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DSP原理与应用The Technology&Applications of DSPs,第一章:概述,第1.1节 概述第1.2节 DSP芯片分类和特点第1.3节 选择DSP芯片的原则习题,第1.1节 概述什么是DSP(What is DSP?),数字信号处理和模拟信号处理,第1.1节 概述什么是DSP(What is DSP?),DSP(Digital Signal Processing)数字信号处理(DSP，Digital Signal Processing)是指为得到满足人们需要的信号形式而对数字化的信号进行处理的数学原理、方法和手段，也就是说将现实世界的模拟信号转换成数字信号，再用数学的方法来处理此数字信号，得到相应的结果。例如IIR、FIR、FFT,第1.1节 概述什么是DSP(What is DSP?),DSP算法的实现基于PC的软件实现各种软件编解码器，如mp3 player,avi播放器等硬件实现MCU实现FPGA/ASIC实现DSPs实现,第1.1节 概述什么是DSP(What is DSP?),DSPs(Digital Signal Processors)数字信号处理器（Digital Signal Processors,DSPs）是指一类具有专门为完成数字信号处理任务而优化设计的系统体系结构、硬件和软件资源的单片可编程处理器件。,第1.1节 概述为什么用DSP(Why DSPs?),DSPs专为DSP算法进行优化为数学计算而设计DSPs是可编程的可方便地修改和更新程序DSPs高度集成化多种外设、功耗低,第1.1节 概述为什么用DSP(Why DSPs?),DSPs特点：(1)哈佛总线结构(2)流水线技术(3)片内多总线并行技术(4)软、硬件等待功能(5)独立的乘法器和加法器(6)低功耗、体积小、价格低(7)DMA通道和通信口(8)中断和定时器,(1)哈佛总线结构,第1.1节 概述为什么用DSP(Why DSPs?),冯诺曼结构,哈佛结构,改进的哈佛结构,第1.1节 概述为什么用DSP(Why DSPs?),(1)哈佛总线结构,冯诺曼结构处理器指令流与时钟的关系,哈佛结构处理器指令流与时钟的关系,第1.1节 概述为什么用DSP(Why DSPs?),(2)流水线技术流水线概念取自工厂自动化生产线，它是一种可以使两个或更多的操作在执行时发生重叠的技术，在流水线操作中，一个任务被分解为若干子任务，这样它们就可在执行时相互重叠。一个子任务被称为一个流水段。,第1.1节 概述为什么用DSP(Why DSPs?),(3)片内多总线并行技术DSP可以充分利用哈佛结构多重总线的优点，在一个周期里使内部的各个处理单元同时工作，实现高度的并行处理。如在一个周期里可以同时完成取指令、计算下一个指令的地址、执行一个或两个数据传输、更新一个或两个地址指针并且进行计算等等。F28335包含程序读总线、数据读总线、数据写总线,第1.1节 概述为什么用DSP(Why DSPs?),(4)软、硬件等待功能可设定的软件等待周期外部设备数据就绪指示(硬件等待),第1.1节 概述为什么用DSP(Why DSPs?),(5)独立的乘法器和加法器硬件乘法器多种乘法乘法输入输出寄存器乘法加法器,第1.1节 概述为什么用DSP(Why DSPs?),(5)独立的乘法器和加法器实时处理,如果等待时间0,则可以称这个应用为一个实时应用应用举例：16bits,20kHz音频512*512*16bits,30fps视频,第1.1节 概述为什么用DSP(Why DSPs?),(6)低功耗、体积小、价格低DSPs同PC用CPU比较(pentium,AMD等)尺寸功耗价格构成DSPs应用场合价格低、尺寸小、低功耗、实时性要求高的场合通用处理(General Purpose Processor)应用场合大内存、高级操作系统,第1.1节 概述为什么用DSP(Why DSPs?),(7)DMA通道和通信口存储技术双口存储器SARAM寄存器文件FIFOCache外部RAM接口通信口SPISCICAN(optional),第1.1节 概述为什么用DSP(Why DSPs?),(8)中断和定时器多级多路中断源多个定时器应用:信号处理,通信,语音,图形图像,军事,仪器仪表,自动控制,医疗,家用电器,第1.2节 DSP的分类和特点,Texas Instruments:TMS320C2000TMS320C5000TMS320C6000TMS320C3X,Analog Devices:ADSP-21xxSHARC DSPTigerSharc DSPblackfin,Motorola:DSP560 xxDSP563xxDSP566xxDSP568xx,Lucent:DSP-16xxDSP-16xxxLucent+Motorola:StarCore 140 Core,第1.2节 DSP的分类和特点,功能上分通用型TI TMS320，AD ADSP-21xx,DSP56X，StarCore 140专用型ADV601混合型TI OMAP数据格式上分定点型浮点型,第1.2节 DSP的分类和特点,第1.2节 DSP的分类和特点,TMS320C2000TM DSP平台(C2000TM DSP)该平台提供了推动数字控制最全面的DSP解决方案。该平台采用内存等片上外设、超高速A/D转换器以及强大、可靠的CAN模块相组合。C2000 DSP平台创造了性能与外设集成的新标准。最新的C2000DSP控制器(TMS320F28xx DSP)的目标是工业自动化、光纤网络以及汽车控制应用。C24XC28X,第1.2节 DSP的分类和特点,TI TMS320C24x DSP系列(定点)(1)规格：40 MIPS的运行速率；3种断电模式；代码兼容、控制优化DSP；基于JTAG扫描的仿真；3.3 V与5 V设计。,第1.2节 DSP的分类和特点,TI TMS320C24x DSP系列(定点)(2)应用:数字化马达控制电气、压缩机、工业自动化、不间断电源(UPS)系统、汽车刹车与操纵系统、电气仪表、打印机与复印机、手持电源工具、电子冷却系统、智能传感器、可调激光、消费类产品(加油泵、工业频率转换器、远程监控、ID标签阅读器)。,第1.2节 DSP的分类和特点,TI TMS320C24x DSP系列(定点)(3)特性：375 ns(最低转换时间)模数(A/D)转换器;死区逻辑;双通道10位A/D转换器;4个16位通用定时器;看门狗定时器模块;16条PWM通道;41个GPIO引脚;5个外部中断；2个事件管理器；,第1.2节 DSP的分类和特点,TI TMS320C24x DSP系列(定点)(3)特性：32 KB分扇区闪存；。控制器域网络(CAN)接口模块；串行通信接口(SCI)；串行外设接口(SPI)；6个采集单元(4个带QEP)；引导ROM(LF240A器件)；针对片上闪存/ROM的代码安全性(L240A器件)。,第1.2节 DSP的分类和特点,TI TMS320C28x DSP系列(定点)(1)规格：32位定点C28xTM DSP内核；150 MIPS的速率运行；1.9 V内核与3.3 V外设。(2)应用：照明，光纤网络(ONET)，电源，工业自动化，消费类产品。,第1.2节 DSP的分类和特点,TI TMS320C28x DSP系列(定点)(3)特性：针对任何中断的超高速2040 ns服务时间；强大的20 Mb/s数据记录调试功能；32/64位饱和度，单循环读修改写指令，64/32与32/32模数除法；高性能ADC；增强的工具套件，具备C与C+支持；独特的实时调试功能；3232单循环定点MAC，双通道1616单循环定点MAC；,第1.2节 DSP的分类和特点,TI TMS320C28x DSP系列(定点)(3)特性：具备16位指令支持，以提高代码效率；兼容TMS320C24x DSP与TMS320C2xLP源代码。128 K分扇区闪存；12位A/D、12.5 MSPS吞吐量、80 ns最低转换时间；2个事件管理器，2个串行通信接口模块；SPI，McBSP模块；增强的CAN模块；引导ROM；针对片上闪存的代码安全性。,第1.2节 DSP的分类和特点,TMS320C5000 DSP平台该平台可提供20多种器件，包括OMAP5910处理器，其在单个芯片上集成了TMS320C55xTM DSP内核与TI 增强的ARM。C5000DSP平台是功耗敏感的系统设计人员的最佳选择，可以提供0.33 mA/MHz的低功耗以及高达600 MIPS的性能。C54XC55XOMAP 4 Platform,第1.2节 DSP的分类和特点,TI TMS320C54x DSP系列(定点)(1)规格:16位定点DSP；100 MIPS情况下，功耗低于60 mW；提供30532 MIPS性能的单核与多核产品；提供1.2 V、1.8 V、2.5 V、3.3 V与5 V版本；3种断电模式；全面的RAM与ROM配置；自动缓冲串行端口；多信道缓冲串行端口；主机端口接口；超薄封装(100、128、144与176引脚LQFP；144、176与169引脚MicroStar BGAsTM)；每核6通道DMA控制器。,第1.2节 DSP的分类和特点,TI TMS320C54x DSP系列(定点)(2)应用：数字蜂窝通信、个人通信系统(PCS)、寻呼机、个人数字助理、数字无绳通信、无线数据通信、网络、计算机电话、分组语音、便携的互联网音频、调制解调器。(3)特性：集成Viterbi加速器；40位加法器与2个40位累加器，以支持并行指令；40位ALU，带两个16位配置功能，用于双单循环运行；1717乘法器，可实现16位带符号乘法运算；4条内部总线与双地址生成器，可实现多程序和数据提取；单循环归一化与指数编码；8个辅助寄存器和1个软件堆栈，可实现高级定点DSP C编译程序；用于电池驱动应用的断电模式。,第1.2节 DSP的分类和特点,TI TMS320C55x DSP系列(定点)(1)规格：内核可以为高达600 MIPS。在整个C5000 DSP平台上可实现软件兼容。功耗0.15mW/MHz。(2)应用：功能丰富的便携产品，2G、2.5G、3G手机与基站，数字音频播放器，数码相机，电子图书，语音识别，GPS接收器，指纹/模式识别，无线调制解调器，耳机，生物辨识。,第1.2节 DSP的分类和特点,TI TMS320C55x DSP系列(定点)(3)特性：高级自动电源管理；可配置的空闲域，以延长电池寿命；缩短调制过程，从而加快产品上市进程。C5501/C5502 DSP：C5509 DSP：144/200 MHz时钟频率；256 KB RAM，64 KB ROM；3个McBSP；I2C；看门狗定时器；通用定时器。新型的C5509 DSP外设。USB 2.0全速(12 Mb/s)、10位ADC、实时时钟(RTC)、到MMC与SD的无缝媒体接口,第1.2节 DSP的分类和特点,TI OMAP5910 DSPOMAP即开放多媒体应用平台(Open Multimedia Application Platform)。双内核OMAP5910处理器是在单个芯片上集成了TMS320C55xTM DSP内核及TI增强型ARM925。它能够实现极高性能与低功耗的完美组合。这种独特的架构可以同时为DSP和ARM开发人员提供极具吸引力的解决方案，在融合了ARM的指令与控制功能的情况下，能够提供DSP的低功耗与实时信号处理功能。应用范围非常广泛，从互联网应用到军事与政府移动系统，无所不含。,第1.2节 DSP的分类和特点,(1)应用：因特网设备、增强型游戏、Webpad、销售点设备、医疗器件、业界专用PDA、远程信息、数字媒体处理、安全性、软件无线电。(2)特性：150 MHz的TI增强ARM925微处理器：16 KB指令高速缓冲存储器以及8 KB数据缓冲器；数据与指令MMU；32位与16位指令集。150 MHz TMS320C55xTM DSP内核：24 KB指令高速缓冲存储器；160 KB SRAM；用于视频算法的硬件加速器。,第1.2节 DSP的分类和特点,(3)外设与片上资源：192 KB共享SRAM；用于SDRAM与闪存的2个16位内存接口；9通道系统DMA控制器；LCD控制器；USB 1.1主机与客户机；MMC/SD卡接口；7个串行端口，外加3个UART；9个定时器；键盘接口；小型、289引脚、12 mm12 mm(GZG)或9mm19 mm(GDY)MicroStar BGAs封装选项,第1.2节 DSP的分类和特点,(4)OMAP 4 平台处理器：,第1.2节 DSP的分类和特点,(4)OMAP 4 平台处理器：转为智能手机、平板电脑和其他移动多媒体设备设计硬件1080p多标准高清视频编解码视频捕捉和拍照硬件双核ARM Cortex-A93D图形加速卡移动应用平台Win CE,Linux,TI DSP/BIOS,Android,第1.2节 DSP的分类和特点,TMS320C6000 DSP平台该平台融合了高性能硬件与丰富的开发资源，带来了低成本与低功耗，并能够提供高达720 MHz的时钟频率。该平台具有众多代码完全兼容的器件。其性能在定点可以达到12005760 MIPS，在浮点可以达到6001350 MFLOPS。C64XC62X/C67X,第1.2节 DSP的分类和特点,TMS320C64X DSP平台(1)规格:TMS320C64x DSP的高性能核心可提供高达1 GHz的可扩展性能;业界中速度最快的DSP，性能高达720 MHz(5760 MIPS);C64xTM DSP与TI的C62xTM DSP在软件方面具有兼容性。(2)应用：DSL与调制解调器组、基站收发器、无线LAN、企业PBX、多媒体网关、宽带视频代码转换器、视频流服务器与客户机、高速扫描影像处理(RIP)引擎、网络相机。,第1.2节 DSP的分类和特点,TMS320C64X DSP平台(3)特性:时钟频率可达300720 MHz,指令执行速度可达24005760 MIPS，具有各种外设TMS320C6411 DSP：256 KB字节L2内存。TMS320C6412 DSP：灵活的32位PCI、32位HPI或10/100 Mb以太网MAC；256 KB字节L2内存。TMS320C6414 DSP：三个多信道缓冲串行端口(McBSP);32位主机端口接口(HPI)。TMS320C6415 DSP：灵活的32位/33 MHz PCI或32位HPI;用于ATM(UTOPIA)或McBWSP的PHY接口。,第1.2节 DSP的分类和特点,TMS320C2833532位C28X+32位单精度浮点运算(FPU)150MHz，1.9V内核，3.3V IO32位CPU,32位FPU,16*16 32*32 乘法器6路DMA通道32位外部接口RAM,FLASH,可外扩Boot ROM88路复用IO128位加密锁18路PWM输出，6个事件捕捉器3个独立32位定时器2路CAN,3路SCI,2路SPI,1路I2C16路12位80ns AD转换器支持C/C+编程,低功耗模式,第1.3节 选择DSP芯片的原则,设计DSP系统，首先应确定所设计DSP系统的性能指标，选择合适的DSP芯片，不同的DSP应用系统由于应用场合、应用目的不尽相同，对DSP芯片的选择也是不同的。,第1.3节 选择DSP芯片的原则,1.设计DSP系统应考虑的技术指标(1)由信号的频率范围确定系统的最高采样频率(2)由采样频率、要进行的最复杂算法所需要时间来判断系统能否实时工作(3)由以上因素确定何种类型的DSP芯片的指令周期可满足需求；(4)由数据量的大小确定所使用的片内RAM及需要扩展的RAM的大小；(5)由系统所需要的精度来确定是采用定点运算还是浮点运算；(6)根据系统是计算用还是控制用来确定I/O端口的需求。,第1.3节 选择DSP芯片的原则,2.选择DSP需要考虑的因素(1)DSP芯片的运算速度：指令周期(MOPS)MAC时间(MACS)FFT执行时间 MIPS BDTI Benchmark(2)DSP芯片的硬件资源。(3)DSP芯片的运算精度。(4)DSP芯片的价格。(5)DSP芯片的开发工具。(6)DSP芯片的功耗。,第1.3节 选择DSP芯片的原则,3.一般原则(1)主流产品，在DSP市场上占较大的份额；(2)用户众多，便于与他人交流；(3)性能/价格比好。(4)其他:除了上述因素外，选择DSP芯片还应考虑到封装的形式、质量标准、供货情况、生命周期等。,习题,1.请详细描述传统的DSP芯片的主要结构特点。2.结合所在实验室的某项目，做一篇DSP选型报告，要求有项目描述、重点问题、选型依据、性能比较等内容。(以下3和4任选一题即可）3.目前数字信号处理应用的实现方案很多，主要采用包括：(1)DSP processors(2)FPGA:field programmable gate array(3)ASSP:application specific standard product(4)ASIC:application specific integrated circuit 请简单描述(2)(3)(4)，并分别列举出一个具体的芯片及其相应的应用实例。4.目前数字信号处理器件(DSP)的发展趋势主要包括：(1)通过体系结构的改进大幅提升芯片的处理能力，并降低相应的处理功耗。(2)提供更高的单片集成度，包括提供更多的片上存储器和外设等，以及集成协处理器，如高性能的MCU core等。请在(1)(2)中任选一项进行简单的描述。可以列举出一个具体的芯片，描述其主要特点，与(1)或(2)相对应地描述其主要的改进之处。,参考文献,1.Steven W.Smith,“The Scientist and Engineers Guide to Digital Signal Processing”,Chapter28，19992.BDTI,“The Evolution of DSP Processors”3.BDTI,“Evaluating DSP Processor Performance”4.BDTI,“Choosing a DSP Processor”5.BDTI,“The BDTImark2000:A Measure of DSP Execution Speed”6.BDTI,“Pocket Guide to DSP Processors and Cores”7.A.L.Lilein,“Digital Signal Processors vs.Universal Microprocessors”8.BDTI,“Understanding the New DSP Processor Architectures”9.张雄伟，“DSP芯片的原理与开发应用”，电子工业出版社，200010.R.Bhargava,R.Radhakrishnan,B.L.Evans etc,“Evaluating MMX Technology Using DSP and Multimedia Applications,”Proc.IEEE Sym.On Microarchitecture,pp.37-46,DSP原理与应用第一讲 概述,北京交通大学电气工程学院 夏明超 郝瑞祥 万庆祝鸣谢:张辉 清华-TI联合实验室 赵明忠等 西安电子科技大学,