第一章_DSP處理器概述

1、 模擬與數(shù)字技術(shù)，采用數(shù)字技術(shù)的好處是什么？ 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，為什么DSP處理器是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的最佳選擇？ DSP處理器及其特點(diǎn)，DSP處理器與其他處理器的區(qū)別在哪里？ DSP處理器的分類，TI 系列DSP的發(fā)展與特點(diǎn)？ DSP嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)DSP系統(tǒng)的流程和工具情況是怎樣的？什么是DSPDigital Signal Processing 數(shù)字信號(hào)處理 即數(shù)字信號(hào)處理，是指數(shù)字信號(hào)處理的理論和算法，例如濾波、變換、卷積和頻譜分析等； Digital Signal Processor 數(shù)字信號(hào)處理器 即數(shù)字信號(hào)處理器，是指實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理算法的微處理器芯片，它為數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)處理

2、提供一個(gè)平臺(tái)。模擬技術(shù)與數(shù)字技術(shù)模擬技術(shù)數(shù)字技術(shù)數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 數(shù)字技術(shù)采用數(shù)字化方式對(duì)數(shù)據(jù)和信號(hào)進(jìn)行處理，這種處理一般由硬件和軟件配合實(shí)現(xiàn)，由軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)和信號(hào)處理，由硬件提供一個(gè)軟件運(yùn)行的系統(tǒng)平臺(tái)。 （1）能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜處理； （2）靈活性強(qiáng)： （3）可靠性高 （4）精度高數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)放大與濾波采樣量化D/A濾波數(shù)字信號(hào)處理D/A)(txa)(tx)(nx)(nxd)(nyd)(ty)(tyaDSP10234560)(tx)()(nTxnx1023456100101110011010110101100011010100101110011010102345601001

3、110010110110000)(nxd)(nyd)(ty)(tya通用計(jì)算機(jī)的通用計(jì)算機(jī)的CPU：優(yōu)點(diǎn)是軟件豐富、編程實(shí)現(xiàn)較容易，缺點(diǎn)是不易實(shí)時(shí)信號(hào)處理、無(wú)法嵌入式應(yīng)用。一般地，計(jì)算機(jī)的CPU由于成本高、功耗大，因此只有在系統(tǒng)對(duì)體積、功耗和實(shí)時(shí)性要求不高的情況下采用，并只適合于固定場(chǎng)合應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)（單片機(jī)（MCU）：）：優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉和編程簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是性能差、速度慢。單片機(jī)一般應(yīng)用于控制領(lǐng)域，這些領(lǐng)域的數(shù)字處理要求比較簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量小。專用集成電路（專用集成電路（ASIC）：）：將特定的信號(hào)處理算法由一個(gè)集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如FFT專用集成電路芯片。這

4、種方法的優(yōu)點(diǎn)是處理速度快、系統(tǒng)規(guī)模化成本低，缺點(diǎn)是功能有限、系統(tǒng)靈活性差、開發(fā)成本高。目前，采用專用集成電路的數(shù)字系統(tǒng)只適合處理任務(wù)不很復(fù)雜而要求大批量生產(chǎn)的應(yīng)用情況。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)系統(tǒng)可重構(gòu)系統(tǒng)（RCPS）：）： FPGA等現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列可以根據(jù)需要組建不同的系統(tǒng)邏輯，但成本高只適合實(shí)現(xiàn)小規(guī)模簡(jiǎn)單系統(tǒng)，不便于大量應(yīng)用。 。DSP處理器：處理器：DSP處理器是專門針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用而設(shè)計(jì)的微處理器，在處理器結(jié)構(gòu)和工作原理上采用乘法累加運(yùn)算單元（MAC）、多總線和多流水線作業(yè)，使得信號(hào)處理高效和靈活，并且功耗低、便于嵌入式應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)數(shù)字信

5、號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)DSP處理器由于其高性價(jià)比而成為當(dāng)前數(shù)字處理器由于其高性價(jià)比而成為當(dāng)前數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的主流處理器。信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的主流處理器。DSP的發(fā)展的發(fā)展 1978年，美國(guó)英特爾（Intel）公司推出了2920。這款芯片將內(nèi)部信號(hào)處理器和A/D、D/A集成在一個(gè)芯片中，但沒(méi)有硬件乘法器。 1979年，AMI公司發(fā)布了S2811，主要是作為其他微處理器的數(shù)字信號(hào)協(xié)處理器。同年，貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Labs）發(fā)布了第一個(gè)真正意義上的DSP芯片MAC4。 1980年，日本NEC公司和AT&T公司在IEEE召開的國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議上分別推出了PD7720和DSP1，這

6、兩款芯片得到了許多研究人員的推崇，在公共電信網(wǎng)得到了一定的應(yīng)用。 1983年，美國(guó)德州儀器（TI）公司推出了具有里程碑意義的TMS320C10，這款DSP字長(zhǎng)為16比特，采用哈弗（Harvard）結(jié)構(gòu)，有獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并且有一個(gè)特殊的指令集處理讀入累加、乘加等運(yùn)算，一個(gè)乘加運(yùn)算的時(shí)間是390ns。當(dāng)時(shí)另一個(gè)比較成功的DSP是Motorola的DSP5600。 1984年，AT&T公司推出DSP32，這是早期具備較高性能的浮點(diǎn)DSP芯片。DSP的發(fā)展的發(fā)展主要的DSP芯片制造商：美國(guó)德州儀器（TI）公司、美國(guó)飛思卡爾（FreeScale）公司、 美國(guó)模擬器件（AD）公司以及日本

7、電氣（NEC）公司。DSP的特點(diǎn)的特點(diǎn)（1）哈佛結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)使程序和數(shù)據(jù)空間彼此獨(dú)立。（2）多總線結(jié)構(gòu)：可以保證在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)多次訪問(wèn)程序空間和數(shù)據(jù)空間。（3）支持流水線操作：采用流水線結(jié)構(gòu)，在程序運(yùn)行過(guò)程中使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊進(jìn)行。（4）硬件乘法器：配有硬件乘法器，與專用累加器一起構(gòu)成乘法累加運(yùn)算單元MAC，可在一個(gè)周期內(nèi)完成一次乘法和一次累加操作。（5）并行執(zhí)行多個(gè)操作：DSP內(nèi)部一般都包括有多個(gè)處理單元，如算術(shù)邏輯運(yùn)算單元(ALU)、輔助寄存器運(yùn)算單元(ARAU)、累加器(ACC)以及硬件乘法器(MUL)等，它們可以在一個(gè)指令周期內(nèi)同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算。（6）快速的運(yùn)算速度：TM

8、S320C5416 的指令執(zhí)行速度可達(dá)到160 MIPS，或160MMACS，即每秒1.6億次乘法累加運(yùn)算。而DaVinci芯片TMS320DM6446更是達(dá)到了接近5000MMACS。DSP的特點(diǎn)的特點(diǎn)DSP的分類的分類l 根據(jù)DSP芯片工作時(shí)的數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)格式劃分，可分為定點(diǎn)DSP芯片和浮點(diǎn)DSP芯片兩大類，l 按照DSP芯片的字長(zhǎng)字長(zhǎng)劃分，可以分為16位、24位、32位DSP芯片。l 根據(jù)DSP芯片的用途用途分，可分為通用型DSP芯片和專用型DSP芯片。l 按照不同生產(chǎn)廠家廠家的產(chǎn)品系列劃分，有TI公司的TMS320系列、AD公司的ADSP21系列、AT&T公司的DSP16/32

9、系列、Motorola公司的MC5600/MC9600系列、NEC公司的PD77系列等。DSP的性能指標(biāo)的性能指標(biāo)（1）計(jì)算速度：一般用MIPS、MFLOPS和MMACS表示。分別表示每秒執(zhí)行的指令數(shù)、每秒執(zhí)行的浮點(diǎn)操作數(shù)和每秒執(zhí)行的乘法累加數(shù)。（2）運(yùn)算精度：一般由處理器的字長(zhǎng)表示。定點(diǎn)DSP芯片字長(zhǎng)一般為16位，少數(shù)24位。浮點(diǎn)DSP芯片的字長(zhǎng)一般為32位。（3）硬件資源：DSP芯片所提供的硬件資源，如片內(nèi)RAM、ROM的數(shù)量，外部可擴(kuò)展的程序和數(shù)據(jù)空間，總線接口、I/O接口等。（4）功耗：電源消耗量。一般移動(dòng)和便攜式DSP設(shè)備對(duì)功耗要求較高，選擇DSP芯片時(shí)一般采用低功耗芯片。DSP的性

10、能指標(biāo)的性能指標(biāo)u定點(diǎn)DSP芯片的價(jià)格較為便宜、功耗低，但運(yùn)算精度稍低。u浮點(diǎn)DSP芯片的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算精度高，C語(yǔ)言編程調(diào)試方便，但價(jià)格稍貴，功耗也較大。TIDSP概述概述德州儀器的DSP芯片以TMS320表示，目前占有全球市場(chǎng)的50%。 TMS320C2000 TMS320C5000 TMS320C6000OMAPDaVincihttp:/ 被稱為數(shù)字信號(hào)控制器（DSC： Digital Signal Controller）。 LF240 x子系列：16位定點(diǎn)DSP、40MIPS，代表器件：TMS320LF2407 F280 x子系列：32位定點(diǎn)DSP、60100MIPS，代表器件：TMS32

11、0F2809 F281x子系列：32位定點(diǎn)DSP、150MIPS，代表器件：TMS320F2812 F282x子系列：32位浮點(diǎn)DSP、200300MFLOPS，代表器件：TMS320F28232 F283x子系列：32位浮點(diǎn)DSP、300MFLOPS，代表器件：TMS320F2832C2000系列系列C2000系列系列C2000應(yīng)用與特點(diǎn)應(yīng)用與特點(diǎn)低價(jià)格、高性能，適用于控制領(lǐng)域，如工業(yè)自動(dòng)化、汽車電子、電機(jī)控制、家用電器和消費(fèi)電子等領(lǐng)域。（1）處理能力強(qiáng)。指令周期最短為25ns，運(yùn)算能力達(dá)40MIPS以上。（2）片內(nèi)FLASH或ROM。系統(tǒng)升級(jí)也比較方便。 （3）功耗低。在3.3V工作時(shí)每個(gè)

12、MIPS消耗1.1mA電流，F(xiàn)280 x等系列內(nèi)核的工作電壓只有1.8V，功耗更低。（4）資源配置靈活。具有A/D和CAN模塊，容易與其他設(shè)備連接。C5000系列系列 C54x子系列：16位定點(diǎn)DSP、100532MIPS代表器件：TMS320VC5402、VC5416、VC5441 C55x子系列：16位定點(diǎn)DSP、300600MIPS代表器件：TMS320VC5510、VC5509、VC5502 C54xARM7子系列：100MIPS，RISC頻率47.5MHz代表器件：TMS320VC5470、VC5471 C55xARM9子系列：即OMAP芯片代表器件：OMAP5910（1）TMS32

13、0C54x （2）TMS320C55xC5000系列系列TMS320C5416內(nèi)部結(jié)構(gòu)C5000系列系列C5000系列DSP代碼上完全兼容，但C55x的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)C54x復(fù)雜，采用1個(gè)40位ALU和16位ALU，2個(gè)乘加器（MAC）和4個(gè)累加器，而C54x分別只有1個(gè)40位ALU、MAC和2個(gè)累加器。另外，C55x的程序和地址總線也進(jìn)行了擴(kuò)展。C5000應(yīng)用與特點(diǎn)應(yīng)用與特點(diǎn)低功耗、高性能定點(diǎn)DSP，主要應(yīng)用在無(wú)線移動(dòng)通信、程控交換機(jī)、調(diào)制解調(diào)器和GPS、PDA。（1）運(yùn)算速度快。運(yùn)算速度為100600MIPS。（2）優(yōu)化的CPU結(jié)構(gòu)。內(nèi)部ALU，40位的累加器，1717位MAC和40位的桶形

14、移位器。（3）低功耗方式?？稍?.3V、2.5V、1.8V甚至1.2V的低電壓下工作，C55x的待機(jī)功耗只有0.12mW。（4）智能外設(shè)。串行口和時(shí)分復(fù)用（TDM）串行口，自動(dòng)緩沖串行口BSP和與外部處理器通信的HPI。C6000系列系列（1）C62x子系列：32位定點(diǎn)DSP、300600MMACS代表器件：TMS320C6211，C6201（2）C64x子系列：32位定點(diǎn)DSP，40009600MMACS代表器件：TMS320C6416、C6424、C6455（1.2GHz）（3）C67x子系列：32位浮點(diǎn)DSP、5002400MMACS代表器件：TMS320C6711、C6713、C672

15、7（4）C64x+ARM9子系列：即DaVinci芯片代表器件：TMS320DM6446一種高性能的DSP芯片C6000系列系列C6000系列系列C6000應(yīng)用與特點(diǎn)應(yīng)用與特點(diǎn)面向視頻會(huì)議、高清晰數(shù)字電視、無(wú)線局域網(wǎng)、安防視頻監(jiān)控和核磁共振（MRI）等需要大規(guī)模數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。（1）運(yùn)行速度快。運(yùn)算能力普遍超越C5000，最高的C6455處理器時(shí)鐘頻率達(dá)到1.2GHz，每秒執(zhí)行MAC運(yùn)算達(dá)到 9600個(gè)。（2）VelociTI超長(zhǎng)指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)。在一條指令中組合了幾個(gè)執(zhí)行單元，可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)并行執(zhí)行多條指令。（3）大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器和大范圍的尋址能力。（4）智能外設(shè)。內(nèi)部集成了416

16、個(gè)DMA接口，兩三個(gè)多通道緩存串口McBSP，兩個(gè)32位計(jì)時(shí)器。OMAP系列系列（1）C55x +ARM9：400MIPS（DSP）+150MHz（ARM9）代表器件：OMAP5910、OMAP1610（2）C55x +ARM11：440MIPS（DSP）+330MHz（ARM11）代表器件：OMAP2420（3）ARM+協(xié)處理器：200600MH z（ARM911、ARM Cortex）， GPRS/ISP/IVA/PowerVR代表器件：OMAP750、OMAP2430、OMAP2431、OMAP3503ARM+DSP，在具體應(yīng)用中把不同的任務(wù)交給適合的處理器來(lái)處理。OMAP系列系列OMA

17、P系列系列數(shù)字媒體、生物特征識(shí)別、定位服務(wù)、增強(qiáng)型游戲及遠(yuǎn)程通信，2.5G/3G 手持無(wú)線通信終端及 PDA 。(1) 處理效率高。DSP+ARM雙核結(jié)構(gòu)使整個(gè)芯片的處理效率和性能得到極大提升。(2) 有效的開發(fā)環(huán)境。支持Microsoft Windows CE、Linux、Wind River VxWorks 等領(lǐng)先的操作系統(tǒng)及TI 的 DSP/BIOS實(shí)時(shí)可擴(kuò)展內(nèi)核。(3) 豐富的外設(shè)。配備有多種極佳外設(shè)的片上系統(tǒng)功能，包括USB 1.1 、MMC/SD 卡接口、多通道緩沖串行端口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、GPIO 與 UART、LCD 接口、SPI等。OMAP應(yīng)用與特點(diǎn)應(yīng)用與特點(diǎn)DaVinci系列系列

18、（1）C64x/C643x+VICP：40007200MMACS代表器件：DM647、DM648、DM6435、DM6437（2）C644x/C646x+ARM9+VICP： 4700 MMACS（DSP）+300MHz（ARM9）代表器件：DM6441、DM6446、DM6467（3）ARM9+VICP： 270MHz代表器件：DM335、DM3552005年，TI推出了新一代高性能DSP芯片TMS320DM6443、TMS320DM6446，并命名為達(dá)芬奇（DaVinci）數(shù)字媒體處理器。 DaVinci一般構(gòu)成為 C64x DSP+ARM9+應(yīng)用軟件包。DaVinci系列系列DaVinc

19、i系列系列DaVinci系列系列多格式視頻安全設(shè)備、視頻電話、高清數(shù)字電視廣播通信系統(tǒng)，車用視覺(jué)系統(tǒng)（車道偏離、避免碰撞）以及機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、機(jī)器人技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等 。（1）整體性能高。 采用SOC技術(shù)，高性能C64x DSP與高端ARM內(nèi)核相結(jié)合。（2）音視頻信號(hào)處理速度快。 高性能的C64x DSP和VPSS、VICP硬件子系統(tǒng)相結(jié)合，各種音視頻信號(hào)編解碼速度很快。（3）片上外設(shè)豐富。 音視頻I/O接口，10/100 以太網(wǎng)、UART、I2C、SPI、GPIO、McBSP 和PWM 等。（4）豐富的開發(fā)工具與環(huán)境：Linux、WinCE操作系統(tǒng)、音視頻處理API等?；诨贒SP

20、的嵌入式系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是指應(yīng)用軟件與硬件一體化的系統(tǒng)，具有體積小、軟件代碼精煉、高度自動(dòng)化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，特別適合于要求實(shí)時(shí)多任務(wù)處理的應(yīng)用場(chǎng)合。DSP嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)一般有主從方式和獨(dú)立運(yùn)行方式兩種類型，前一種方式一般作為一個(gè)子處理系統(tǒng)協(xié)助主系統(tǒng)完成一些復(fù)雜信號(hào)處理任務(wù)，后一種方式則完全獨(dú)立。DSP嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程需求分析可行性分析信號(hào)分析算法分析與設(shè)計(jì)資源分析硬件結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試系統(tǒng)集成與綜合調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)不僅是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，而且要盡量做到結(jié)果精確、效率高、資源消耗少。DSP應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件子系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩大部分。這兩部分的設(shè)計(jì)并非完全獨(dú)立，而是需要協(xié)調(diào)綜合考慮。開發(fā)工具與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)工具與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)工具提供系統(tǒng)開發(fā)的便利性，可以加快設(shè)計(jì)開發(fā)系統(tǒng)的進(jìn)程，而實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則可以提供一種測(cè)試系統(tǒng)的環(huán)境。CCS（Code Composer Studio）菜單欄工具欄狀態(tài)欄工作區(qū)窗口輸出窗口工具欄工程窗口TMS320C5416 DSKSEED5416 DTKDSP嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用移移動(dòng)動(dòng)電電話話DSP嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用BroadbandCommunicationsWireless3GBaseStationsMedica