本科DSP原理与应用第1章绪论课件.ppt

1,第1章 绪论,2,主要内容,什么是DSP为什么使用DSPDSP芯片的特点DSP应用领域DSP的种类DSP芯片的技术发展DSP系统开发步骤,3,什么是DSP？,DSP包括两层概念:Digital Signals Processing 数字信号处理（方法、技术）强调的是对以数字形式表现的信号进行处理和研究的方法。是一门涉及许多学科且广泛应用于许多领域的学科。,基础理论：网络理论、信号与系统、现代控制理论（包括人工智能、模式识别、神经网络、模糊控制）、现代通信理论、故障理论和现代测量等。数学工具：微积分、复变函数、概率统计、随机过程、数值分析、高等代数、线性代数、泛函数等。,4,Digital Signals Processor 数字信号处理器 强调的是通过专用集成电路芯片，利用数字信号处理理论，在芯片上运行目标程序，实现对信号的某种处理。,本课程属于这一层概念，所涉及内容为如何利用DSP芯片进行数字信号的处理。研究的内容为DSP芯片的结构和特点，如何通过软硬件的设计来实现对数字信号的处理。,5,为什么使用DSP,考虑信号处理中最通常的功能：滤波。简单地说，滤波就是对信号进行处理，以改善其特性。例如，滤波可以从信号里清除噪声或静电干扰，从而改善其信噪比.按信号处理采用的方式：数字方式(微处理器)模拟方式(模拟器件),6,模拟系统,模拟信号,实时处理,模拟器件,抗混叠滤波器,A/D,D/A,DSP芯片,平滑滤波器,典型的DSP系统,典型的模拟系统,7,数字系统的特点,精度高,8,可靠性和可重复性,只要误差不超过0、1判决电平,9,集成度高,表面贴装,ASIC芯片,开发,压缩体积降低成本,10,一个硬件系统适用于不同的软件,灵活性好,11,接口方便,以现代数字技术为基础的系统或设备都是兼容的，系统接口方便。,12,1.在通用的微型计算机（PC机）上用软件（如C、Fortran、Matlab）实现。特点：适用于算法仿真 缺点：速度慢 2.用单片机（如MCS-51、96系列等）实现 缺点是：只用于简单数字信号处理3.用通用的可编程DSP芯片实现。与单片机相比,DSP芯片具有更适合于数字 信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂 数字信号处理算法,采用数字信号处理的实现方法,13,4.用于极高速信号处理的专用DSP芯片 特点:要求信号处理的速度极高的场合。5.在通用的计算机系统中加上加速卡实现 需核心含DSP的用户加速卡。6.用FPGA等产品实现数字信号处理算法。专用性太强，成本偏高。,14,DSP芯片的特点,DSP与其他的微处理器的比较数字信号处理的特点DSP特点,15,几种微处理器Microprocessor,通用处理器（GPP）采用冯.诺依曼结构，程序和数据的存储空间合二而一 8086/286/386/486/Pentium/Pentium II/Pentium III Pentium PowerPc 64-bit CPU（SUN Sparc，DEC Alpha,HP）CISC 复杂指令计算机,RISC 精简指令计算机 采取各种方法提高计算速度，提高时钟频率，高速总线，多级Cache，协处理器等,16,Single Chip Computer/Micro Controller Unit（MCU）除通用CPU所具有的ALU和CU，还有存储器（RAM/ROM）寄存器，时钟，计数器，定时器，串/并口，有的还有A/D，D/A INTEL MCS/48/51/96（98）MOTOROLA HCS05/011 DSP采用哈佛结构，程序和数据分开存储 采用一系列措施保证数字信号的处理速度。,17,数字信号处理的特点,累乘加运算 数字信号处理算法大致归纳：滤波:FIR滤波，IIR滤波信号变换（如从时域到频域)卷积(信号混合)相关(信号的比较)高速实时 为此设计的器件必须提供专门的支持，促成了了DSP器件与通用处理器（GPP）的分流.,18,专用的硬件乘法器：对密集的乘法运算的支持 GPP不是设计来做密集乘法任务的，即使是一些现代的GPP，也要求多个指令周期来做一次乘法。如一次16位乘法需80个时钟周期。而DSP处理器使用专门的硬件来实现单周期乘法。,DSP芯片的特点,19,存储器结构：哈佛(Harvard)结构和改进的哈佛结构高速实时的需要,传统上，GPP使用冯.诺依曼存储器结构。这种结构中，只有一个存储器空间通过一组总线（一个地址总线和一个数据总线）连接到处理器核。通常，做一次乘法会发生4次存储器访问，用掉至少四个指令周期。大多数DSP采用了哈佛结构，将存储器空间划分成两个，分别存储程序和数据。它们有两组总线连接到处理器核，允许同时对它们进行访问。这种安排将处理器存贮器的带宽加倍，更重要的是同时为处理器核提供数据与指令。,20,冯.诺依曼结构,哈佛结构,21,改进的哈佛结构,程序存储器,数据存储器,CPU,程序总线,数据总线,22,多总线结构：高速实时需求,23,零开销循环,在DSP算法中的一个共同的特点，即大多数的处理时间是花在执行较小的循环上，也就容易理解，为什么大多数的DSP都有专门的硬件，用于零开销循环。所谓零开销循环是指处理器在执行循环时，不用花时间去检查循环计数器的值、条件转移到循环的顶部、将循环计数器减1。与此相反，GPP的循环使用软件来实现。某些高性能的GPP使用转移预报硬件，几乎达到与硬件支持的零开销循环同样的效果。,24,专门的寻址方式,DSP处理器往往都支持专门的寻址模式，它们对通常的信号处理操作和算法是很有用的。例如，模块（循环）寻址（对实现数字滤波器延时线很有用）、位倒序寻址（对FFT很有用）。这些非常专门的寻址模式在GPP中是不常使用的，只有用软件来实现。,25,流水线操作高速实时需求,DSP指令集是按两个目标来设计的：使处理器能够在每个指令周期内完成多个操作，从而提高每个指令周期的计算效率。将存贮DSP程序的存储器空间减到最小（由于存储器对整个系统的成本影响甚大，该问题在对成本敏感的DSP应用中尤为重要）。为了实现这些目标，DSP处理器的指令集通常都允许程序员在一个指令内说明若干个并行的操作。,26,四级流水线操作,流水线操作,27,特殊的DSP指令 TMS320C54x指令 FIRS LMS指令周期短运算精度高硬件配置强,28,DSP的应用领域,数字峰窝通讯、个人通讯系统、个人数据处理、数字无绳电话通讯、无线数据通讯、网络、计算机电话、语音打包传输、便携Internet音响、Mode、2G/3G手机、数字照相机、IP电话等等,29,移动电话,30,IP电话（voice over IP）,31,硬盘/光盘,32,电子娱乐：高清晰度电视(HDTV),33,34,数字相机(DC),35,36,军事应用,37,Radar/Sonar,38,TOMAHAWK CRUISE MISSILE（战斧),39,Navigation Systems(GPS),40,Medical Imaging:Ultrasound,41,DSP芯片的种类,1按基础特性分 根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的 静态DSP芯片 TMS320C2xx系列 一致性DSP 芯片2按用途分 通用DSP芯片 专用DSP芯片,42,3按数据格式分 定点DSP芯片 浮点DSP芯片,m位整数部分,n位小数部分,.,Q m.n表示法,43,.,.,Q 15.0,Q 0.15,范围-215 215-1 精度1,范围(1-1)精度 2-15,44,DSP芯片技术的发展,1978年，AMI公司生产的S2811；1979年美国Intel公司的商用可编程器件2920；这两种是DSP芯片的一个主要里程碑。特点：没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980年，日本NEC公司推出PD7720。特点：是第一片具有乘法器的商用DSP芯片。,45,1982年，美国德州仪器公司（Texas InstrumentsTI）推出第一代DSP TMS320010及其系列产品，目前已发展到第六代。TI公司的系列DSP产品已经成为了当今世界最有影响的DSP芯片，其DSP市场占有量占全世界份额的近50%，成为世界上最大的DSP芯片供应商。,46,1982年，日本东芝公司推出浮点DSP芯片。1984年，AT&T公司推出DSP32，是较早的具备较高性能的浮点DSP芯片。1986年，Motorola公司推出了定点DSP MC56001。1990年，推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC96002。美国模拟器件公司（Analog DevicesAD）相继推出了定点DSP芯片ADSP21xx系列，浮点DSP芯片ADSP210 xx系列。,47,1TI公司的DSP芯片 TI公司常用的DSP芯片可以归纳为三大系列：（1）TMS320C2000系列，称为DSP控制器，集成了flash存储器、高速A/D转换器以及可靠的CAN模块及数字马达控制的外围模块，适用于三相电动机、变频器等高速实时工控产品等需要数字化的控制领域。（2）TMS320C5000系列，这是16位定点DSP。主要用于通信领域，如IP电话机和IP电话网关、数字式助听器、便携式声音/数据/视频产品、调制解调器、手机和移动电话基站、语音服务器、数字无线电、小型办公室和家庭办公室的语音和数据系统。,主要的DSP芯片种类,48,（3）TMS320C6000系列DSP 采用新的超长指令字结构设计芯片。其中2000年以后推出的C64x，在时钟频率为1.1GHz时，可达到8800MIPS以上，即每秒执行90亿条指令。其主要应用领域为：1）数字通信 完成FFT、信道和噪声估计、信道纠错、干扰估计和检测等。2）图像处理 完成图像压缩、图像传输、模式及光学特性识别、加密/解密、图像增强等。,49,1DSP芯片的运算速度 MAC时间：一次乘法和一次加法的时间。大部分DSP芯片可在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法操作。FFT执行时间：运行一个N点FFT程序所需时间。由于FFT运算在数字信号处理中很有代表性，因此FFT运算时间常作为衡量DSP芯片运算能力的一个指标。MIPS：每秒执行百万条指令。MOPS：每秒执行百万次操作。MFLOPS：每秒执行百万次浮点操作。BOPS：每秒执行十亿次操作。,选择芯片考虑的因素,50,2DSP芯片的价格 如果采用价格昂贵的DSP芯片，即使性能再好，其应用范围也受到一定限制，尤其是民用产品。3DSP芯片的硬件资源 不同DSP芯片所提供的硬件资源不同，如片内RAM、ROM的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口、I/O接口等。4DSP芯片的运算精度 一般的定点DSP芯片字长为16位，少数24位。浮点芯片的字长一般为32位，累加器为40位。,51,5DSP芯片的开发工具 在DSP系统的开发过程中，如果没有开发工具的支持，要想开发一个复杂的DSP系统几乎是不可能的。功能强大的开发工具，可使开发时间大大缩短。6DSP芯片的功耗 便携式的DSP设备、手持设备、野外应用的DSP设备等对功耗有特殊的要求。7其他因素 除了上述因素外，还要考虑到封装形式、质量标准、供货情况、生命周期等。,52,一般地讲：定点DSP芯片的价格较便宜，功耗较低，但运算精度稍低。浮点DSP芯片的优点是运算精度高，用C语言编程调试方便，但价格稍高，功耗较大。DSP应用系统的运算量是确定选用DSP芯片处理能力的基础。运算量小，则可选用处理能力不是很强的DSP芯片，降低系统成本。如果单片DSP芯片达不到要求，则需选用多个DSP芯片并行处理。,53,DSP系统的设计思路,抗混叠滤波器,A/D,D/A,DSP芯片,平滑滤波器,典型的DSP系统,54,DSP总体设计框图,根据需求写出任务说明书,根据任务书确定技术指标,DSP芯片及外围芯片,总体设计确定软硬件分工,软件设计说明书,硬件设计说明书,软件编程与调试,硬件（.sch/.pcb）,系统集成,硬件调试,系统测试、样机完成、中试、产品测试与生产,