實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理與DSP芯片31張ppt課件

1、DSP 原理及應(yīng)用什么是什么是DSP芯片芯片 DSP ： Digital Signal ProcessingDSPs:Digital Signal processors內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)；具有專門的硬件乘法器；廣泛采用流水線操作；提供特殊的DSP 指令； 適用于快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。 實(shí)時(shí)性的要求一）： 系統(tǒng)必須在有限的時(shí)間內(nèi)對(duì)外部輸入信號(hào)完成指定的操作，即信號(hào)的處理速度必須大于或等于信號(hào)的輸入速度。 IP電話voice over IP） 電動(dòng)機(jī)方向舵實(shí)時(shí)性的要求二）從信號(hào)輸入到結(jié)果輸出的延遲必須足夠小，即響應(yīng)時(shí)間滿足系統(tǒng)的要求。醫(yī) 療 診 斷 為什么要用DSP芯片，而不

2、是模擬器件來對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理？ 模擬電路的性能要取決于溫度等環(huán)境因素。而數(shù)字濾波器則基本上不受環(huán)境的影響。 DSP易于在非常小的寬容度內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)槠湫阅懿⒉蝗Q于性能離散的器件組合。 一個(gè)模擬電路一旦制造出來，其特性例如通帶頻率范圍是不容易改變的。使用DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理，就可以通過對(duì)其重新編程來改變系統(tǒng)的特性。 信 號(hào) 處 理 方 式 的 比 較比較因素模擬方式數(shù)字方式修改設(shè)計(jì)的靈活性修改硬件設(shè)計(jì)，或調(diào)整硬件參數(shù)改變軟件設(shè)置精度元器件精度A/D的位數(shù)和計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)，算法可靠性和可重復(fù)性受環(huán)境溫度、濕度、噪聲、電磁場(chǎng)等干擾和影響大不受這些因素的影響大規(guī)模集成盡管已有一些模擬集成電路，但品種較

3、少、集成度不高、價(jià)格較高DSP器件體積小、功能強(qiáng)、功耗小、一致性好、使用方便、性能/價(jià)格比高 實(shí)時(shí)性除開電路引入的延時(shí)外，處理是實(shí)時(shí)的 由計(jì)算機(jī)的處理速度決定高頻信號(hào)的處理可以處理包括微波毫米波乃至光波信號(hào)按照奈準(zhǔn)則的要求，受S/H、A/D和處理速度的限制能夠進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的能夠進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的CPU通用處理器（GPP）采用馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間合二而一 8-bit Apple（6502），NEC PC-8000（Z80） 8086/286/386/486/Pentium/Pentium II/ Pentium III PowerPc 64-bit CPU（SUN Sparc

4、，DEC Alpha, HP） CISC 復(fù)雜指令計(jì)算機(jī), RISC 精簡(jiǎn)指令計(jì)算機(jī) 采取各種方法提高計(jì)算速度，提高時(shí)鐘頻率，高速總線，多級(jí)Cashe，協(xié)處理器等 Single Chip Computer/ Micro Controller Unit（MCU）具有通用CPU所具有的ALU和CU，還有存儲(chǔ)器（RAM/ROM）寄存器，時(shí)鐘，計(jì)數(shù)器，定時(shí)器，串/并口，有的還有A/D，D/A INTEL MCS/48/51/96（98） MOTOROLA HCS05/011 ARM 7，9，DSP采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)分開存儲(chǔ) 采用一系列措施保證數(shù)字信號(hào)的處理速度，如對(duì)FFT的專門優(yōu)化 DSPDSP

5、與通用處理器的比較與通用處理器的比較 1 對(duì)密集的乘加法運(yùn)算的支持對(duì)密集的乘加法運(yùn)算的支持2 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)3 零開銷循環(huán)零開銷循環(huán)4 定點(diǎn)，浮點(diǎn)計(jì)算定點(diǎn)，浮點(diǎn)計(jì)算6 執(zhí)行時(shí)間的預(yù)測(cè)執(zhí)行時(shí)間的預(yù)測(cè)5 專門的尋址方式專門的尋址方式8 開發(fā)工具的要求開發(fā)工具的要求7 多處理器接口多處理器接口9 JTAGJoint Test Action Group標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試接口標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試接口IEEE 1149標(biāo)準(zhǔn)接口）標(biāo)準(zhǔn)接口）DSP芯片的第一步芯片的第一步 1978 AMI公司 1979 美國Iintel公司第一個(gè)單片DSP芯片。但是這兩種芯片內(nèi)部都沒有現(xiàn)代DSP芯片所必須的單周期指令功能。 1980年。日本

6、NEC公司 PD7720 第一個(gè)具有乘法器的商用DSP 芯片。 1982 日本Hitachi 公司 浮點(diǎn)DSP芯片CMOS工藝）。 1983 日本Fujitsu公司 指令周期120ns ，雙內(nèi)部總線 第一個(gè)高性能的浮點(diǎn)DSP芯片應(yīng)是AT&T公司于1984年推出的DSP32。 第一代 （1982） TMS320C1x；第二代 TMS320C2x；第三代 TMS320C3x；第四代 TMS320C40/C44；第五代 TMS320C50/C51/C52/C53；第六代 TMS320C6000；還有多種不同領(lǐng)域的DSP芯片P13 圖1.1 ）目前最成功：美國德克薩斯儀器公司Texas Ins

7、truments，TI）發(fā)展趨勢(shì)從運(yùn)算速度來看，MAC一次乘法和一次加法時(shí)間已經(jīng)從80年代初的400ns如TMS32019降低到40ns如TMS32C40），處理能力提高了10多倍。內(nèi)部關(guān)鍵的乘法器部件從1980年的占模區(qū)的40左右下降到5以下，片內(nèi)RAM增加一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。從制造工藝來看，1980年采用4的N溝道MOS工藝，而現(xiàn)在則普遍采用亞微米CMOS工藝。引腳數(shù)量從1980年的最多64個(gè)增加到現(xiàn)在的200個(gè)以上，引腳數(shù)量的增加，意味著結(jié)構(gòu)靈活性的增加。DSP芯片的發(fā)展，使DSP系統(tǒng)的成本、體積、重量和功耗都有很大程度的下降。 DSP廠商的芯片一） 公司公司/名稱名稱芯片芯片/核核定點(diǎn)定點(diǎn)

8、/浮浮點(diǎn)點(diǎn)字長(zhǎng)字長(zhǎng)(bits)指令長(zhǎng)度指令長(zhǎng)度(bits)鐘頻鐘頻(MHz)DSP GroupPineDSPCoreCoreFixed161640OakDSPCoreCoreFixed161680TeakDSPCoreCoreFixed1616130PalmDSPCoreCoreFixed16/20/2416/32150ARMPiccoloCoreFixed1616/3270Hitachi SH-DSPChipFixed1616/3266DSP廠商的芯片二）公司公司/名稱名稱芯片芯片/核核定點(diǎn)定點(diǎn)/浮點(diǎn)浮點(diǎn)字長(zhǎng)字長(zhǎng)(bits)指令長(zhǎng)度指令長(zhǎng)度(bits)鐘頻鐘頻(MHz)IBMC54XDSPC

9、oreFixed161666Mentor GraphicsM320C50CoreFixed1616Siemens (Infineon)TriCoreBothFixed3216/3280Carmel BothFixed1624/48120ZoranZR386xxChipFixed203240ZSP CorporationZSP164xxChipFixed1616200DSP芯片的四大家族芯片的四大家族Analog Devices ADSP-21xx TigerSharc DSP SHARC DSP Lucent DSP-16xx DSP16000 Motorola DSP-56800 DSP 5

10、63xx Lucent/Motorola StarCore SC100 Texas Instrument TMS320C2000 TMS320C5000 TMS320C6000TMS320DM640OMAPAnalogDevicesADSP-21xxTigerSharcDSPSHARCDSP16-bitDSP，支持定點(diǎn)和浮點(diǎn)運(yùn)算，支持定點(diǎn)和浮點(diǎn)運(yùn)算帶帶8-bit保護(hù)位的保護(hù)位的40-bitACC單周期執(zhí)行指令多數(shù)指令單周期執(zhí)行指令多數(shù)指令可以條件執(zhí)行可以條件執(zhí)行VLIW超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)可以在一個(gè)機(jī)器周超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)可以在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)執(zhí)行四條指令期內(nèi)執(zhí)行四條指令該系列該系列DSP具有具有SIMD

11、單條指令多個(gè)數(shù)據(jù)單條指令多個(gè)數(shù)據(jù)的能力的能力內(nèi)部集成有大容量的內(nèi)部集成有大容量的SRAM第一個(gè)第一個(gè)TigerSharcDSP集成了集成了6Mbit的的RAM）ADI公司的軟硬件開發(fā)工具：公司的軟硬件開發(fā)工具：VisualDSP集成集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)環(huán)境LucentDSP-16xxDSP1600016-bit定點(diǎn)定點(diǎn)DSP具有具有16316-bit的乘法器的乘法器36-bit的的ALU/移位器移位器所有片種都有片內(nèi)所有片種都有片內(nèi)ROM工作在工作在2.7-4.75V雙雙MAC單元單元支持支持16332-和和32332-bit的乘法的乘法ALU支持支持16-、32-、40-bit運(yùn)算運(yùn)算X和和Y存

12、儲(chǔ)器具有存儲(chǔ)器具有32-bit數(shù)據(jù)寬度數(shù)據(jù)寬度軟件工具：軟件工具：ANSIC編譯器、匯編器、連接器、編譯器、匯編器、連接器、調(diào)試器和軟仿真器。用調(diào)試器和軟仿真器。用TargetView通信系通信系統(tǒng)通過統(tǒng)通過JTAG來作獨(dú)立的或連網(wǎng)的硬件仿真來作獨(dú)立的或連網(wǎng)的硬件仿真可以圖形化地顯示通過可以圖形化地顯示通過DSP的數(shù)據(jù)流。這的數(shù)據(jù)流。這樣，用戶可以觀察到處理器中沒有充分使樣，用戶可以觀察到處理器中沒有充分使用的部分，修改代碼來提高效率。用的部分，修改代碼來提高效率。SynopsysCOSSAP,CadenceSPW,以及以及MathworksMatlab等第三方的工具。等第三方的工具。Moto

13、rolaDSP-56800DSP563xx16，24-bit定點(diǎn)定點(diǎn)DSP帶有控制功能的帶有控制功能的DSP可以中斷的硬件可以中斷的硬件do循環(huán)循環(huán)七級(jí)流水，七級(jí)流水，具有條件具有條件ALU指令指令以寄存器為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)以寄存器為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)與核執(zhí)行單元并發(fā)的六通道與核執(zhí)行單元并發(fā)的六通道DMA操作操作多數(shù)器件工作于多數(shù)器件工作于3.3V，并兼容，并兼容5V的的I/O；有些；有些器件工作于器件工作于1.8V,兼容兼容3.3V的的I/O，工作于，工作于2.7V和和70MHz與核并行工作的濾波器協(xié)處理器與核并行工作的濾波器協(xié)處理器使用使用OnCE口，通過口，通過JTAG接口作片上仿真。接口作片上仿真。

14、CodeWarrior提供集成的開發(fā)環(huán)境。提供集成的開發(fā)環(huán)境。Lucent/MotorolaStarCoreSC10016-bit定點(diǎn)定點(diǎn)DSP核核DSP結(jié)構(gòu)可以升級(jí)結(jié)構(gòu)可以升級(jí)可變長(zhǎng)度指令提高代碼的效率和并行性可變長(zhǎng)度指令提高代碼的效率和并行性更好的更好的C程序編譯器程序編譯器 TMS320C5000 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)16-bit定點(diǎn)定點(diǎn)DSPC55x有雙有雙MAC單元；單元；C54x有單有單MAC單單元元C55的指令長(zhǎng)度可變，且沒有排隊(duì)的限的指令長(zhǎng)度可變，且沒有排隊(duì)的限制制C55x有有12組總線；組總線；C54x有有8組總線組總線工作于工作于0.9V和和300MHz 綜合介紹綜合介紹C55

15、x和和C54x源代碼兼容，而源代碼兼容，而C5x和和C2x源代碼兼容。源代碼兼容。C54x關(guān)注于低功耗，關(guān)注于低功耗，而而C55x則將低功耗提到一個(gè)新水平：則將低功耗提到一個(gè)新水平：300MHz的的C55x和和120MHz的的C54x相比，相比，性能提高性能提高5倍，而功耗則降到六分之一。倍，而功耗則降到六分之一。 TMS320C6000 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第一塊第一塊C64x可以達(dá)到可以達(dá)到750MHz超長(zhǎng)指令字超長(zhǎng)指令字VLIW結(jié)構(gòu)具有與結(jié)構(gòu)具有與RISC類似的特點(diǎn)類似的特點(diǎn)C編譯器與結(jié)構(gòu)結(jié)合緊密編譯器與結(jié)構(gòu)結(jié)合緊密8個(gè)功能塊提高了并行性個(gè)功能塊提高了并行性 綜合介紹綜合介紹TI的的TMS3

16、20C6000是基于超長(zhǎng)指令字是基于超長(zhǎng)指令字VLIW結(jié)構(gòu)的通用結(jié)構(gòu)的通用DSP系列。該結(jié)構(gòu)包括定點(diǎn)的系列。該結(jié)構(gòu)包括定點(diǎn)的C62x、浮點(diǎn)的、浮點(diǎn)的C67x和新的和新的C64x。C64x和和C62x代碼兼容，但結(jié)構(gòu)有顯著的加強(qiáng)，代碼兼容，但結(jié)構(gòu)有顯著的加強(qiáng)，其初期的工作頻率可達(dá)其初期的工作頻率可達(dá)750MHz。C67x在在C62x八個(gè)功能八個(gè)功能塊中的六個(gè)上增加了浮點(diǎn)功能，因此其指令集是不同的。塊中的六個(gè)上增加了浮點(diǎn)功能，因此其指令集是不同的。 TMS320DM64xDSPs 特點(diǎn)特點(diǎn)針對(duì)視頻進(jìn)行優(yōu)化的針對(duì)視頻進(jìn)行優(yōu)化的 VC1/WMV9FullD1SD解碼解碼 MPEG-2MPMLSD解碼解

17、碼 MPEG-4ASPFullD1SD解碼解碼專用視頻處理子系統(tǒng)專用視頻處理子系統(tǒng) 后端后端集成集成OSD，四個(gè)視頻，四個(gè)視頻DAC，24位數(shù)字位數(shù)字RGB輸出輸出C編編譯器與結(jié)構(gòu)結(jié)合譯器與結(jié)構(gòu)結(jié)合緊密。緊密。 前端前端圖像縮放工具、影像處理引擎、圖像縮放工具、影像處理引擎、16位數(shù)字輸入位數(shù)字輸入。視頻編碼視頻編碼/解碼定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理解碼定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理采用達(dá)芬奇技術(shù)采用達(dá)芬奇技術(shù) 綜合介紹綜合介紹 TMS320DM64x架構(gòu)是一款高度集成的片上系統(tǒng)架構(gòu)是一款高度集成的片上系統(tǒng)(SoC)，集成了數(shù)字視頻所需的許多外部組件，集成了數(shù)字視頻所需的許多外部組件，使硬件材料清單成本降低了使硬件材料

18、清單成本降低了50%。DM64x器件器件建立在建立在TI性能卓越的性能卓越的TMS320C64x+DSP內(nèi)內(nèi)核基礎(chǔ)之上，核基礎(chǔ)之上，ARM926處理器、視頻加速器、網(wǎng)處理器、視頻加速器、網(wǎng)絡(luò)外設(shè)及外部存儲(chǔ)器存儲(chǔ)設(shè)備接口等都專門為絡(luò)外設(shè)及外部存儲(chǔ)器存儲(chǔ)設(shè)備接口等都專門為視頻功能進(jìn)行了調(diào)節(jié)。視頻功能進(jìn)行了調(diào)節(jié)。TMS320DM6443針對(duì)視針對(duì)視頻編碼及解碼應(yīng)用進(jìn)行了調(diào)優(yōu)，可提供數(shù)字視頻頻編碼及解碼應(yīng)用進(jìn)行了調(diào)優(yōu)，可提供數(shù)字視頻解碼所需要的全部組件，包括帶集成式圖像縮放解碼所需要的全部組件，包括帶集成式圖像縮放工具及畫中畫工具及畫中畫(OSD)引擎的模擬及數(shù)字視頻輸出。引擎的模擬及數(shù)字視頻輸出。T

19、MS320DM6446則特別適合視頻編碼與解碼，則特別適合視頻編碼與解碼，其專門的視頻處理前端添加了視頻編碼功能，能其專門的視頻處理前端添加了視頻編碼功能，能夠捕獲各種數(shù)字視頻格式。夠捕獲各種數(shù)字視頻格式。達(dá)芬奇達(dá)芬奇DaVinciTM技術(shù)介紹技術(shù)介紹達(dá)芬奇技術(shù)是業(yè)界第一款集成了 DSP 處理器、軟件、工具以及技術(shù)支持的綜合型解決方案。適用于開發(fā)優(yōu)化的數(shù)字視頻終端設(shè)備。達(dá)芬奇技術(shù)由組件優(yōu)化構(gòu)成，這些組件可以使數(shù)字視頻終端設(shè)備相互支持：達(dá)芬奇處理器達(dá)芬奇處理器基于業(yè)界最高性能的 DSP 平臺(tái)TI TMS320C6000，其充分利用了 TI 最新的 C64x+ DSP 內(nèi)核。達(dá)芬奇處理器包含基于可

20、擴(kuò)展、可編程 DSP 的 SoC可從 DSP 與 ARM 內(nèi)核進(jìn)行定制），同時(shí)還包含優(yōu)化的加速器與外設(shè)，以全方位滿足各種數(shù)字視頻終端設(shè)備對(duì)價(jià)格、性能以及功能等多方面的需求。達(dá)芬奇軟件達(dá)芬奇軟件運(yùn)行于達(dá)芬奇處理器之上的達(dá)芬奇軟件將充分利用芯片資源，其運(yùn)行于達(dá)芬奇處理器之上的達(dá)芬奇軟件將充分利用芯片資源，其內(nèi)置于可配置的框架內(nèi)，并通過流行操作系統(tǒng)內(nèi)部已公布的內(nèi)置于可配置的框架內(nèi)，并通過流行操作系統(tǒng)內(nèi)部已公布的API提提供，以實(shí)現(xiàn)快速的軟件實(shí)施。供，以實(shí)現(xiàn)快速的軟件實(shí)施。視頻、影像、音頻及語音編解碼器視頻、影像、音頻及語音編解碼器H.264,MPEG4,H.263,WMV9,MPEG2,JPEG,AAC+,WMA,MP3,G.711,G.728,G.723.1，G.729ab等視頻、影像、音頻以及語音編解等視頻、影像、音頻以及語音編解碼器碼器操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)達(dá)芬奇技術(shù)最初支持達(dá)芬奇技術(shù)最初支持Linux操作系統(tǒng)，未來會(huì)陸續(xù)實(shí)現(xiàn)對(duì)諸如操作系統(tǒng)，未來會(huì)陸續(xù)實(shí)現(xiàn)對(duì)諸如WinCE等其它流行操作系統(tǒng)的支持。等其它流行操作系統(tǒng)的支持。應(yīng)用編程接口應(yīng)用編程接口(API)這些這些API可結(jié)合可結(jié)合DSP與與ARM軟件開發(fā)人員雙方的最大優(yōu)勢(shì)。軟件開發(fā)人員雙方的最大優(yōu)勢(shì)。在在DSP平臺(tái)針對(duì)平臺(tái)針對(duì)DSP專家保持開放性的同時(shí)，專家保持開放性的同時(shí)，ARM軟件開發(fā)人員軟件