DSP與嵌入式處理器基礎(chǔ)及ADI-DSP介紹解讀課件

MaikelKokaly-BannourahHarryWeiADI公司處理器-DSP核心產(chǎn)品與技術(shù)部門2012年03月DSP與嵌入式處理器

基本原理數(shù)字信號(hào)處理簡介“世界是數(shù)字的，你只需要以足夠高的采樣速率將其數(shù)字化”

——海森堡（其實(shí)，這不是他的原話……）2這句話要表達(dá)的意思是：“DSP”可以表達(dá)不同的含義：“數(shù)字信號(hào)處理”“數(shù)字信號(hào)處理器”數(shù)字信號(hào)處理可通過以下器件完成：數(shù)字信號(hào)處理器例如ADI的SHARC和Blackfin微處理器例如ARM專用硬件加速器例如專用視頻編碼器和解碼器本教程將介紹：數(shù)字信號(hào)處理的基本原理數(shù)字信號(hào)處理器簡介ADI公司的處理器-DSP產(chǎn)品3模擬與數(shù)字采樣4數(shù)字采樣5能否恢復(fù)原始信號(hào)？6能否恢復(fù)原始信號(hào)？7能否恢復(fù)原始信號(hào)？8能否恢復(fù)原始信號(hào)？9能否恢復(fù)原始信號(hào)？10數(shù)字采樣

3種不同頻率，采樣結(jié)果相同11數(shù)字采樣

一旦采樣，信息就會(huì)丟失12奈奎斯特準(zhǔn)則帶寬為fa的信號(hào)必須以fs>2fa的采樣速率進(jìn)行采樣，否則信息會(huì)丟失只要fs<2fa，就會(huì)發(fā)生混疊131fs輸入=fa混疊信號(hào)=fs–fa

注意：fa略小于fst現(xiàn)在，我們已經(jīng)得到了數(shù)字信號(hào)，

接下來該怎么做呢？14模擬信號(hào)的數(shù)字采樣數(shù)字濾波——傳統(tǒng)DSP信號(hào)鏈BPF或LPFN位ADCN位DACDSPfafsfsBPF或LPFAt大多數(shù)DSP算法都可以用MAC表示：15FIR——有限脈沖響應(yīng)濾波器輸出16每個(gè)輸出需要N位乘法累加3抽頭FIR示例：需要3個(gè)樣本的存儲(chǔ)器FIR——有限脈沖響應(yīng)濾波器輸出17每個(gè)輸出需要N位乘法累加3抽頭FIR示例：需要3個(gè)樣本的存儲(chǔ)器FIR——有限脈沖響應(yīng)濾波器輸出18每個(gè)輸出需要N位乘法累加3抽頭FIR示例：需要3個(gè)樣本的存儲(chǔ)器IIR——無限脈沖響應(yīng)濾波器和FIR一樣，但是有無限多個(gè)抽頭即使對(duì)當(dāng)今的技術(shù)而言，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無限多次倍乘與無限多個(gè)樣本的存儲(chǔ)器也很有難度所以我們采用了特別的方法！——我們采用了反饋，這樣系統(tǒng)就能“記住”并使用無限多個(gè)之前的輸入所有常見的模擬問題都適用——穩(wěn)定性、相位失真、紋波等。19其它典型的數(shù)字信號(hào)處理算法自適應(yīng)性濾波離散傅里葉、余弦、小波、Hadamard變換控制系統(tǒng)糾錯(cuò)加密數(shù)據(jù)壓縮（無損和有損）音頻與視頻標(biāo)準(zhǔn)編解碼器(MP3、JPEG、MPEG、H.264)20為什么要對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理？21數(shù)字與模擬濾波數(shù)字濾波器線性相位（FIR濾波器）不存在由于元件變化引起的漂移可實(shí)現(xiàn)靈活的自適應(yīng)性濾波易于使用存儲(chǔ)器（對(duì)2D濾波器而言是必需的）計(jì)算必須在采樣周期內(nèi)完成——限制實(shí)時(shí)操作需要ADC、DAC和信號(hào)處理數(shù)學(xué)引擎易于更改（軟件中）可重復(fù)對(duì)RF濾波器而言較難，且效率低下模擬濾波器非線性相位存在由于元件變化引起的漂移難以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)性濾波器不易使用存儲(chǔ)器高頻及抗混疊濾波器需要模擬濾波器無需ADC、DAC或信號(hào)處理數(shù)學(xué)引擎更改時(shí)需要修改電路再生產(chǎn)高階濾波器的代價(jià)昂貴對(duì)RF濾波而言較為容易22模擬與數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)對(duì)比230–40–20–60–80–1000–40–20–60–80–100012345012345模擬濾波器數(shù)字濾波器dBdB頻率(kHz)頻率(kHz)實(shí)時(shí)信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理；ADC/DAC采樣頻率限制信號(hào)帶寬（別忘了奈奎斯特?。〢DC/DAC分辨率/性能限制信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍DSP處理器速度限制可用的數(shù)字處理量：實(shí)時(shí)操作時(shí)，所有的DSP計(jì)算都必須在采樣間隔1/fs期間完成！別忘了模擬信號(hào)處理高頻/RF濾波、調(diào)制、解調(diào)采用ADC和DAC的模擬抗混疊和重構(gòu)濾波器24數(shù)字信號(hào)處理器

簡介25信號(hào)處理性能(MMAC)細(xì)分市場(chǎng)各細(xì)分市場(chǎng)的可編程處理要求電力線監(jiān)控電機(jī)控制ECG血糖監(jiān)控器活動(dòng)監(jiān)控器便攜式超聲系統(tǒng)脈搏血氧儀呼吸遠(yuǎn)程醫(yī)療消費(fèi)者測(cè)試數(shù)字X射線輸液泵工業(yè)與儀器儀表醫(yī)療保健汽車電子通信與基礎(chǔ)設(shè)施消費(fèi)電子基站微控制器可編程DSP加速器、FPGA處理器陣列超聲斷層掃描太陽能駕駛員輔助系統(tǒng)音頻發(fā)動(dòng)機(jī)控制音響主機(jī)信息娛樂系統(tǒng)音頻PLC

UPSAVR主動(dòng)安全系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器網(wǎng)真雷達(dá)1K110010K視頻聲納軍事無線電DSCVOIP電話機(jī)器視覺VOIP網(wǎng)關(guān)智能電話視頻監(jiān)控.110100K什么是DSP？DSP是一種針對(duì)典型實(shí)時(shí)信號(hào)處理應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的微處理器能夠盡快計(jì)算算法能夠盡快傳輸數(shù)據(jù)27什么是DSP？DSP是一種針對(duì)典型實(shí)時(shí)信號(hào)處理應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的微處理器能夠盡快計(jì)算算法能夠盡快傳輸數(shù)據(jù)速度！28DSP與微控制器DSP架構(gòu)Harvard架構(gòu)獨(dú)立程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間專用硬件乘法器單周期MAC高效計(jì)算所需存儲(chǔ)器較小代數(shù)（類似于C）匯編語言高級(jí)控制特性 微處理器架構(gòu)馮?諾依曼架構(gòu)共用程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間用軟件完成乘法計(jì)算多個(gè)周期需要大量存儲(chǔ)器空間基于助記符的匯編語言29存儲(chǔ)器：數(shù)據(jù)與指令數(shù)據(jù)總線地址總線CPU

PM數(shù)據(jù)總線PM地址總線

DM數(shù)據(jù)總線DM地址總線程序存儲(chǔ)器：指令與數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：僅限數(shù)據(jù)指令緩存CPU控制器分析流程的轉(zhuǎn)移和變化通常出現(xiàn)在控制應(yīng)用中較短的流水線和分支預(yù)測(cè)可以提供幫助高性能緩存指令和數(shù)據(jù)緩存廣泛用于管理通過較大、較慢的外部存儲(chǔ)器進(jìn)行的訪問字節(jié)可尋址性適合于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用存儲(chǔ)器保護(hù)和轉(zhuǎn)換按最小尺寸編碼的最常用指令，提高了代碼密度支持堆疊和幀指針支持操作系統(tǒng)的用戶和管理員模式DSP分析定點(diǎn)和/或浮點(diǎn)數(shù)學(xué)，在單周期內(nèi)計(jì)算乘法器、ALU、轉(zhuǎn)換器可選特殊指令處理與通信、視頻等相關(guān)的任務(wù)多內(nèi)核資源可訪問數(shù)據(jù)大量數(shù)據(jù)和地址寄存器大累加器寄存器可保存結(jié)果高頻運(yùn)算十分重要，但以下特性也很典型每個(gè)內(nèi)核周期可以完成多個(gè)運(yùn)算計(jì)算、數(shù)據(jù)訪問和地址更新較深的流水線有利于提高速度，但不利于流程改變零開銷循環(huán)用于循環(huán)緩沖和FFT位反轉(zhuǎn)的DSP尋址快速確定性中斷服務(wù)程序高速外設(shè)、定時(shí)器和實(shí)時(shí)預(yù)算驅(qū)動(dòng)要求當(dāng)處理器處理其它任務(wù)時(shí)，DMA控制器可以轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器帶有存儲(chǔ)庫的單周期內(nèi)部存儲(chǔ)器，可以實(shí)現(xiàn)同步DMA與內(nèi)核訪問DSP中最基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算：乘積和數(shù)字濾波數(shù)據(jù)樣本乘以濾波器系數(shù)得出的值增加至累加器重復(fù)N次DSP要求：快速乘法累加擴(kuò)展精度（累加器寄存器）雙取操作數(shù)循環(huán)緩沖零開銷循環(huán)單周期執(zhí)行：從存儲(chǔ)器中取指令、數(shù)據(jù)樣本和系數(shù)執(zhí)行乘法累加更新指針32y(n)=h(0)?x(n)+h(1)?x(n–1)+...+h(N–1)?x(n–N)數(shù)學(xué)基本式大多數(shù)DSP算法的基本問題乘法與累加(MAC)運(yùn)算y:=0;FORn:=0TON-1DOy:=y+a[n]·x[n];16位微控制器如何進(jìn)行處理？

R0=數(shù)值

R1=常數(shù)

R2=1024

R3=0

R4=0

R5=0循環(huán)： movR6,[R0]

movR7,[R1]

addR0,#2

addR1,#2

muluR6,R7

addR3,MDL

addcR4,MDH

addcR5,#0

subR2,#1

jmpcc_NZ,loop乘法要求多個(gè)周期循環(huán)控制需要兩個(gè)周期的開銷顯式地址指針增量

（基于字節(jié)）數(shù)據(jù)加載需要顯式移動(dòng)指令

（馮?諾依曼）用于累計(jì)的額外周期地址指針累計(jì)寄存器循環(huán)計(jì)數(shù)器DSP(Blackfin)如何進(jìn)行處理？

I0+=4||R2.H=W[I2--]; //調(diào)整指針

R2.H=W[I2++]||R1=[I0]; //取數(shù)據(jù)

R0=[P0++]; [I0++]=R0||R2.L=W[I2++]; LSETUP(E_MAC_ST,E_MAC_END)LC1=P2>>1; E_MAC_ST: A1+=R0.L*R2.H,A0+=R0.L*R2.L||R2.L=W[I2++]||R0=[I1--];E_MAC_END: A1+=R0.H*R2.L,A0+=R0.H*R2.H||R2.H=W[I2++]; R3.H=(A1+=R0.L*R2.H),R3.L=(A0+=R0.L*R2.L)||R0=[P0++]||R1=[I0]; [I3++]=R3; 35注意：示例代碼不完整——僅作為示例提供支持零開銷HW循環(huán)單周期MAC和具有自動(dòng)指針更新功能的兩次數(shù)據(jù)加載存儲(chǔ)最終濾波輸出36“DSP”MAC引擎R0R1YYCxnnnn+=+1*

R1

R01個(gè)周期AOA0ADI公司的

處理器-DSP37醫(yī)療病人監(jiān)護(hù)超聲脈搏血氧儀ECG消費(fèi)電子/通信AVR家庭影院數(shù)字廣播互聯(lián)網(wǎng)廣播無線耳機(jī)/耳機(jī)組合專業(yè)音頻汽車電子放大器ADAS信息娛樂系統(tǒng)音響主機(jī)工業(yè)和

儀器儀表控制數(shù)據(jù)采集測(cè)試與測(cè)量電機(jī)控制智能儀表安防和監(jiān)控軍用和航空航天產(chǎn)品ProductTypeApplicationspecific(ASSP)BroadmarketSoftware&AlgorithmsSystems&softwareexpertiseTargetedDSPhardwareacceleratorsTools/PlatformsincludingleveragingopensourceandthirdpartiesCoreTechnologyArchitecture:SHARCandBlackfinCoreagnosticinfrastructureModernandenhancedperipheralsSynthesizableplatformPDSP產(chǎn)品技術(shù)38ADI公司的處理器-DSP系列產(chǎn)品Blackfin?處理器16位雙MAC定點(diǎn)DSP性價(jià)比出色1.99美元起單核性能高達(dá)600MHz/1.2GMAC單核或雙核產(chǎn)品低功耗與動(dòng)態(tài)電源管理100MHz時(shí)為28mW支持DSP和微控制器功能具備強(qiáng)大連接能力的豐富DSP產(chǎn)品USB、以太網(wǎng)、RSI、NAND、CAN、MOST系統(tǒng)級(jí)封裝集成選項(xiàng)混合信號(hào)與FlashSHARC?處理器雙MAC浮點(diǎn)DSP性價(jià)比出色的浮點(diǎn)DSP產(chǎn)品5美元起雙MAC性能高達(dá)450MHz硬件加速器特別適合對(duì)絕對(duì)精度和動(dòng)態(tài)范圍有要求的應(yīng)用具有出色的內(nèi)核與存儲(chǔ)器性能優(yōu)異的I/O吞吐能力高速處理器間通信可配置應(yīng)用I/O接口豐富的DSP產(chǎn)品39BF561BF609BF608BF607BF606BF592BF514BF516BF518BF522BF524BF526BF512BF531BF532BF534BF535BF536BF523BF525BF527BF538BF539BF537BF533BF542BF544BF547BF548BF549低功耗待機(jī)Lockbox?安全功能系統(tǒng)集成

（Flash、混合信號(hào)）多核600MHz選項(xiàng)最低的BOM成本基礎(chǔ)連接系統(tǒng)級(jí)

連接能力提供汽車應(yīng)用級(jí)產(chǎn)品。價(jià)值與更低功耗更高性能BF504BF504FBF506FUSB2.0OTG以太網(wǎng)MACBlackfin處理器系列40SHARC處理器系列2126621362213632136421368213692136521366213672148321486214872148821489214671ADSP-21363、21364和21366不含硬件加速器。

提供汽車應(yīng)用級(jí)產(chǎn)品。214692126121262213712137512147821479更高性能專用外設(shè)可配置應(yīng)用I/O接口低成本ROM含音頻解碼器硬件加速器高速處理器間

通信（鏈路端口）性能>2GFLOPS11未來低功耗414242ADI公司開發(fā)工具ADI公司的開發(fā)工具產(chǎn)品系列CROSSCORE?旨在為工程師提供簡便、可靠的方法來開發(fā)和優(yōu)化系統(tǒng)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，加速產(chǎn)品上市。CROSSCORE包括：VisualDSP++?IDDE一套簡便易用的項(xiàng)目管理工具，包括 集成式開發(fā)和調(diào)試環(huán)境， 使編程人員能夠通過單一接口 在編輯、構(gòu)建與調(diào)試之間輕松轉(zhuǎn)換提供90天免費(fèi)VisualDSP++評(píng)估許可評(píng)估套件——EZ-Board?和EZ-KITLite?使工程師可以采用任何一款

Blackfin和SHARC產(chǎn)品輕松評(píng)估和開發(fā)USBJTAGICE仿真器EZ-Extender?子板憑借EZ-Extender子板，開發(fā)人員可以評(píng)估 各種外設(shè)4343Blackfin和SHARC軟件模塊Blackfin和SHARC處理器的音頻和視頻算法這些模塊經(jīng)過高