實(shí)時(shí)數(shù)字信號處理與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)對外部輸入信號完成指定的操作，即信號的處理速度必須大于或等于信號的輸入速度。 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、是模擬器件來對信號進(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)字信號處理，就可以通過對其重新編程來改變系統(tǒng)的特性。 信 號 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，算法可靠性和可重復(fù)性受環(huán)境溫度、濕度、噪聲、電磁場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的處理可以處理包括微波毫米波乃至光波信號按照奈準(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)字信號處理的能夠進(jìn)行數(shù)字信號處理的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 采用一系列措施保證數(shù)字信號的處理速度，如對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 對密集的乘加法運(yùn)算的支持對密集的乘加法運(yùn)算的支持2 存儲器結(jié)構(gòu)存儲器結(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)測執(zhí)行時(shí)間的預(yù)測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)測試接口標(biāo)準(zhǔn)測試接口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)字長字長(bits)指令長度指令長度(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)字長字長(bits)指令長度指令長度(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超長指令字結(jié)構(gòu)可以在一個(gè)機(jī)器周超長指令字結(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、儲器具有存儲器具有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)七級流水，七級流水，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)可以升級結(jié)構(gòu)可以升級可變長度指令提高代碼的效率和并行性可變長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的指令長度可變，且沒有排隊(duì)的限的指令長度可變，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超長指令字超長指令字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是基于超長指令字是基于超長指令字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)針對視頻進(jìn)行優(yōu)化的針對視頻進(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)字信號處理解碼定點(diǎn)數(shù)字信號處理采用達(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)及外部存儲器存儲設(shè)備接口等都專門為絡(luò)外設(shè)及外部存儲器存儲設(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針對視針對視頻編碼及解碼應(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)，未來會陸續(xù)實(shí)現(xiàn)對諸如操作系統(tǒng)，未來會陸續(xù)實(shí)現(xiàn)對諸如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。軟件開發(fā)人員雙方的最大優(yōu)勢。在在DSP平臺針對平臺針對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