數(shù)字信號(hào)處理講義--第10章數(shù)字信號(hào)處理的硬件實(shí)現(xiàn)

1、第10章數(shù)字信號(hào)處理的硬件實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的讓學(xué)生了解DSP芯片的特點(diǎn)、DSP芯片的發(fā)展、DSP的開(kāi)發(fā)流程、DSP的應(yīng)用等知識(shí)，為后繼課程學(xué)習(xí)打點(diǎn)基礎(chǔ)。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)本章主要是介紹性質(zhì)的內(nèi)容，主要是拓寬學(xué)生的知識(shí)面，不作為考試內(nèi)容。無(wú)教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)。10.0概述Digital Signal Processing (DSP)： 一門(mén)新的學(xué)科：研究信號(hào)分析與處理的理論和各種算法Digital Signal Processor (DSP)： 數(shù)字信號(hào)處理器（一個(gè)芯片，或CPU）: 將數(shù)字信號(hào)處理的理論用于實(shí)際。將信號(hào)處理的理論用于實(shí)際，即是“實(shí)現(xiàn)”：軟件實(shí)現(xiàn): (教學(xué), 科研, 開(kāi)發(fā)的前期) DSP軟件包

2、MATLAB Signal Processing Tool Box硬件實(shí)現(xiàn)：CPU, MCU, DSP 有可能“實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)”：所謂“實(shí)時(shí)（Real-Time）實(shí)現(xiàn)”，是指一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)在人們聽(tīng)覺(jué)，視覺(jué)或按任務(wù)要求所允許的時(shí)間范圍內(nèi)能及時(shí)地完成對(duì)輸入信號(hào)的處理并將其輸出。 例如，我們每天使用的手機(jī)，將要普及的數(shù)字電視等，都是實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)。 要想在極短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)信號(hào)的處理，一方面需要快速的算法、高效的編程，另一方面，則需要高性能的硬件支持。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）即是為實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)而特殊設(shè)計(jì)的高性能的一類(lèi)CPU。嚴(yán)格地說(shuō)，“實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)”是指，一個(gè)系統(tǒng)在每一個(gè)抽樣間隔內(nèi)都能完成

3、全部所需要的計(jì)算任務(wù)，即：過(guò)程時(shí)間等待時(shí)間抽樣時(shí)間nn+1如果等待時(shí)間 0 則認(rèn)為該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)例如，階次 的FIR濾波器，其輸入輸出關(guān)系是假定要處理的信號(hào)的抽樣頻率為200KHz，那么，該系統(tǒng)要在50 內(nèi)，至少要完成100次乘法，99次加法，才談得上“實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)”。 CPU的類(lèi)型：1、通用型CPU（GPP）；2、單片機(jī)（MCU）；3、DSP；4、嵌入式系統(tǒng)；5、ASIC；6、FPGA通用處理器（GPP）： 事務(wù)密集型處理機(jī)制 馮.諾依曼結(jié)構(gòu)：統(tǒng)一的程序和數(shù)據(jù)空間 采取各種方法提高計(jì)算速度：（1）8-bit Apple（6502），（2） NEC PC-8000（Z80） （3） 8086/

4、286/386/486/（4） Pentium/Pentium II/ Pentium III （5） PowerPc 64-bit CPU（6）（SUN Sparc，DEC Alpha, HP） 單片機(jī)（MCU):控制密集型處理機(jī)制。4bit、 8bit單片機(jī)多應(yīng)用于玩具、家電及工業(yè)控制； 16bit單片機(jī)除控制功能外，還有較強(qiáng)的信息處理的能力。但實(shí)時(shí)處理較困難。（1） INTEL MCS/48/51/96（98） （2） MOTOROLA HCS05/011數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）： 運(yùn)算密集型處理機(jī)制。最有可能實(shí)時(shí)實(shí) 現(xiàn)復(fù)雜 運(yùn)算的器件！10.1 DSP處理器的特點(diǎn)1. 哈佛結(jié)構(gòu)，且是多

5、總線結(jié)構(gòu)；Von-Neumann Architecture Harvard Architecture取指令和取數(shù)據(jù)分時(shí)進(jìn)行； 取指令和取數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行在DSP中，廣泛采取多總線制，以便同時(shí)讀取幾個(gè)數(shù)據(jù)，提高了運(yùn)算的速度，如C54芯片：C54 的多總線結(jié)構(gòu)：高級(jí)多總線結(jié)構(gòu)： 3個(gè)數(shù)據(jù)總線(CB,DB,EB)1個(gè)程序總線(PB)4個(gè)地址總線(PAB,CAB,DAB,EAB2. “流水線（pipeline）式” 的指令執(zhí)行 實(shí)際上，DSP中采用多級(jí)流水線結(jié)構(gòu)3. 具有硬件乘法器是DSP最突出的特點(diǎn)，從而大大提高了運(yùn)算速度。 數(shù)字信號(hào)處理中最常用的運(yùn)算： 乘法累加 例如，4bit無(wú)符號(hào)數(shù)相乘：Hardw

6、are Microcode 1011x 111010011010 1011x 111000001011.1011.1011.Cycle 1Cycle 2Cycle3 Cycle4Cycle 5一步執(zhí)行10011010一步一步執(zhí)行例如：C54中的硬件乘法器4. 高性能的DSP提供了“并行（parallel）”工作的能力。所謂并行，是指多個(gè)DSP，或DSP內(nèi)部的多個(gè)單元同時(shí)在完成一個(gè)共同的任務(wù)；5. 片上存儲(chǔ)器：(On chip Memory ); 專用尋址單元：(Addressing Logic )它們與ALU并行工作;所有這些設(shè)置，都是為了提高運(yùn)行速度；5. 片上存儲(chǔ)器：(On chip Me

7、mory ); 專用尋址單元：(Addressing Logic )它們與ALU并行工作;所有這些設(shè)置，都是為了提高運(yùn)行速度；7. 高的時(shí)鐘速度，極快的運(yùn)算能力：MFLOPS：百萬(wàn)次浮點(diǎn)操作/秒MOPS： 百萬(wàn)次操作/秒MIPS： 百萬(wàn)條指令/秒Others： MAC、Instruction Cycle TimeTMS320C6201 DSP 時(shí)鐘：200MHz，運(yùn)算能力：1600MIPS。 1024點(diǎn)的FFT，僅需要70us;TMS320C64系列的DSP 最大時(shí)鐘速度可達(dá)600MHz，因此，時(shí)鐘 周期僅為1.67ns,其運(yùn)算能力可達(dá)4800MIPS； 該系列特別適用于圖像處理、三維成像、多

8、媒體及其它高速運(yùn)算的場(chǎng)合。8. 部分DSP芯片上有片上的A/D及脈寬調(diào)制通道（PWM），這一類(lèi)DSP除了有強(qiáng)的運(yùn)算能力外，還有著很好的控制能力；總之，先進(jìn)周密的硬件設(shè)計(jì)、方便完整的指令系統(tǒng)、配套的開(kāi)發(fā)工具以及高速、實(shí)時(shí)信號(hào)處理市場(chǎng)的巨大需要，從而使DSP微處理器在飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中異軍突起、大放光彩。目前，數(shù)字信號(hào)處理器的硬件、軟件及第三方（Third Party)的相關(guān)產(chǎn)品，已形成一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)。TMS320C25 DSP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DSP分定點(diǎn)處理器和浮點(diǎn)處理器兩大類(lèi)定點(diǎn)DSP：采用定點(diǎn)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)值運(yùn)算時(shí)，其操作數(shù)大都采用整型數(shù)來(lái)表示。整型數(shù)的大小取決于所用的字長(zhǎng)，字的位數(shù)越多，所能表示

9、的數(shù)的范圍越大。例如，對(duì)16bit字長(zhǎng)，其表示的數(shù)的最大范圍是 3276832767 在運(yùn)算過(guò)程中，如果兩個(gè)數(shù)的和或積超過(guò)這一范圍，就要產(chǎn)生數(shù)據(jù)的溢出，從而帶來(lái)大的誤差。當(dāng)然，定點(diǎn)DSP也可以實(shí)現(xiàn)小數(shù)運(yùn)算，不過(guò)小數(shù)點(diǎn)的位置是由編程人員指定的。 浮點(diǎn)DSP：s：符號(hào)位，bit31； s=0 表示正數(shù)，s=1 表示負(fù)數(shù)；e：指數(shù)位，bit23bit30，其取值范圍為0255；m：尾數(shù)的分?jǐn)?shù)部分，bit0bit22，共23位。 10.2 DSP的發(fā)展TYPICAL DEVICE CAPABILITIES503520256$150.0025050K350 0.840802K$15.0012.5500K

10、6 500.15,0001,00032K$5.000.15M12Die size (mm)Technology (uM) MIPSMHzRAM (bytes)PricePower (mW/MIPS)TransistorsWafer size198019902000201050.0250,00010,0001M$0.150.00150M12Texas Instruments（TI：德州儀器公司）: TMS320C2000 TMS320C5000 TMS320C6000 TMS320C1x、C2x、C3x、C4x、C5x、C8xAnalog Devices（AD：模擬器件公司）: ADSP-21x

11、x TigerSharc DSP SHARC DSPMotorola: DSP560xx DSP563xx DSP566xx DSP568xxLucent: DSP-16xx DSP-16xxx: Lucent+Motorola： StarCore140 Core DSP市場(chǎng)份額(1999年)TI 早期DSP產(chǎn)品：第1代： TMS320C1X 1982 定點(diǎn)第2代： TMS320C2X 定點(diǎn)第3代： TMS320C3X 浮點(diǎn)第4代： TMS320C4X 浮點(diǎn)第5代： TMS320C5X 定點(diǎn)第6代： TMS320C8X 1994 多 CPUTI產(chǎn)品系列符號(hào)解釋： TMS320*XY-Z， “*

12、”：C，E，P，F(xiàn), LC，BC，LBC,V,U等； X：X1：第一代，5第五代，8是第六代； Y：代內(nèi)的序號(hào)，Z：時(shí)鐘頻率(MHz)； XY：合起來(lái)表示處于那一個(gè)系列； “*”“C”，CMOS；“*”“E”，EPROM； “*” “P”，PROM； “*”F，F(xiàn)LASH； “*”“LC”、“VC”、“UC”，低、甚低、超低功耗； “*”“BC”，(Boot Load)； “*”“LBC”，低功耗、TMS320C2000系列TMS320C5000 系列：TMS320C6000 系列：專用DSP芯片：在制造時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已符合相應(yīng)算法的流程，只需按要求輸入數(shù)據(jù)即可，無(wú)需再編程。這些產(chǎn)品有：INM

13、OS公司的卷積/相關(guān)器A100；PLESSY公司的卷積/相關(guān)器PDSP16256；HARRIS公司的卷積/相關(guān)器HSP43168；AUSTEK公司的FFT專用芯片A41102；PLESSY公司的專用FFT芯片PDSP16515；AD公司的小波壓縮芯片ADV601.10.3 DSP的開(kāi)發(fā)開(kāi)發(fā)步驟：1. 算法研究與仿真（MATLAB, C, 匯編）；2. 選擇DSP芯片及其它元器件；3. 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)，畫(huà)原理圖；4. 系統(tǒng)硬件仿真；5. 制印刷線路板（PCB）；6. 系統(tǒng)焊接、調(diào)試，加載軟件。開(kāi)發(fā)步驟：DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試TI產(chǎn)品開(kāi)發(fā)支持（一）TI DSP軟件開(kāi)發(fā)工具1、TI早期的軟件開(kāi)發(fā)工具

14、（1）TMS320宏匯編編輯/編譯連接器(macro assemblercompiler /linker) （2）TMS320系列最佳的ANSIC編譯器(ANSIC compiler) （3）代碼調(diào)試工具（debugger） （4）軟件仿真器(simulator) 軟件仿真器是一個(gè)軟件程序，它運(yùn)行在PC上，可模擬TM5320的整個(gè)指令系統(tǒng)，從而達(dá)到程序檢驗(yàn)和開(kāi)發(fā)的目的。 TI eXpressDSP框架：是一個(gè)開(kāi)放式的、集成的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，它不但包含了上述的常用軟件工具，并且在功能上大大擴(kuò)展，而且為使用者提供了良好的人機(jī)交互界面。它包含如下4個(gè)部分： 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 CCS（code compos

15、er studio） 實(shí)時(shí)基礎(chǔ)軟件 DSP/BIOS； 算法標(biāo)準(zhǔn) XDAIS（eXpressDSP algorithm standard）； 第3方公司提供的模塊，包括插件和算法模塊等。 eXpressDSP技術(shù)提供的簡(jiǎn)單易用而功能強(qiáng)大的工具可以大大縮短DSP產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間，從而使開(kāi)發(fā)者將精力集中到更新應(yīng)用的發(fā)展中。2. 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS CCS是一個(gè)為T(mén)MS320系列DSP設(shè)計(jì)的高度集成的軟件開(kāi)發(fā)和調(diào)試環(huán)境，它將DSP工程項(xiàng)目管理、源代碼的編輯、目標(biāo)代碼的生成、調(diào)試和分析都打包在一個(gè)環(huán)境中提供給用戶，如圖所示：應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置源代碼編輯編譯與連接軟件模塊集成軟件調(diào)試軟件分析CCS 的組成

16、模塊（一）TI DSP 硬件開(kāi)發(fā)工具在 DSP 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的不同階段需要不同的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，如供初學(xué)者使用的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，供對(duì)所選用的DSP及其他器件進(jìn)行評(píng)估的評(píng)估系統(tǒng)，供最后調(diào)試的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。 TI公司針對(duì)這些不同的應(yīng)用推出了不同類(lèi)型、不同價(jià)位的硬件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，它們是DSP初學(xué)者工具包DSK(DSP starter kit)，評(píng)估模件EVM(evaluation module)板及系統(tǒng)仿真器XDS(eXtended developmet systems)。DSP初學(xué)者工具包(DSP Starter Kit, DSK) DSK 是TI公司特地為初學(xué)者提供的一個(gè)低價(jià)、性能較為優(yōu)良的DSP開(kāi)發(fā)工具。對(duì)不同的系列

17、，其DSK上面有一塊對(duì)應(yīng)的DSP芯片，板上集成有A/D, D/A，擴(kuò)展RAM，時(shí)鐘、電源、各種插接件。它通過(guò)串行或并行方式和PC機(jī)連接，因此，在PC機(jī)端可實(shí)現(xiàn)對(duì)DSK的加載、調(diào)試與運(yùn)行。DSK可通過(guò)A/D實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的采集、處理并輸出到PC機(jī)上?？梢?jiàn)該開(kāi)發(fā)工具對(duì)學(xué)習(xí)、研發(fā) DSP 是非常方便的。TMS320C6211 DSKDSP Starter Kits評(píng)估模件 EVMEVM也是一種較為低價(jià)的開(kāi)發(fā)板，但功能遠(yuǎn)比DSK強(qiáng)。它可用來(lái)評(píng)估所選用的DSP和其他芯片是否能滿足實(shí)際任務(wù)的需要，可在上面連續(xù)或單步運(yùn)行所編寫(xiě)的DSP匯編軟件以檢查程序的質(zhì)量，它具有有限的系統(tǒng)調(diào)試功能。EVM板是一個(gè)PC插件

18、，因此其工作主機(jī)也是PC機(jī)。 對(duì)不同系列的DSP，TI提供了不同型號(hào)的EVM板。 TMS320C6201 EVM系統(tǒng)仿真器 XDS系統(tǒng)仿真器XDS(eXtended Developmet Systems)是一個(gè)功能強(qiáng)大的、全速的仿真器，可用以在系統(tǒng)水平的高度對(duì)所設(shè)計(jì)的DSP目標(biāo)系統(tǒng)作集成和調(diào)試。一個(gè)實(shí)際的 XDS510 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)如下圖所示，它包含兩個(gè)部件，一個(gè)是插入PC機(jī)的插件板，一個(gè)是控制盒?？刂坪袃蛇叿謩e有帶有JTAG插頭的電纜，一邊和目標(biāo)板相連，一邊和插件板相連。XDS510的特點(diǎn) 非插入式的基于掃描的仿真器； 可全速運(yùn)行目標(biāo)系統(tǒng)，可監(jiān)視系統(tǒng)各器件狀態(tài)； 系統(tǒng)可全速、斷點(diǎn)、單步運(yùn)行； 可分別用軟件、硬件設(shè)置斷點(diǎn)及程序跟蹤； 具有高級(jí)語(yǔ)言的調(diào)試接口； 可對(duì)系統(tǒng)上DSP的寄存器、存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)操作； 可測(cè)量系統(tǒng)