dsp原理及应用概论.ppt
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1、DSP原理及应用,本课程的要求,考勤:严禁旷课、迟到,随机点名,无故旷课达30%,取消期末考资格;迟到、早退三次算一次旷课。有事提前请假,点名后补假条无效;,作业:每人准备一个笔记本,作业本,不能用单页纸,学期末作业本就是一本复习提纲。按时完成作业,严禁抄袭,发现者不论是抄袭者还是被抄者,全部按未交作业处理。未按时交作业者:晚4个小时,成绩扣除5%,晚12个小时,扣除30%,晚24小时,成绩扣除60%,晚48小时,成绩为0。,总成绩=考试成绩*0.7+作业实验*0.2+考勤*0.1,有关本课程学习的几点建议,本课程的前期基础课程数字电路、微机原理、单片机原理及应用、数字信号处理,本课程是一门实
2、践性、应用性很强的学科,对于课程的理解主要在于课下的功课。,硬件/软件同样重要、不可偏废 硬件是系统的基础,软件是系统的灵魂,课堂授课时间分配:(40学时),CH1 概述 4CH2 TMS320VC33结构 6CH3 存储器和高速缓冲器 2CH4 外围 6CH5 数据格式和浮点运算 2CH6 寻址方式 6CH7 汇编语言指令 4CH8 流水线操作 2CH9 公共目标文件 2CH10 十六进制转换与引导 2CH11 硬件应用 2复习答疑 2,第一章 DSP技术概述,基本内容和要求:1了解数字信号处理技术和数字信号处理器的概念2理解可编程DSP芯片的基本结构;3了解DSP芯片与其他微处理器的优缺点
3、;4理解DSP系统的基本组成及设计步骤;5掌握DSP系统中的DSP芯片的选择原则;6掌握描述DSP运算速度的指标;7.了解DSP技术新的发展动态、芯片型号及应用领域。,第一章 DSP技术概述,1.3 DSP开发,1.1 DSP系统概述,1.2 DSP芯片,1.1 DSP系统概述,DSP系统,模拟系统,数字信号,模拟信号,运算过程,强调控制,实时处理,FPGA/CPLD,DSP芯片,模拟器件,DSP的基本概念,信号:一个或多个自变量的函数。自变量:时间、距离、温度、压力 对应信号维数信号的分类:模拟信号 时域离散信号 数字信号,DSP(Digital Signal Processing)也就是我
4、们常说的数字信号处理,它是利用计算机或专用处理设备,以数字形式对信号进行采集,变换,滤波,估值,增强,压缩,识别等处理,以得到符合人们需要的信号形式。,DSP的含义数字信号处理(Digital Signal Processing)数字信号处理的理论和算法数字信号处理器(Digital Signal Processor)实现数字信号处理算法的微处理器芯片,DSP的基本概念,一个典型的数字信号处理系统,微处理器是数字信号处理系统的核心部件,通常采用DSP芯片,也可采用其它处理器芯片,A/D与D/A转换器建立起了数字世界与现实模拟世界之间的桥梁。,一个典型的数字信号处理算法FIR滤波器,乘与累加(M
5、AC)是数字信号处理中的典型计算,数字信号处理系统中 微处理器的选择通用微型计算机(PC机)普通单片机(如MCS-51、96系列等)专用集成电路(ASIC)DSP处理器,优点:编程容易,便于实现缺点:速度慢、成本高、体积大,难以进行实时信号处理和嵌入式应用,优点:成本低廉缺点:性能差、速度慢,优点:速度高、大规模生产成本低;缺点:开发成本高、通用性差。,针对数字信号处理的要求而设计,是数字信号处理系统设计中采用的主流芯片。优点:灵活、高速、便于嵌入式应用,DSP系统的特点,1.精度高,速度快,模拟网络元件(R、L、C等),精度10-3,模拟网络系统,难,数字系统,16位字长,DSP、D/A,精
6、度10-5,2.可靠性强,稳定性好,信号,放大器A,信号,放大器B,计算机A,计算机B,A、B结果可能不同,A、B结果果相同,只要误差不超过0、1判决电平,3.集成度高,DSP系统,表面贴装,ASIC芯片,DSPCPLDFPGA,开发,压缩体积降低成本,4.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。,5.灵活性好,DSP系统,DSPCPLDFPGA,可编程,可编程,可编程,改变软件,不同的功能,硬件更简单,DSP系统开发周期大大缩短,6.保密性好,DSP系统,DSPCPLDFPGA,可编程,可编程,保密性好,隐蔽内部总线地址变化,做成ASIC,保密性能几乎无懈可击,7
7、.时分复用,信号的采样频率与DSP系统的运算速度相比较低的场合。,系统n,信道1,信道2,信道n,实时性要求不高的场合。,应用场合,DSP系统,系统2,系统1,2.2 DSP芯片,一、DSP芯片的特点二、DSP芯片的发展历程三、DSP芯片的基本结构四、DSP芯片的分类五、DSP芯片的选择六、DSP芯片的应用,一 DSP芯片的特点,(1)采用哈佛结构,程序和数据存储空间分开,可以同时访问指令和数据;(2)具有专用硬件乘法器,可在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法;(3)支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行;(4)精度高,16位的字长,动态范围96DB,32位浮点数,动态范围15
8、36DB;(5)指令丰富,适合于FIR,IIR,FFT;(6)片内具有快速 RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问;(7)可以并行执行多个操作;特殊的DSP指令。(8)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。,二、DSP芯片的发展历程,发展历史诞生于20世纪70年代末第一阶段,DSP的雏形阶段(1980年前后)1978年,AMI公司生产出第一片DSP芯片S2811 1979年,美国Intel公司推出商用可编程器件DSP芯片Intel2920,1980年,日本NEC公司推出PD7720,第一片具有乘法器的商用DSP芯片1982年,TI公司成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系
9、列产品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17日本Hitachi公司第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片1983年,日本Fujitsu公司推出的MB8764,指令周期为120ns,具有双内部总线,使数据吞吐量发生了一个大的飞跃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,第二阶段,DSP的成熟阶段(1990年前后)硬件结构:更适合数字信号处理的要求,能进行硬件乘法和单指令滤波处理,其单指令周期为ns。如:TI公司的TMS320C20和TMS320C30,CMOS制造工艺,存储容量和运算速度成倍提高,为语音处理、图像处理技术的发展奠
10、定了基础。主要器件有:TI公司的TMS320C20、30、40、50系列,Motorola公司的DSP5600、9600系列,AT&T公司的DSP32等。,第三阶段,DSP的完善阶段(2000年以后)信号处理能力更加完善,而且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步降低、成本不断下降 各种通用外设集成到片上,大大地提高了数字信号处理能力 DSP运算速度可达到单指令周期10ns左右,可在Windows 下用C语言编程,使用方便灵活广泛应用:通信、计算机领域,并渗透到日常消费领域,DSP芯片的 发展现状,制造工艺存储器容量 内部结构 运算速度 高度集成化 运算精度和动态范围 开发工具,
11、具有较完善的软件和硬件开发工具,如:软件仿真器Simulator、在线仿真器Emulator、C编译器和集成开发环境CCS等,给开发应用带来很大方便。CCS是TI公司针对本公司的DSP产品开发的集成开发环境。它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能,而且支持C/C+和汇编的混合编程。开放式的结构允许外扩用户自身的模块。,普遍采用0.25m或0.18m亚微米的CMOS工艺。引脚从原来的40个增加到200个以上,需要设计的外围电路越来越少,成本、体积和功耗不断下降。,芯片的片内程序和数据存储器可达到几十K字,而片外程序存储器和数据存储器可达到16M48位和4G40位以上。,芯片内部均采用多总
12、线、多处理单元和多级流水线结构,加上完善的接口功能,使DSP的系统功能、数据处理能力和与外部设备的通信功能都有了很大的提高。,指令周期从400ns缩短到10ns以下,其相应的速度从2.5MIPS提高到2000MIPS以上。如TMS320C6201执行一次1024点复数FFT运算的时间只有66uS。,集滤波、A/D、D/A、ROM、RAM和DSP内核于一体的模拟混合式DSP芯片已有较大的发展和应用。,DSP的字长从8位已增加到64位,累加器的长度也增加到40位,从而提高了运算精度。同时,采用超长字指令字(VLIW)结构和高性能的浮点运算,扩大了数据处理的动态范围。,DSP技术的发展趋势,DSP的
13、内核结构将进一步改善DSP和微控制器的融合 DSP和高档CPU的融合 DSP 和FPGA的融合 实时操作系统RTOS与DSP的结合 DSP的并行处理结构 功耗越来越低,三 DSP芯片的基本结构,哈佛结构;Von Neumann-冯.诺依曼Harvard 哈佛Von Neumann:数据、代码共享内存空间数据、代码共享内存总线Example:Intels x86 Pentium Processor familyHarvard:数据、代码独立存储空间数据、代码独立存储总线Improve Harvard:允许数据存放在程序存储器中,并被算术运算指令直接使用增强了芯片的灵活性指令存储在高速缓冲器中,当
14、执行此指令时,不需要再从存储器中读取指令,节约了一个指令周期的时间,(2)流水线 TMS320系列处理器的流水线深度从2-6级不等,也就是说,处理器可以并行处理2-6条指令,每条指令处于流水线上的不同阶段。例如在一个三级流水线操作中,取指,译码和执行操作可以独立地处理,这可使指令执行能够完全重叠。这样就增强了处理器的处理能力。,(3)专用硬件乘法器 在一般形式的FIR滤波器中,乘法是DSP的重要组成部分。在TMS320系列中,由于具有专用的硬件乘法器,乘法可以在一个指令周期内完成。这样可以大量降低FIR的计算时间。,(4)特殊DSP指令;在TMS320系列中有一些特殊的DSP指令,它们在一个指
15、令周期内用一条指令就可以实现普通需要几条指令才可以实现功能,如MAC指令,它可以在一个指令周期中完成一次乘法和一次加法运算。这样即节省了时间,又提高了编程的灵活性。并行、跳转、延迟指令,四 DSP芯片的分类,定点和浮点 定点:结构简单、速度快、精度低,动态范围小 TI:C1X、C2X、C5X Motorola:MC56000 AD:ADSP21xx 浮点:数据动态范围大,运算精度高,实时性好 TI:C3X、C4X、C8X Motorola:MC96001 AT&T:DSP32/32C,四 DSP芯片的分类,通用和专用 通用普通DSP芯片 TI:TMS320系列 专用特定DSP芯片,数字滤波、卷
16、积和FFT Motorola:DSP56200,四 DSP芯片的分类,静态和一致性(工作时钟和指令类型)静态在时钟频率范围内任何时钟频率上,DSP均 正常工作,除速度外,性能不变。TI:TMS320C2x 一致性多种DSP处理器的指令系统和相应的机器代码及引脚结构相互兼容。TI:TMS320C54x,五 DSP芯片的选择,设计DSP应用系统,选择DSP芯片是非常重要的一个环节。只有选定了DSP芯片才能进一步设计其外围电路及系统的其它电路。选择原则:根据实际应用系统需要、应用场合、目的,选择满足所需功能、成本低、耗电小、使用方便、有技术支持、升级方便的芯片。,1TI公司的DSP芯片 TI公司常用
17、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,(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C6
18、4x,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。,2AD公司的DSP芯片 特点:系统时钟一般不经分频直接使用。定点DSP芯片的程序字长为24位,数据字长为16位。一般具有2个串行口、1个内部定时器和3个以上的外部中断源,此外还提供8位EPROM程序引导方式。浮点DSP芯片,程序存储器为48位,数据存储器为40位,支持32位单精度和40位扩展精度的IEEE浮点格式,内部具有3248位的程序C
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