第2章 DSP芯片介绍

2020年1月20日DSP原理及应用1第2章DSP芯片介绍内容提要首先对数字信号处理进行了概述，介绍了DSP的基本知识；接着介绍了可编程DSP芯片，对DSP芯片的发展、特点、分类、应用和发展趋势作了论述；然后介绍DSP系统，对DSP系统的构成、特点、设计过程以及芯片的选择进行了详细的介绍；最后对DSP产品作了简要介绍。2020年1月20日DSP原理及应用22.1数字信号处理概述2.2可编程DSP芯片2.3DSP系统2.4DSP产品简介第2章DSP芯片介绍2020年1月20日DSP原理及应用3第2章DSP芯片介绍2.1数字信号处理概述数字信号处理（简称DSP）是一门涉及多门学科并广泛应用于很多科学和工程领域的新兴学科。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字的形式对信号进行分析、采集、合成、变换、滤波、估算、压缩、识别等加工处理，以便提取有用的信息并进行有效的传输与应用。数字信号处理是以众多学科为理论基础,如数学领域中的微积分、概率统计、随机过程、数字分析等都是数字信号处理的基础工具。它与网络理论、信号与系统、控制理论、通信理论、故障诊断等密切相关。2020年1月20日DSP原理及应用4第1章DSP绪论DSP：1）DigitalSignalProcessing数字信号处理技术是理论和计算方法上的技术2）DigitalSignalProcessor数字信号处理器,是指实现这些技术的通用或专用可编程微处理器芯片。数字信号处理包括两个方面的内容:1．算法的研究2．数字信号处理的实现2020年1月20日DSP原理及应用5第1章DSP绪论1．算法的研究算法的研究是指如何以最小的运算量和存储器的使用量来完成指定的任务，如20世纪60年代出现的快速傅里叶变换（FFT）。快速算法的研究热点诸如：语音与图像的压缩编码、识别与鉴别信号的调制与解调、加密和解密信道的辨识与均衡智能天线频谱分析2020年1月20日DSP原理及应用62．数字信号处理的实现数字信号处理的实现是用硬件、软件或软硬结合的方法来实现各种算法。数字信号处理的实现一般有以下几种方法：①在通用计算机（PC机）上用软件（如Fortran、C语言）实现，但速度慢，不适合实时数字信号处理，只用于算法的模拟；②在通用计算机系统中加入专用的加速处理机实现，用以增强运算能力和提高运算速度。不适合于嵌入式应用，专用性强，应用受到限制；③用单片机实现，用于不太复杂的数字信号处理。不适合于以乘法-累加运算为主的密集型DSP算法；④用通用的可编程DSP芯片实现，具有可编程性和强大的处理能力，可完成复杂的数字信号处理的算法，在实时DSP领域中处于主导地位；⑤用专用的DSP芯片实现，可用在要求信号处理速度极快的特殊场合，如专用于FFT、数字滤波、卷积、相关算法的DSP芯片，相应的信号处理算法由内部硬件电路实现。用户无需编程，但专用性强，应用受到限制；⑥用基于通用DSP核的ASIC芯片实现。随着专用集成电路ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)的广泛使用,可以将DSP的功能集成到ASlC中。一般说来，DSP核是通用DSP器件中的CPU部分，再配上用户所需的存储器(包括Cache、RAM、ROM、flash、EPROM)和外设(包括串口、并口、主机接口、DMA、定时器等)，组成用户的ASIC。第2章DSP芯片介绍2020年1月20日DSP原理及应用72.2可编程DSP芯片数字信号处理器（DSP）主要用于实时快速实现各种数字信号处理的算法。DSP芯片的诞生使理论研究成果广泛应用到实际的系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。对近20年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。第2章DSP芯片介绍2020年1月20日DSP原理及应用82.2.1DSP芯片的发展概况DSP芯片诞生于20世纪70年代末，至今已经得到了突飞猛进的发展，并经历了以下三个阶段。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公司发布了商用可编程DSP器件Intel2920,由于内部没有单周期的硬件乘法器，使芯片的运算速度、数据处理能力和运算精度受到了很大的限制。运算速度大约为单指令周期200~250ns，应用领域仅局限于军事或航空航天部门。这个时期的代表性器件主要有：Intel2920（Intel）、PD7720（NEC）、TMS32010（TI）、DSP16（AT&T）、S2811（AMI）、ADSp—21（AD）等。第2章DSP芯片介绍2020年1月20日DSP原理及应用92.2.1DSP芯片的发展概况第二阶段，DSP的成熟阶段（1990年前后）。这个时期的DSP器件在硬件结构上更适合数字信号处理的要求，能进行硬件乘法、硬件FFT变换和单指令滤波处理，其单指令周期为80~100ns。如TI公司的TMS320C20，它是第二代DSP器件,采用了CMOS制造工艺，其存储容量和运算速度成倍提高，为语音处理、图像硬件处理技术的发展奠定了基础。20世纪80年代后期，以TI公司的TMS320C30为代表的第三代DSP芯片问世，伴随着运算速度的进一步提高，其应用范围逐步扩大到通信、计算机领域。这个时期的器件主要有: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2章DSP芯片介绍2020年1月20日DSP原理及应用102.2.1DSP芯片的发展概况第三阶段，DSP的完善阶段（2000年以后）。这一时期DSP不仅使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。尤其是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。这一时期的DSP运算速度可达到单指令周期10ns左右，可在Windows环境下直接用C语言编程,使用方便灵活，使DSP芯片不仅在通信、计算机领域得到了广泛的应用，而且逐渐渗透到人们日常消费领域。DSP芯片的发展趋势：硬件方面主要是向多处理器的并行处理结构、便于外部数据交换的串行总线传输、大容量片上RAM和ROM、程序加密、增加I/O驱动能力、外围电路内装化、低功耗等方面发展。软件方面主要是综合开发平台的完善，使DSP的应用开发更加灵活方便。第2章DSP芯片介绍2020年1月20日DSP原理及应用11TMS320F28x：32bitcontrollerOnchipflashmemory150MIPSTMS320F240x：Onchipflashmemory20-40MIPS$2.00德州仪器TI公司DSP产品分类2020年1月20日DSP原理及应用12德州仪器TI公司DSP产品分类TMS320C54x提供板级的性能与外设TMS320C55x最优功耗管理OMAP片内集成了C55x核与ARM处理器2020年1月20日DSP原理及应用13德州仪器TI公司DSP产品分类TMS320C64x工业级性能最高处理器主频1GHzTMS320C62x最高的性价比TMS320C67x高精度的浮点TMS320DM64xDaVinci数字多媒体芯片2020年1月20日DSP原理及应用142.2.2DSP芯片的特点数字信号处理不同于普通的科学计算与分析，它强调运算的实时性。除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制能力外,针对实时数字信号处理的特点,在处理器的结构、指令系统、指令流程上作了很大的改进,其主要特点如下：1．采用哈佛结构DSP芯片普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构或改进的哈佛结构,比传统处理器的冯·诺伊曼结构有更快的指令执行速度。第2章DSP芯片介绍2020年1月20日DSP原理及应用151．采用哈佛结构(1)冯·诺伊曼（VonNeuman）结构该结构采用单存储空间，即程序指令和数据共用一个存储空间，使用单一的地址和数据总线，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行。当进行高速运算时，不但不能同时进行取指令和取操作数，而且还会造成数据传输通道的瓶颈现象，其工作速度较慢。第2章DSP芯片介绍2020年1月20日DSP原理及应用161．采用哈佛结构(1)冯·诺伊曼（VonNeuman）结构图1.2.1冯·诺伊曼结构CPUI/O口ROM串行接口RAM并行接口外部存储器接口地址总线AB数据总线DB第2章DSP芯片介绍2020年1月20日DSP原理及应用171．采用哈佛结构（2）哈佛（Harvard）结构该结构采用双存储空间，程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的程序总线和数据总线，可独立编址和独立访问，可对程序和数据进行独立传输，使取指令操作、指令执行操作、数据吞吐并行完成，大大地提高了数据处理能力和指令的执行速度，非常适合于实时的数字信号处理。微处理器的哈佛结构如图1.2.2所示。第2章DSP芯片介绍2020年1月20日DSP原理及应用181．采用哈佛结构（2）哈佛（Harvard）结构（书P5）外部管理数据总线外部管理地址总线数据总线数据地址总线程序数据总线程序地址总线CPUI/O口ROM串行接口RAM并行接口外部存储器接口图1.2.2哈佛结构外部管理数据总线外部管理地址总线数据总线数据地址总线程序数据总线程序地址总线第2章DSP芯片介绍2020年1月20日DSP原理及应用191．采用哈佛结构（3）改进型的哈佛结构改进型的哈佛结构是采用双存储空间和数条总线，即一条程序总线和多条数据总线。其特点如下：①允许在程序空间和数据空间之间相互传送数据②提供了存储指令的高速缓冲器（cache）和相应的指令,当重复执行这些指令时,只需读入一次就可连续使用，不需要再次从程序存储器中读出,从而减少了指令执行作需要的时间。如：TMS320C6200系列的DSP,整个片内程序存储器都可以配制成高速缓冲结构。第2章DSP芯片介绍2020年1月20日DSP原理及应用202.2.2DSP芯片的特点2．采用多总线结构DSP芯片都采用多总线结构，可同时进行取指令和多个数据存取操作，并由辅助寄存器自动增减地址进行寻址，使CPU在一个机器周期内可多次对程序空间和数据空间进行访问，大大地提高了DSP的运行速度。如：TMS320C54x系列内部有P、C、D、E等4组总线，每组总线中都有地址总线和数据总线，这样在一个机器周期内可以完成如下操作：①从程序存储器中取一条指令；②从数据存储器中读两个操作数；③向数据存储器写一个操作数。第2章DSP芯片介绍2020年1月20日DSP原理及应用212.2.2DSP芯片的特点3．采用流水线技术每条指令可通过片内多功能单元完成取指、译码、取操作数和执行等多个步骤，实现多条指令的并行执行，从而在不提高系统时钟频率的条件下减少每条指令的执行时间。其过程如图1.2.3所示。时钟取指令指令译码取操作数执行指令T1T2T3T4NN-1N-2N-3N+1NN-1N-2N+2N+1NN-1N+3N+2N+1N图1.2.3四级流水线操作利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证在单指令周期内完成数字信号处理中用得最多的乘法-累加运算。如：niiixay1第2章DSP芯片介绍2020年1月20日DSP原理及应用22流水线技术2020年1月20日DSP原理及应用232.2.2DSP芯片的特点4.配有专用的硬件乘法-累加器为了适应数字信号处理的需要，当前的DSP芯片都配有专用的硬件乘法-累加器，可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作，从而可实现数据的乘法-累加操作。如矩阵运算、FIR和IIR滤波、FFT变换等专用信号的处理。5.具有特殊的DSP指令为了满足数字信号处理的需要，在DSP的指令系统中，设计了一些完成特殊功能的指令。如：TMS320C54x中的FIRS和LMS指令，专门用于完成系数对称的FIR滤波器和LMS算法。第2章DSP芯片介绍2020年1月20日DSP原理及应用242.2.2DSP芯片的特点6．快速的指令周期由于采用哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、