《DSP器件與應(yīng)用》-緒論

《DSP器件與應(yīng)用》-緒論第一頁，共54頁。緒論第二頁，共54頁。DSP技術(shù)DigitalSignalProcessing數(shù)字信號(hào)處理DigitalSignalProcessor數(shù)字信號(hào)處理器第三頁，共54頁。內(nèi)容簡介：

信號(hào)處理經(jīng)歷了模擬信號(hào)處理、經(jīng)典數(shù)字信號(hào)處理、現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理等歷程，現(xiàn)在已發(fā)展成先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。以數(shù)字信號(hào)處理器（DigitalSignalProcessor）為核心的技術(shù)已廣泛應(yīng)用于家用電器、辦公設(shè)備、便攜電子儀器、手持通信裝置、醫(yī)療電子設(shè)備、各類信號(hào)處理場合中。本課程以應(yīng)用廣泛的TI公司的廉價(jià)產(chǎn)品TMS320C2xx為例，對(duì)DSP及其應(yīng)用作一個(gè)一般性的介紹后，深入了解DSP的性能、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、用途及DSP軟硬件開發(fā)工具，實(shí)例介紹DSP芯片應(yīng)用方法。第四頁，共54頁。數(shù)字信號(hào)處理器DSP的發(fā)展

縱觀信號(hào)處理的歷程，早期的模擬信號(hào)處理工作始于60年代，該時(shí)期的產(chǎn)品特點(diǎn)是精度差、處理能力低、功能單一且價(jià)格高；70年代進(jìn)行的經(jīng)典DSP研究，主要用于數(shù)字濾波；80年代的研究被稱之為現(xiàn)代DSP，主要用于雷達(dá)、聲納、地震勘探和通訊等領(lǐng)域；到了90年代，已發(fā)展成為先進(jìn)的DSP技術(shù)，它的用途非常之廣。第五頁，共54頁。0.1數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)數(shù)字信號(hào)處理器（DigitalSignalProcessor，簡稱DSP）就是能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的器件專用數(shù)字信號(hào)處理器（屬于ASIC-專用集成電路）通用數(shù)字信號(hào)處理器（專門用于數(shù)字信號(hào)處理的特殊微處理器）IP核（IPcore）（用FPGA或其它可編程器件實(shí)現(xiàn)）第六頁，共54頁。專用DSP是為某一或某些特定功能而專門設(shè)計(jì)的器件(ASIC)，如FFT計(jì)算（Austek公司的A41102等）相關(guān)器/FIR濾波器（INMOS的A100等）特點(diǎn)：全部采用硬件處理，處理速度快，可與其他硬件或微處理器構(gòu)成高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)但功能單一，靈活性差，造價(jià)較高。除非在速度要求很苛刻的場合，否則一般很少使用第七頁，共54頁。IP核（IPcore）DSP把DSP器件的功能、結(jié)構(gòu)、行為等的硬件描述，通過編譯下載到FPGA或其它可編程器件中，形成具有ASIC特性的專用DSP器件按實(shí)現(xiàn)程度來分，IP核具有軟核（SoftCore）、固核（FirmCore）、硬核（HardCore）三種形式特點(diǎn)：高度并行性、速度快靈活的可配置特性，使得FPGA構(gòu)成的DSP系統(tǒng)非常易于修改、易于測試及硬件升級(jí)第八頁，共54頁。0.3通用DSP器件①DSP是一個(gè)微控制器（MC）、即一個(gè)單片機(jī)②它是一個(gè)高性能的MC③它很適合實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)處理和控制，是基于軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的第九頁，共54頁。0.3.1通用DSP器件的特點(diǎn)首先，DSP使用哈佛結(jié)構(gòu)或增強(qiáng)哈佛結(jié)構(gòu)其次，DSP使用流水線技術(shù)第三，DSP使用硬件乘法加法器（multiplier-accumulator，MAC）第四，DSP具有特殊的適用于數(shù)字信號(hào)處理的指令和快速尋址方式第五，DSP采用重復(fù)使用硬件的技術(shù)第六，DSP使用眾多性能優(yōu)良的片內(nèi)外設(shè)資源第十頁，共54頁。第十一頁，共54頁。DSP使用[增強(qiáng)]哈佛結(jié)構(gòu)通用型微處理器：馮。諾依曼結(jié)構(gòu)程序指令和數(shù)據(jù)共用一個(gè)存儲(chǔ)空間和單一的地址與數(shù)據(jù)總線DSP采用哈佛結(jié)構(gòu)或增強(qiáng)哈佛結(jié)構(gòu)將程序指令與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間分開，各有自己的地址與數(shù)據(jù)總線。這就使得處理指令和數(shù)據(jù)可以并行操作，從而大大提高了處理效率實(shí)現(xiàn)取指令和執(zhí)行指令的完全重疊，這是單周期指令的基礎(chǔ)相互獨(dú)立的總線連接不同的處理部件和模塊，在單個(gè)周期中完成多個(gè)操作，提高了DSP的并行處理能力第十二頁，共54頁。DSP使用流水線技術(shù)DSP采用流水線技術(shù)把指令的執(zhí)行分解為取指、譯碼、存取操作數(shù)、執(zhí)行等多個(gè)階段，每個(gè)階段由不同的硬件部件完成，各部件并行工作流水線技術(shù)允許DSP在一個(gè)運(yùn)行周期中執(zhí)行多個(gè)操作，如在流水作業(yè)中，取指、譯碼、存取操作數(shù)、執(zhí)行操作可以在一個(gè)周期內(nèi)重疊，結(jié)果，指令執(zhí)行可等效成在單個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成。流水線減少了指令的平均執(zhí)行時(shí)間，極大提高了處理速度。DSP的哈佛結(jié)構(gòu)為采用流水技術(shù)提供了方便。第十三頁，共54頁。流水線技術(shù)示意圖時(shí)鐘周期T1T2T3T4T5T6取指部件NN+1N+2N+3N+4N+5譯碼部件NN+1N+2N+3N+4存取操作數(shù)NN+1N+2N+3執(zhí)行部件NN+1N+2平均每個(gè)周期執(zhí)行一條指令第十四頁，共54頁。第十五頁，共54頁。DSP使用硬件乘法加法器（multiplier-accumulator，MAC）在數(shù)字信號(hào)處理算法中，乘法和累加是最基本的數(shù)量最大運(yùn)算，例如在數(shù)字濾波、FFT等算法中都有類似于∑[a(k)*X(n-k)]的運(yùn)算。DSP中設(shè)置了硬件乘法加法器，其結(jié)構(gòu)獨(dú)立而聯(lián)系密切，這使DSP在一個(gè)周期內(nèi)能完成一次加法和一次乘法運(yùn)算，即乘和累加可以在單個(gè)指令周期內(nèi)完成，極利于濾波、相關(guān)、矩陣及FFT等數(shù)字信號(hào)處理。第十六頁，共54頁。通用計(jì)算機(jī)的乘法用軟件實(shí)現(xiàn)的，用若干個(gè)機(jī)器周期。DSP中有硬件乘法器，用MAC指令(取數(shù)、乘法、累加)在單周期完成。第十七頁，共54頁。DSP具有特殊的適用于數(shù)字信號(hào)處理的指令和快速尋址方式如延遲分支等不破壞流水線的分支循環(huán)指令、單周期乘加指令、FFT必用的位反轉(zhuǎn)尋址及循環(huán)尋址指令、單（或塊）指令重復(fù)指令等，使DSP具有優(yōu)秀的性能，很適合實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)處理和控制。第十八頁，共54頁。DSP采用重復(fù)使用硬件的技術(shù)如多套總線和多個(gè)運(yùn)算單元等，這給DSP的并行操作創(chuàng)造條件，并行的運(yùn)算和并行的吞吐使速度成倍增加。第十九頁，共54頁。DSP使用眾多性能優(yōu)良

的片內(nèi)外設(shè)資源如模數(shù)接口、中斷控制器、DMA控制器、PWM接口、事件捕獲器，CAN總線，RAM和ROM/FLASH等，這使DSP可工作于單片模式，其性能、速度、體積、功耗等明顯優(yōu)化。且單獨(dú)的DMA總線及其控制器，在不影響或極小影響DSP處理速度的情況下，作并行的數(shù)據(jù)傳送，這為DSP多片應(yīng)用提供了方便。第二十頁，共54頁。獨(dú)立的DMA總線和控制器有一組或多組獨(dú)立的DMA總線，與CPU的程序、數(shù)據(jù)總線并行工作，在不影響CPU工作的條件下,DMA速度目前已達(dá)到800Mbytes/s第二十一頁，共54頁。CPU通用微處理器的CPU由ALU和CU組成，其算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，如加法需要10個(gè)機(jī)器周期，乘法是一系列的移位和加法，需要數(shù)十個(gè)機(jī)器周期。DSP的CPU設(shè)置硬件乘法器，可以在單周期內(nèi)完成乘法和加法。第二十二頁，共54頁。0.3.2通用DSP的發(fā)展事實(shí)上，隨著制造工藝的精進(jìn)，DSP器件在功耗、速度、處理能力、片內(nèi)資源（RAM、ROM/EPROM/FLASH、外設(shè)部件等）、編程仿真調(diào)試等方面已經(jīng)有了很大的發(fā)展。

第二十三頁，共54頁。DSP在功耗、速度、處理能力上的發(fā)展功耗：依賴低電壓供電和待機(jī)、休眠等降耗技術(shù)，DSP的功耗大幅下降，并得到有效的閑置抑制，典型的低功耗DSP工作時(shí)功耗在mW級(jí)，很利于便攜、掌上設(shè)備。速度：憑籍IC制造工藝的日益精細(xì)和內(nèi)外分離的時(shí)鐘技術(shù)，DSP的工作頻率大幅提高，速度已達(dá)到2400MIPS（兆指令每秒）/或1800MFLOPS（兆浮點(diǎn)運(yùn)算每秒）的能力，并還在提高。處理能力：借助集成度的提高，DSP內(nèi)部容納的并行和重復(fù)單元更多，而尋址方法的巧妙和片內(nèi)資源的高速處理能力，使DSP的總體處理能力飛速增加。

第二十四頁，共54頁。電子系統(tǒng)軟件化由于DSP性能和速度的飛速發(fā)展，原先只能靠硬件才能實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的處理系統(tǒng)在一個(gè)DSP里便能實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)了電子系統(tǒng)的軟件化發(fā)展。

第二十五頁，共54頁。DSP開發(fā)方法和工具的進(jìn)步DSP器件基本上采用JTAG（邊界掃描）接口和ISP（在系統(tǒng)編程）技術(shù)，這使得仿真調(diào)試和程序加載（固化）變得十分方便。硬件開發(fā)工具變得簡單，一種開發(fā)工具可以對(duì)相應(yīng)系列的不同DSP進(jìn)行仿真調(diào)試和編程。基于Windows的軟件開發(fā)系統(tǒng)也變得十分友好，從程序設(shè)計(jì)到DSP代碼生成乃至調(diào)試均可在集成環(huán)境中進(jìn)行，既直觀又便捷。第二十六頁，共54頁。常見的開發(fā)工具TI的CCS3.0以上版本：DSP程序開發(fā)和調(diào)試在不同系列芯片間統(tǒng)一起來；而RTDX（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換）插件和XDS560USB硬件仿真工具，則使調(diào)試工作變得更加理性和簡單ADI的VisualDSP++的軟件平臺(tái)也同樣出色新版本的Matlab軟件(Matlab7.0及以上版本)已經(jīng)集成了TI公司C2000、C5000、C6000系列DSP的開發(fā)工具包，可在Matlab/Simulink環(huán)境中用圖形化的方式進(jìn)行DSP的設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證第二十七頁，共54頁。0.3.3PC、MCU、DSP性能對(duì)比微機(jī)（PC）、單片機(jī)（MCU）、DSP均屬微型計(jì)算機(jī)（Micro-Computer）范疇，各自特點(diǎn)不同，使用法范圍也差別很大。第二十八頁，共54頁。微機(jī)一般指個(gè)人計(jì)算機(jī)（PersonalComputer），是一種通用設(shè)備，適合于科學(xué)計(jì)算、事務(wù)管理、圖形圖像顯示、網(wǎng)絡(luò)互連等各種處理，也可兼作多媒體設(shè)備，還可組成機(jī)群處理系統(tǒng)，具有很好的人機(jī)對(duì)話界面。

第二十九頁，共54頁。單片機(jī)也稱微控制器（Micro-Controller），是一種專用的、無界面的、作為工業(yè)設(shè)備、家用電器、或微機(jī)外部輔助設(shè)施等的簡單運(yùn)算和主要控制單元，一般以單片形式工作，必要時(shí)可外加其它硬件構(gòu)成較大的系統(tǒng)。單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)一般要借助于微機(jī)進(jìn)行程序編制，交叉匯編，軟硬件仿真和代碼下載等，因微機(jī)具有友好的可視化界面。

第三十頁，共54頁。DSPDSP則是一種適合于數(shù)字信號(hào)處理和高速控制的高性能單片機(jī)，擁有單片機(jī)具有的一切特性，還具有高速信號(hào)處理的能力?；谶@一原因，微機(jī)的處理器中一般都嵌入了DSP處理單元，用作多媒體擴(kuò)展（MMX）的加速設(shè)備。第三十一頁，共54頁。微機(jī)、單片機(jī)、DSP比較1指標(biāo)微機(jī)單片機(jī)DSP體系結(jié)構(gòu)Von.NEAMAMMHARVARDHARVARD時(shí)鐘頻率極高、內(nèi)外頻差別大較低極高、允許內(nèi)外頻差別運(yùn)算單元CPU（ALU、MMX單元）、數(shù)學(xué)協(xié)處理器ALU乘法加法器、ALU第三十二頁，共54頁。微機(jī)、單片機(jī)、DSP比較2指標(biāo)微機(jī)單片機(jī)DSP指令執(zhí)行超標(biāo)量流水線（復(fù)雜或精簡指令集）順序執(zhí)行（復(fù)雜或精簡指令集）流水線（單周期、復(fù)雜或精簡指令集）速度高低信號(hào)處理最高片內(nèi)資源CACHE在片外設(shè)、SRAMCACHE、在片外設(shè)、SRAM第三十三頁，共54頁。微機(jī)、單片機(jī)、DSP比較3指標(biāo)微機(jī)單片機(jī)DSPDMA能力外部支持無片內(nèi)DMAC中斷能力有有有數(shù)據(jù)類型定點(diǎn)/浮點(diǎn)定點(diǎn)定點(diǎn)/浮點(diǎn)外部存儲(chǔ)器各種DRAM低速SRAM高速SRAM并行能力有無有用途通用、可視化控制信號(hào)處理高速控制第三十四頁，共54頁。0.3.4DSP的應(yīng)用領(lǐng)域我國的DSP應(yīng)用現(xiàn)狀看，已由主要用于研究領(lǐng)域、高尖技術(shù)領(lǐng)域，發(fā)展到辦公、消費(fèi)等領(lǐng)域。DSP的主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：軍用領(lǐng)域、航空航天、雷達(dá)、聲納、地震、機(jī)器人、圖象處理、GPS、移動(dòng)/保密通訊、MODEM、視頻電話會(huì)議、控制系統(tǒng)、語音識(shí)別、多媒體、影音電子設(shè)備、醫(yī)療保健、高品質(zhì)智能化測量儀器儀表、乃至現(xiàn)代汽車工業(yè)等

第三十五頁，共54頁。信息化的基礎(chǔ)是數(shù)字化。數(shù)字化的核心技術(shù)之一是信號(hào)處理。數(shù)字信號(hào)處理的任務(wù)，特別是實(shí)時(shí)處理的任務(wù)，在很大程度上需要由DSP器件或以DSP為核心的ASIC來完成。DSP技術(shù)已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的并得到迅速發(fā)展的前沿技術(shù)。第三十六頁，共54頁。數(shù)字照相機(jī)第三十七頁，共54頁。數(shù)字相機(jī)框圖第三十八頁，共54頁。全球定位系統(tǒng)第三十九頁，共54頁。應(yīng)用從手持電話到移動(dòng)交換設(shè)備，DSP正大顯身手。而在傳統(tǒng)工業(yè)改造方面，DSP也很具有突破口：現(xiàn)很多中小企業(yè)設(shè)備老化，技術(shù)落后，產(chǎn)品合格率低，且適應(yīng)市場的產(chǎn)品更少，只有進(jìn)行設(shè)備的更新和現(xiàn)代化改造才能使傳統(tǒng)工業(yè)重現(xiàn)生機(jī)。在醫(yī)療電子設(shè)備方面，DSP的專長正好用于CT、B超、心電圖、腦電地形圖、核磁共振、病員監(jiān)護(hù)、胎兒監(jiān)視等醫(yī)療儀器上。在測量儀器儀表方面，DSP采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理方法為實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)智能化產(chǎn)品提供了良好的基礎(chǔ)。汽車工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域：隨著國產(chǎn)汽車性能逐步提高，作為輔助設(shè)施的相應(yīng)部件也應(yīng)得到加強(qiáng)，防撞、減震、降噪、節(jié)能、廢氣監(jiān)控等系統(tǒng)宜采用DSP來提高汽車質(zhì)量和檔次。第四十頁，共54頁。0.3.5DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)DSPS（DSP解決方案）國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀TI公司TMS320系列DSP及其開發(fā)平臺(tái)簡單DSPS單片DSP可以完成所有的系統(tǒng)工作復(fù)雜DSPS用FPGA等現(xiàn)場可編程邏輯器件和FPAD/FPMSD（模擬/混合信號(hào)現(xiàn)場可編程器件）作為DSP與外圍的橋梁，以簡化結(jié)構(gòu)、減小體積、提高可靠性第四十一頁，共54頁。DSP信號(hào)流圖第四十二頁，共54頁。0.3.6MATLAB在DSP應(yīng)用系統(tǒng)中的作用Matlab7.O以上版本已經(jīng)集成了TI公司C2000、C5000、C6000系列DSP的開發(fā)工具包，可在Matlab/Simulink環(huán)境中用圖形化的方式進(jìn)行DSP的設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證，并能將設(shè)計(jì)的圖形文件(．mdl)直接轉(zhuǎn)換成C語言程序。這使得系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì)大為簡化，甚至可以回避具體的DSP結(jié)構(gòu)，因?yàn)榕c硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)已由MATLAB來完成了。第四十三頁，共54頁。為什么要采用數(shù)字信號(hào)處理（1）靈活性模擬處理系統(tǒng):修改硬件設(shè)計(jì)，或調(diào)整硬件參數(shù)。數(shù)字處理系統(tǒng):改變軟件設(shè)置。例：模擬濾波器，數(shù)字濾波器，自適應(yīng)濾波器。第四十四頁，共54頁。為什么要采用數(shù)字信號(hào)處理（2）精度模擬系統(tǒng):元器件精度

數(shù)字處理系統(tǒng)：A/D的位數(shù)和計(jì)算機(jī)字長，算法。第四十五頁，共54頁。為什么要采用數(shù)字信號(hào)處理(3)可靠性和可重復(fù)性模擬系統(tǒng)：受環(huán)境溫度、濕度、噪聲、電磁場等的干擾和影響大。數(shù)字系統(tǒng)：可靠性和可重復(fù)性好。第四十六頁，共54頁?？乖肼暩蓴_第四十七頁，共54頁。為什么要采用數(shù)字信號(hào)處理（4）大規(guī)模集成模擬系統(tǒng)：盡管已有一些模擬集成電路，但是品種較少、集成度不高、價(jià)格較高。數(shù)字系統(tǒng)：DSP體積小、功能強(qiáng)、功耗小，一致性好、使用方便，性價(jià)比高。第四十八頁，共54頁。模擬信號(hào)是不可取代的(5)實(shí)時(shí)性模擬系統(tǒng):除開電路引入的延時(shí)外，處理是實(shí)時(shí)的。數(shù)字系統(tǒng):由計(jì)算機(jī)的處理速度決定。(6)高頻信號(hào)的處理(7)模擬與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換第四十九頁，共54頁。0.3.7DSP應(yīng)用系統(tǒng)的速度評(píng)價(jià)指標(biāo)

MIPS，百萬條指令/秒：定點(diǎn)DSP芯片運(yùn)算速度的衡量指標(biāo)指令周期：即執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，通常以ns（納秒）為單位。MOPS，百萬次操作/秒：這里的操作除了包括CPU操作外，還包括地址的計(jì)算、DMA訪問、數(shù)據(jù)傳輸、I/O操作電能。MOPS可以對(duì)DSP芯片的性能進(jìn)行綜合描述。MFLOPS，百萬次浮點(diǎn)操作/秒：浮點(diǎn)操作包括浮點(diǎn)乘法、加法、減法、存儲(chǔ)等操作。MFLOPA是表征浮點(diǎn)DSP芯片性能的重要指標(biāo)。MAC時(shí)間：執(zhí)行一次乘法和加法運(yùn)算所花費(fèi)的時(shí)間，