第1章-dsp发展概述

DSP原理与应用技术第1章绪论1.1DSP系统及DSPs芯片的特点1.1.1DSP技术的发展1.信号处理信号处理本质上是对自然界中的物理过程或系统进行变换、分析或设计，目的是从中获取感兴趣的信息。传统的信号处理或系统分析采用模拟技术进行，其处理设备和器件均为模拟器件，包括电阻、电容和运算放大器等。2.数字信号处理技术20世纪60年代以来，随着大规模集成电路、数字计算机等信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应用而生并得到快速发展。数字信号处理DSP(DigitalSignalProcessing)技术是指数字信号处理理论的应用实现技术，它以数字信号处理理论、硬件技术、软件技术为基础和组成，研究数字信号处理算法及其实现方法。1.1DSP系统及DSPs芯片的特点数字信号处理算法以数学为基础和工具，研究数字信号处理的数值计算实现方法，包括算法结构、数值特性。数字信号处理软件技术在特定的开发环境下编写、调试应用程序，并存储在存储器中。数字信号处理硬件技术以微电子技术为基础，研究完成数字信号处理算法的专用处理器结构、提高处理器速度的技术方法、数字信号处理系统设计与实现方法等3.数字信号处理的应用（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）无线电通信72％，计算机12％军品4％，工业3％，仪器2％消费类2％，办公自动化2％4.数字信号处理器DSPs(DigitalSignalProcessor)是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器芯片，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法特点：针对数字信号处理运算特点设计与通用处理器相比，在寻址和计算方面作了扩充和增强在相同频率和芯片集成度下，比通用微处理器快几个数量级1.1DSP系统及DSPs芯片的特点1.1.2DSP系统的构成及特点1.DSP系统的构成输入信号处理A/DD/ADSP输出信号处理输入输出存储器通讯及人机接口1.1DSP系统及DSPs芯片的特点2.特点优点：（1）大规模集成性、稳定性好（2）精度高（3）可编程性（4）高速性能（5）可嵌入性（6）接口和集成方便缺点：（1）成本较高（2）软件代价较大1.1DSP系统及DSPs芯片的特点1.1.3DSPs芯片的基本特点为了快速地实现DSP运算，DSPs芯片一般都采用特殊的软硬件结构。下面以TMS320系列为例介绍DSPs芯片的基本特点。（1）哈佛总线结构（2）流水线（3）专用的硬件乘法器（4）特殊的DSP指令（5）快速的指令周期1.1DSP系统及DSPs芯片的特点1.改进的哈佛总线结构两种基本的总线结构:VonNeumann-冯.诺依曼Harvard–哈佛1.1DSP系统及DSPs芯片的特点（1）冯.诺依曼总线结构数据、代码共享内存空间数据、代码共享内存总线Example:Intel’sx86ProcessorfamilyCPU程序存储器数据存储器控制命令地址总线数据总线指令与数据存储在同一存储器中，统一编址。依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地址，取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率较低。1.1DSP系统及DSPs芯片的特点（2）哈佛总线结构数据、代码独立存储空间数据、代码独立存储总线CPU程序存储器控制命令地址总线程序总线数据存储器控制命令地址总线数据总线数据吞吐率提高一倍!!!TMS320系列DSPs芯片在基本哈佛结构的基础上做了改进。（1）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（2）指令存储在高速缓冲器（cache）中，当执行指令时，不需要在从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。1.1DSP系统及DSPs芯片的特点2.流水线操作TMS320系列DSPs的流水线深度从2~8级不等。第一代TMS320系列DSPs采用2级流水线第二代TMS320系列DSPs采用3级流水线第三代TMS320系列DSPs采用4级流水线TMS320F2812采用8级流水线1.1DSP系统及DSPs芯片的特点CLKOUT取指令指令译码读操作数执行第N条指令第N条指令第N条指令第N条指令第N-1条指令第N-1条指令第N-1条指令第N-2条指令第N-2条指令第N-2条指令第N+1条指令第N+1条指令第N+1条指令第N+2条指令第N+2条指令第N+2条指令T1T2T3T4结论：对于程序块来说，平均每条指令只需要1个时钟周期4级流水线3.专用的硬件乘法器：具有硬件连线的高速“与或”运算器（乘法器和加法器）在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周期来完成DSP具有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成1.1DSP系统及DSPs芯片的特点4.特殊的DSP指令：在DSPs指令系统中，有许多指令具有多功能，一条指令完成多个不同的操作；例如：XMACD—带有数据移动、相乘且累加指令1.1DSP系统及DSPs芯片的特点5.快速的指令周期哈佛总线结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSPs指令，再加上集成电路的优化设计，大大缩短了DSPs芯片的指令周期。目前，TMS320系列多数处理器的指令周期已经降到了10ns以下。快速的指令周期使得DSPs芯片满足了高实时性场合的需要。1.1DSP系统及DSPs芯片的特点1.2DSPs芯片的类别和使用选择1.2.1DSPs芯片的分类1.按数据格式分：定点和浮点DSPs芯片数据以定点格式工作的DSPs芯片，称为定点DSPs。（采用软件来完成浮点运算）例如：TMS320C1X/2X,TMS320C2XX/5X数据以浮点格式工作的DSPs芯片，称为浮点DSPs。（采用硬件来完成浮点运算）2.按用途分：通用型、专用型DSP芯片通用型DSPs芯片适合普通的DSP应用专用型DSPs芯片是为了特定的DSP运算而设计的，更适合特殊的运算，如数字滤波、卷积和快速傅里叶变换等。1.2DSPs芯片的类别和使用选择3.按生产厂家分DSPs的四大厂商TexasInstruments（德州仪器）公司Agere,即LucentTechnologies（朗讯技术）公司AnalogDevies（模拟设备）公司Motorola（摩托罗拉）公司大约还有80家DSPs产商1.2DSPs芯片的类别和使用选择1.2.2DSPs芯片的选择选择DSPs芯片时应考虑的主要因素：1.DSPs芯片的运算速度运算速度是DSPs芯片最重要的性能指标，也是选择DSPs芯片时所需要考虑的主要因素。1.2DSPs芯片的类别和使用选择（1）指令周期:执行一条指令所需的时间，通常以ns（纳秒）为单位。（2）MAC（MultiplierAccumulator）时间：一次乘法加上一次加法的时间。（3）FFT（FastfunnierTransform）执行时间:运行一个N点FFT程序所需要的时间。（4）MIPS（MillionInstructionPerSecond）每秒执行百万条指令：如80MIPS，即每秒可执行8千万条指令1.2DSPs芯片的类别和使用选择（5）MOPS（MillionOperationsPerSecond）每秒执行百万次操作：（6）MFLOPS(MillionFloatingOperationPerSecond)每秒执行百万次浮点操作时间（7）BOPS（BillionOperationsPerSecond）每秒执行十亿次操作。1.2DSPs芯片的类别和使用选择2.DSPs芯片的价格DSPs芯片的价格也是选择DSPs芯片所需要考虑的一个重要因素。量大价格便宜，厂家主推的产品，价格便宜。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；宇航级：可靠性很高，适用于特殊场合；1.2DSPs芯片的类别和使用选择3.DSPs芯片的硬件资源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：SCI、eCAN接口内置功能单元：A/D、D/A等1.2DSPs芯片的类别和使用选择4.DSPs芯片的运算精度定点DSPs芯片的数据长度通常为16位、32位。浮点DSPs芯片的数据长度为32位，累加器为40位。1.2DSPs芯片的类别和使用选择5.DSPs芯片的开发工具选择DSPs芯片时，必须考虑其开发工具的支持情况6.DSPs芯片的功耗在某些DSP应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问题。如便携式的DSP设备、手持设备、野外应用的DSP设备等都对功耗有特殊的要求。1.2DSPs芯片的类别和使用选择7.其他封装的形式：BGA、PGA、LQFP质量标准：供货情况：生命周期：1.2DSPs芯片的类别和使用选择1.3DSPs芯片开发应用现状与前景1.3.1DSPs芯片开发应用现状第一代：1980年左右，哈佛结构，硬件乘法器TexasInstrument(TI)公司：TMS32010Intel公司：2920，AMI公司S28H；NECupd7720；日立公司：61810第二代：1985年左右，功能、速度、内存有突破TI：TMS320C20;AD：ADSP2100；NEC：upd77230；Motorola：DSP5600发展第三代：1987年左右，浮点，能用高级语言。TI:TMS320C30；AD:ADSP21000；Motorola:DSP96002第四代：近几年的DSP芯片。多处理器并行工作，多处理器系统，特殊指令，有单独的DMA总线和控制器TI公司：TMS320C2XX/C5X/C54X,TMS320C62XX/C67XX/C8X;AD公司：ADSP210XX/211XX发展1.3DSPs芯片开发应用现状与前景TI系列产品TMS320C2000系列√TMS320C20X:C203,F206√TMS320C24X:LF2407√TMS320C28X:F2810,F2812TMS320C5000系列:C5402,C5410,C5509TMS320C6000:C6204,C6416，C6455定点芯片1.3DSPs芯片开发应用现状与前景TMS320C3X:C30,C31,C32,VC33TMS320C4X:C40,C44TMS320C67XX:C6701,C6711,C6712浮点芯片多处理芯片TMSC8X:C80,C821.3DSPs芯片开发应用现状与前景DSP的应用几乎遍及电子学每一个领域。1.TMS320C2000系列DSPsC2000是具有高性能集成外设的32位微处理器，包括24x和28x系列芯片。可执行多种复杂的控制算法。主要面向工业控制应用，构成高性能的工业测控系统。应用1.3DSPs芯片开发应用现状与前景2.TMS320C5000低功耗DSPsC5000系列DSPs提供了业界最低的待机功耗和先进的自动电源管理，适用于个人和便携式产品，包括消费类电子、通讯、医疗、安保产品。应用1.3DSPs芯片开发应用现状与前景3.TMS320C6000DSPs具有高性能、高性价比的浮点DSPs。一般应用于高性能复杂的通信系统和其他高端应用，如语音识别、图像处理和网络系统等。应用1.3DSPs芯片开发应用现状与前景通用数字信号处理器：自适应滤波，卷积，相关，数字滤波，FFT,希尔伯特变换，波形生成，窗函数等等。语音信号处理：语音增强、识别、合成、编码、信箱等，文字/语音转换图形/图像处理：三维动画，图象鉴别/增强/压缩/传输，机器人视觉等等图特殊应用数字信号处理：振动和噪声分析与处理，声纳和雷达信号处理，通信信号处理,地震信号分析与处理，汽车安全及全球定位，生物医学工程等等。在医疗、军事、汽车等行业，以及通信市场、消费