nèi)部有2個(gè)運(yùn)算模塊，支持的運(yùn)算類型有：32b和40b浮點(diǎn)運(yùn)算，8b、6b、32b及64b定點(diǎn)運(yùn)算；每秒可執(zhí)行12G次16b定點(diǎn)運(yùn)算或3.6G次浮點(diǎn)運(yùn)算次；采用單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)模式，可提供4.8G/s的40b

乘加運(yùn)算;外部總線DMA傳輸速率1.2GB/s(雙向)；

4個(gè)鏈路口(每個(gè)鏈路口提供1.2GB/s的傳輸速率，可同時(shí)進(jìn)行DMA傳輸)；用于通過共享總線提供無縫連接的片內(nèi)集成總線仲裁控制；片上SDRAM控制器，片上DMA控制器(提供14條DMA通道)；

1024點(diǎn)復(fù)FFT：15.7us；FIR（每階）：0.83ns。9.2雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理一、功能及算法二、結(jié)構(gòu)體系三、實(shí)現(xiàn)方法

一、功能及算法1、概述主要完成模