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数字信号处理器(DSP) 原理与应用,傅星 xingfu 17-313 27406941,参考书与相关网址,数字信号微处理器的原理与开发,天津大学出版社,2004 DSP芯片的原理与开发应用(第2版),张雄伟,曹铁勇编著,电子工业出版社,2000 DSP基础与应用系统设计,王念旭编著,北京航空航天大学出版社,2001 ,主要内容,一、DSP的一般概念 二、DSP系统构成及设计方法 三、DSP 芯片的基本结构和特征 四、定点DSP及定点运算 五、浮点DSP及浮点运算 六、TMS320系列DSP芯片的工作原理 七、DSP系统软硬件设计 八、DSP应用实例,一、DSP的一般概念,数字信号处理(Digital Signal Processing) 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 数字信号处理器(Digital Signal Processor)DSP芯片 是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理 器,其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理 算法,1、一般概念,数字信号处理的实现方法,在通用的计算机(如PC机)上用软件(如Fortran、C语言)实现 ;速度慢 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现;应用受限制 用通用的单片机(如MCS-51、96系列等)实现 ;仅限于简单算法 用通用的可编程DSP芯片实现 ;广泛应用 用专用的DSP芯片实现 ;应用受限制,数字信号处理的实现方法,复杂算法,复杂算法,简单算法,复杂算法,复杂算法,适应性,好,嵌入式,较快,专用指令,通用DSP,中等,嵌入式,快,硬件 专用指令,专用DSP,较好,嵌入式,慢,汇编语言编程,单片机,中等,非嵌入式,快,硬件 专用指令,PC机高速处理,较好,非嵌入式,中等,高级语言编程,PC机,性价比,应用场合,速度,实现方法,DSP芯片的主要应用领域,(1)信号处理 (2)图像处理 (3)仪器 (4)声音/语言 (5)控制 (6)军事应用 (7)电信 (8)无线电,DSP芯片的主要应用领域,(1)信号处理 (2)图像处理 (3)仪器 (4)声音/语言 (5)控制 (6)军事应用 (7)电信 (8)无线电,数字滤波 卷积 相关 希尔伯特变换 FFT 自适应滤波 加窗 波形产生,DSP芯片的主要应用领域,(1)信号处理 (2)图像处理 (3)仪器 (4)声音/语言 (5)控制 (6)军事应用 (7)电信 (8)无线电,三维旋转 机器人视觉 图像传输/压缩 同态处理 模式识别 工作站 动画/数字地图,DSP芯片的主要应用领域,(1)信号处理 (2)图像处理 (3)仪器 (4)声音/语言 (5)控制 (6)军事应用 (7)电信 (8)无线电,频谱分析 函数发生器 模式匹配 地震信号处理 数字滤波 锁相环,DSP芯片的主要应用领域,(1)信号处理 (2)图像处理 (3)仪器 (4)声音/语言 (5)控制 (6)军事应用 (7)电信 (8)无线电,声码器 语音识别 语音增强 语音合成,DSP芯片的主要应用领域,(1)信号处理 (2)图像处理 (3)仪器 (4)声音/语言 (5)控制 (6)军事应用 (7)电信 (8)无线电,磁盘控制 数值控制 声控 伺服控制 机器人控制 激光打印机控制 发动机控制 自适应驾驶,DSP芯片的主要应用领域,(1)信号处理 (2)图像处理 (3)仪器 (4)声音/语言 (5)控制 (6)军事应用 (7)电信 (8)无线电,雷达处理 声纳处理 图像处理 导航 导弹制导 高频调制解调器 保密通讯,DSP芯片的主要应用领域,(1)信号处理 (2)图像处理 (3)仪器 (4)声音/语言 (5)控制 (6)军事应用 (7)电信 (8)无线电,回声对消 ADPCM代码转换器 数字交换机 线路转发器解调器 通道多路复用 1200至19200bps调制 自适应均衡 传真 扩频通讯,DSP芯片的主要应用领域,(1)信号处理 (2)图像处理 (3)仪器 (4)声音/语言 (5)控制 (6)军事应用 (7)电信 (8)无线电,全球定位 导航 数字无线电/TV,血压计,DSP系统基本构成,抗混叠 滤波,A/D,D/A,DSP,平滑 滤波,输入,输出,存储器,视频会议系统,数字式家庭影院,电机控制器,POS机,雷达,医学图像监视系统,数码相机,MPEG-4压缩,系统设计的一般方法,需求分析,系统结构选择,系统总体构成,软硬件设计,系统调试,试运行,交付使用,2、DSP芯片主要特点,在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法 程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据 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 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持 快速的中断处理和硬件I/O支持 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器 可以并行执行多个操作 支持流水线操作,使取指、译码和执行操作可以重叠执行,DSP的优缺点,优点:大规模集成性、 稳定性好 精度高 可编程性 高速性能 可嵌入性 接口和集成方便 缺点:成本较高 高频时钟的高频干扰 功率消耗较大等 DSP技术更新速度快,开发和调试工具不尽完善,3、DSP芯片的发展历史,世界上第一个单片 DSP 芯片应当是1978年 AMI公司发布的 S2811 1980 年,日本 NEC 公司推出的PD7720是第一个具有乘法器的商用 DSP 芯片 美国德州仪器(Texas Instruments)公司为世界上最大的 DSP 芯片供应商,其DSP市场份额占全世界份额近 50, AD公司的ADSP2101,ADSP2111, ADSP2171, ADSP21000等系列;Motolora公司的MC56001,MC96002等,DSP芯片的发展(续),完成乘加操作的时间下降到10ns以下 乘法部件占模片区从40下降到5 引脚数从64增加到200以上 重量和体积大大下降 采用低电压,功耗大大下降,TI DSP 芯片发展比较表,TMS320系列主要芯片发展,4、DSP分类,通用,专用,定点(Fixed),浮点(Floating),按基础特性:,按数据格式:,按用途:,静态,一致性(兼容性),运算速度 DSP芯片的价格 DSP芯片的硬件资源 DSP芯片的运算精度 DSP芯片的开发工具 DSP芯片的功耗 其它:,5、DSP的性能指标,DSP芯片的运算速度 指令周期:即执行一条指令所需的时间 MAC时间:即一次乘法加上一次加法的时间 FFT执行时间:即运行一个N点FFT程序所需的时间 MIPS:即每秒执行百万条指令 MOPS:即每秒执行百万次操作 MFLOPS:即每秒执行百万次浮点操作 BOPS:即每秒执行十亿次操作,MIPS(Million Instruction per second)是一种评估DSP速度的一个指标。DSP运行频率也是评估DSP的一个指标,他们二者之间的联系需要考虑到DSP体系结构(是否多路并行结构、是执行定点还是浮点运算)。,价格 商业级 :一般应用;适用于实验室等环境较好场合; 工业级 :可靠性好;适用于工业现场等环境恶劣场合; 军品 :可靠性高;适用于各种恶劣场合; 航空级 :可靠性很高;适用于特殊场合;,硬件资源 内存:RAM、ROM、Flash等 寄存器:通用、特殊功能 I/O数量:单向、双向 寻址能力:直接、间接 定时器、计数器: 通讯接口: 内置功能单元:A/D、D/A等,运算精度 CALU: 寄存器: 硬件乘法器: 片内RAM: 开发工具 功耗 其它 封装的形式: 质量标准: 供货情况: 生命周期:,一般而言,定点DSP芯片的价格较便宜,功耗较低,但运算精度稍低。而浮点DSP芯片的优点是运算精度高,且C语言编程调试方便,但价格稍贵,功耗也较大。,运算量是DSP芯片处理能力的标志,按样点处理,一个采用LMS(Least Mean Square)算法的256 抽头的自适应FIR(Finite Impulse Response)滤波器 假定:3个MAC/抽头 则:2563768个MAC周期 设:采样频率为8kHz,即样点之间的间隔为125s;采样频率为44.1kHz,即样点之间的间隔为22.7s,用DSP芯片实现数字滤波,用DSP芯片实现数字滤波,中低速语音编码算法: 10ms或20ms为一帧,每隔10ms或20ms语音编码算法循环一次。 选择DSP芯片时应该比较一帧内DSP芯片的处理能力和DSP算法的运算量。 假设:DSP芯片的指令周期为 p(ns),一帧的时间为 (ns) 则:在一帧内所能提供的最大运算量为 /p条指令。 如:TMS320LC549-80的指令周期为12.5ns,设帧长为20ms,则一帧内所能提供的最大运算量为160万条指令,按帧处理,二、DSP系统构成及设计方法,输入信号 处理,A/D,D/A,DSP,输出信号 处理,输入,输出,存储器,通讯及 人机接口,DSP系统设计方法,功能及指标,软件结构,用户接口,硬件结构,外输入接口,自上而下,自下而上,从使用者看,从设计者看,DSP系统设计方法,功能及指标,软件结构,用户接口,硬件结构,外输入接口,从中间开始,软硬件交界面,从使用者看,从设计者看,DSP总体设计框图,系统需求说明书,定义技术指标,选择DSP芯片及外围芯片,软件设计说明书,硬件设计说明书,软件编程与测试,硬件电路与调试,系 统 集 成,系统测试,样机、中试与产品,编写C语言源程序,优化ANSI C编译器,汇编语言汇编器,生成目标文件,链接器,生成TMS320汇编文件,编写TMS320 汇编源程序,宏汇编源文件,文档管理器,宏汇编库,输出执行文件,调试器,TMS320目标系统,写EEPROM,软件仿真,软件开发系统,评测模块EVM,系统仿真XDS,软件系统设计框图,确定硬件方案,器件选型,原理图设计,PCB板设计,硬件调试,硬件系统设计框图,A/D,D/A 内存,逻辑控制 通信,总线 人机接口,存储器,CPU,数据传输接口,网络接口,银 行 锁,系统设计实例,磁卡,音频,键盘,显示,打印机,POS机,显示器,CPU,存储器,多路通用接口,电源,系统设计实例,L/R音箱,D/A,D/A,低音,家庭影院,家庭网络,视频接口,CPU,时钟,网络接口,1394,系统设计实例,存储器,音频接口,电源,专用接口,PCI总线,视频会议系统,功率因 数校正,I/V测量,CPU,稳压源,电源,系统设计实例,存储器,功率转换,电机,驱动器,传感器,电机控制器,存储器,主CPU,内部 测量,数据 转换,信号 调理,系统设计实例,专用 电路,通讯接口,控制器,D/A,电 机,雷达,从CPU,存储,专用 电路,系统设计实例,医学图像监视系统,存储器,主CPU,视频 存储,数据 转换,信号 调理,专用 电路,从CPU,从CPU,显示驱动,显 示 器,从CPU,控制,通讯 接口,专用电路,图 像 处 理,输入,输出,三、DSP芯片的基本结构和特征,DSP芯片的基本结构 哈佛结构 流水线操作 专用的硬件乘法器 特殊的DSP指令 快速的指令周期,冯诺曼(Van Neuman)结构,CPU,程序存储器 数据存储器,控制命令,地址线,数据线,哈佛结构,CPU,程序存储器,控制命令,地址线,程序总线,数据存储器,控制命令,地址线,数据总线,流水线,流水线深度从26级不等 多个指令重叠进行,理想情况下,K 段流水能在 K+N-1个周期内,处理 N 条指令,专用的硬件乘法器,在通用的微处理器中,乘法指令是由一系列
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