DSP原理与应用PPT.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,DSP,原理与应用,*,*,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 Processor,s,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,FIFO,Cache,外部,RAM,接口,通信口,SPI,SCI,CAN(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:,TMS320C2000,TMS320C5000,TMS320C6000,TMS320C3X,Analog Devices:,ADSP-21xx,SHARC DSP,TigerSharc DSP,blackfin,Motorola:,DSP560 xx,DSP563xx,DSP566xx,DSP568xx,Lucent:,DSP-16xx,DSP-16xxx,Lucent+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。,C24X,C28X,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,20,40 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。,C54X,C55X,OMAP 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,30,532 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 BGAs,TM,),；,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 DSP,OMAP,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-A9,3D,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,1200,5760 MIPS,，在浮点可以达到,600,1350 MFLOPS,。,C64X,C62X/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,300,720 MHz,指令执行速度可达,2400,5760 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,TMS320C28335,32,位,C28X+32,位单精度浮点运算,(FPU),150MHz,，,1.9V,内核，,3.3V IO,32,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 ROM,88,路复用,IO,128,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,I2C,16,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,，,1999,2.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，,2000,10.R.Bhargava,R.Radhakrishnan,B.L.Evans etc,“Evaluating MMX Technology Using DSP and Multimedia Applications,”Proc.IEEE Sym.On Microarchitecture,pp.37-46,1998.,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,