數(shù)字信號(hào)處理第14章.ppt

第14章 數(shù)字信號(hào)處理的硬件實(shí)現(xiàn),一、概述 二、DSP的特點(diǎn) 三、DSP的發(fā)展 四、DSP的開發(fā) 五、DSP的應(yīng)用,一、概述,Digital Signal Processing (DSP)： 一門新的學(xué)科：研究信號(hào)分析與 處理的理論和各種算法,Digital Signal Processor (DSP)： 數(shù)字信號(hào)處理器：將數(shù)字信號(hào)處理的理論用于實(shí)際。,(教學(xué), 科研, 開發(fā)的前期) DSP軟件包 MATLAB Signal Processing Tool Box,CPU, MCU, DSP,將信號(hào)處理的理論用于實(shí)際，即是“實(shí)現(xiàn)”：,軟件實(shí)現(xiàn):,所謂“實(shí)時(shí)（Real-Time）實(shí)現(xiàn)”，是指一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)在人們聽覺，視覺或按任務(wù)要求所允許的時(shí)間范圍內(nèi)能及時(shí)地完成對(duì)輸入信號(hào)的處理并將其輸出。 例如，我們每天使用的手機(jī)，將要普及的數(shù)字電視等，都是實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)。 要想在極短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)信號(hào)的處理，一方面需要快速的算法、高效的編程，另一方面，則需要高性能的硬件支持。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）即是為實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)而特殊設(shè)計(jì)的高性能的一類CPU。,嚴(yán)格地說(shuō)，“實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)”是指，一個(gè)系統(tǒng)在每一個(gè)抽樣間隔內(nèi)都能完成全部所需要的計(jì)算任務(wù)，即：,Processing Time,Waiting Time,Sample Time,n,n+1,如果 Waiting Time 0,則認(rèn)為該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。,例如，階次 的FIR濾波器，其輸入輸 出關(guān)系是,假定要處理的信號(hào)的抽樣頻率為200KHz，那 么，該系統(tǒng)要在50 內(nèi)，至少要完成100 次乘法，99次加法，才談得上“實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)”。,CPU的類型：,1. 通用型CPU（GPP）； 2. 單片機(jī)（MCU）； 3. DSP； 4. 嵌入式系統(tǒng)； 5. ASIC； 6. FPGA,通用處理器（GPP）：,8-bit Apple（6502）， NEC PC-8000（Z80） 8086/286/386/486/ Pentium/Pentium II/ Pentium III PowerPc 64-bit CPU （SUN Sparc，DEC Alpha, HP）,事務(wù)密集型處理機(jī)制 馮.諾依曼結(jié)構(gòu)：統(tǒng)一的程序和數(shù)據(jù)空間 采取各種方法提高計(jì)算速度：,單片機(jī)（MCU):,控制密集型處理機(jī)制。4bit、 8bit單片機(jī)多應(yīng)用于玩具、家電及工業(yè)控制； 16bit單片機(jī)除控制功能外，還有較強(qiáng)的信息處理的能力。但實(shí)時(shí)處理較困難。,INTEL MCS/48/51/96（98） MOTOROLA HCS05/011,數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）： 運(yùn)算密集型處理機(jī)制。最有可能實(shí)時(shí)實(shí) 現(xiàn)復(fù)雜 運(yùn)算的器件！,二、數(shù)字信號(hào)處理器的特點(diǎn),1. 哈佛結(jié)構(gòu)，且是多總線結(jié)構(gòu)；,Harvard Architecture,Von-Neumann Architecture,取指令和取數(shù)據(jù)分時(shí)進(jìn)行；,取指令和取數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行；,在DSP中，廣泛采取多總線制，以便同時(shí)讀取幾個(gè)數(shù)據(jù)，提高了運(yùn)算的速度，如C54芯片：,C54 的多總線結(jié)構(gòu)：,3個(gè)數(shù)據(jù)總線(CB,DB,EB) 1個(gè)程序總線(PB) 4個(gè)地址總線(PAB,CAB,DAB,EAB),高級(jí)多總線結(jié)構(gòu),2. “流水線（pipeline）式” 的指令執(zhí)行,實(shí)際上，DSP中采用多級(jí)流水線結(jié)構(gòu),3. 具有硬件乘法器是DSP最突出的特點(diǎn)，從而 大大提高了運(yùn)算速度。 數(shù)字信號(hào)處理中最常用的運(yùn)算：,乘法 累加,1011 x 1110,1011 x 1110,Hardware,Microcode,10011010,0000,1011.,1011,1011.,10011010,Cycle 1,Cycle 2,Cycle 3,Cycle 4,Cycle 5,例如，4bit無(wú)符號(hào)數(shù)相乘：,一步一步執(zhí)行,一步執(zhí)行,例如：C54中的硬件乘法器,高性能的DSP提供了“并行（parallel）”工作 的能力。所謂并行，是指多個(gè)DSP，或DSP 內(nèi)部的多個(gè)單元同時(shí)在完成一個(gè)共同的任務(wù)；,5. 片上存儲(chǔ)器：(On chip Memory ); 專用尋址單元：(Addressing Logic ) 它們與ALU并行工作;所有這些設(shè)置，都是 為了提高運(yùn)行速度；,6. 為方便數(shù)據(jù)的讀、寫及與片外設(shè)備的 通信，DSP上一般都集成有DMA、串 行通信口、定時(shí)器及中斷處理器等， 具有和不同速度存儲(chǔ)器相連接的硬件 和軟件的等待功能；,7. 高的時(shí)鐘速度，極快的運(yùn)算能力：,MFLOPS：百萬(wàn)次浮點(diǎn)操作/秒 MOPS： 百萬(wàn)次操作/秒 MIPS： 百萬(wàn)條指令/秒 Others： MAC、Instruction Cycle Time,TMS320C64系列的DSP 最大時(shí)鐘速度可達(dá)600MHz，因此，時(shí)鐘 周期僅為1.67ns,其運(yùn)算能力可達(dá)4800MIPS； 該系列特別適用于圖像處理、三維成像、多媒體及其它高速運(yùn)算的場(chǎng)合。,TMS320C6201 DSP 時(shí)鐘：200MHz，運(yùn)算能力：1600MIPS。 1024點(diǎn)的FFT，僅需要70us;,部分DSP芯片上有片上的A/D及脈寬調(diào)制 通道（PWM），這一類DSP除了有強(qiáng)的 運(yùn)算能力外，還有著很好的控制能力 ；,總之，先進(jìn)周密的硬件設(shè)計(jì)、方便完整的指令系統(tǒng)、配套的開發(fā)工具以及高速、實(shí)時(shí)信號(hào)處理市場(chǎng)的巨大需要，從而使DSP微處理器在飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中異軍突起、大放光彩。目前，數(shù)字信號(hào)處理器的硬件、軟件及第三方（Third Party)的相關(guān)產(chǎn)品，已形成一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)。,TMS320C25 DSP的內(nèi)部結(jié)構(gòu),DSP分定點(diǎn)處理器和浮點(diǎn)處理器兩大類,定點(diǎn)DSP：,采用定點(diǎn)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)值運(yùn)算時(shí)，其操作數(shù)大都采用整型數(shù)來(lái)表示。整型數(shù)的大小取決于所用的字長(zhǎng)，字的位數(shù)越多，所能表示的數(shù)的范圍越大。例如，對(duì)16bit字長(zhǎng)，其表示的數(shù)的最大范圍是 3276832767 在運(yùn)算過(guò)程中，如果兩個(gè)數(shù)的和或積超過(guò)這一范圍，就要產(chǎn)生數(shù)據(jù)的溢出，從而帶來(lái)大的誤差。當(dāng)然，定點(diǎn)DSP也可以實(shí)現(xiàn)小數(shù)運(yùn)算，不過(guò)小數(shù)點(diǎn)的位置是由編程人員指定的。,浮點(diǎn)DSP：,s：符號(hào)位，bit31； s=0 表示正數(shù)，s=1 表示負(fù)數(shù)； e：指數(shù)位，bit23bit30，其取值范圍為0255； m：尾數(shù)的分?jǐn)?shù)部分，bit0bit22，共23位。,三、DSP的發(fā)展,TYPICAL DEVICE CAPABILITIES,50 3 5 20 256 $150.00 250 50K 3“,50 0.8 40 80 2K $15.00 12.5 500K 6“,50 0.1 5,000 1,000 32K $5.00 0.1 5M 12“,Die size (mm) Technology (uM) MIPS MHz RAM (bytes) Price Power (mW/MIPS) Transistors Wafer size,5 0.02 50,000 10,000 1M $0.15 0.001 50M 12“,TYPICAL DEVICE CAPABILITIES,Texas Instruments（TI：德州儀器公司）:,TMS320C2000 TMS320C5000 TMS320C6000 TMS320C1x、C2x、C3x、C4x、C5x、C8x,Analog Devices（AD：模擬器件公司）:,ADSP-21xx TigerSharc DSP SHARC DSP,Lucent:,DSP-16xx DSP-16xxx: Lucent+Motorola： StarCore140 Core,Motorola:,DSP560xx DSP563xx DSP566xx DSP568xx,DSP市場(chǎng)份額(1999年),TI 早期DSP產(chǎn)品：,第1代： TMS320C1X 1982 定點(diǎn) 第2代： TMS320C2X 定點(diǎn) 第3代： TMS320C3X 浮點(diǎn) 第4代： TMS320C4X 浮點(diǎn) 第5代： TMS320C5X 定點(diǎn) 第6代： TMS320C8X 1994 多 CPU,TI產(chǎn)品系列,符號(hào)解釋： TMS320*XY-Z， “*”：C，E，P，F(xiàn), LC，BC，LBC,V,U等； X：X1：第一代，5第五代，8是第六代； Y：代內(nèi)的序號(hào)，Z：時(shí)鐘頻率(MHz)； XY：合起來(lái)表示處于那一個(gè)系列； “*”“C”，CMOS；“*”“E”，EPROM； “*” “P”，PROM； “*”F，F(xiàn)LASH； “*”“LC”、“VC”、“UC”，低、甚低、超低功耗； “*”“BC”，(Boot Load)； “*”“LBC”，低功耗、 加載,TMS320C2000系列,TMS320C5000 系列：,TMS320C6000 系列：,專用DSP芯片：在制造時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已符合相應(yīng)算法的流程，只需按要求輸入數(shù)據(jù)即可，無(wú)需再編程。這些產(chǎn)品有： INMOS公司的卷積/相關(guān)器A100； PLESSY公司的卷積/相關(guān)器PDSP16256； HARRIS公司的卷積/相關(guān)器HSP43168； AUSTEK公司的FFT專用芯片A41102； PLESSY公司的專用FFT芯片PDSP16515； AD公司的小波壓縮芯片ADV601.,四、DSP的開發(fā),開發(fā)步驟： 算法研究與仿真（MATLAB, C, 匯編）； 選擇DSP芯片及其它元器件； 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)，畫原理圖； 系統(tǒng)硬件仿真； 制印刷線路板（PCB）； 系統(tǒng)焊接、調(diào)試，加載軟件。,開發(fā)步驟：,DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試,TI產(chǎn)品開發(fā)支持,（一）TI DSP軟件開發(fā)工具,1. TI早期的軟件開發(fā)工具 （1） TMS320宏匯編編輯/編譯連接器(macro assemblercompiler /linker) （2） TMS320系列最佳的ANSIC編譯器(ANSIC compiler) （3）代碼調(diào)試工具（debugger） （4）軟件仿真器(simulator) 軟件仿真器是一個(gè)軟件程序，它運(yùn)行在PC上，可模擬TM5320的整個(gè)指令系統(tǒng)，從而達(dá)到程序檢驗(yàn)和開發(fā)的目的。,TI eXpressDSP框架：是一個(gè)開放式的、集成的軟件開發(fā)環(huán)境，它不但包含了上述的常用軟件工具，并且在功能上大大擴(kuò)展，而且為使用者提供了良好的人機(jī)交互界面。它包含如下4個(gè)部分： 集成開發(fā)環(huán)境 CCS（code composer studio） 實(shí)時(shí)基礎(chǔ)軟件 DSP/BIOS； 算法標(biāo)準(zhǔn) XDAIS（eXpressDSP algorithm standard）； 第3方公司提供的模塊，包括插件和算法模塊等。 eXpressDSP技術(shù)提供的簡(jiǎn)單易用而功能強(qiáng)大的工具可以大大縮短DSP產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間，從而使開發(fā)者將精力集中到更新應(yīng)用的發(fā)展中。,2. 集成開發(fā)環(huán)境CCS CCS是一個(gè)為TMS320系列DSP設(shè)計(jì)的高度集成的軟件開發(fā)和調(diào)試環(huán)境，它將DSP工程項(xiàng)目管理、源代碼的編輯、目標(biāo)代碼的生成、調(diào)試和分析都打包在一個(gè)環(huán)境中提供給用戶，如圖所示：,CCS 的組成模塊,（一）TI DSP 硬件開發(fā)工具,在 DSP 系統(tǒng)開發(fā)的不同階段需要不同的開發(fā)系統(tǒng)，如供初學(xué)者使用的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，供對(duì)所選用的DSP及其他器件進(jìn)行評(píng)估的評(píng)估系統(tǒng)，供最后調(diào)試的開發(fā)系統(tǒng)。 TI公司針對(duì)這些不同的應(yīng)用推出了不同類型、不同價(jià)位的硬件開發(fā)系統(tǒng)，它們是DSP初學(xué)者工具包DSK(DSP starter kit)，評(píng)估模件EVM(evaluation module)板及系統(tǒng)仿真器XDS(eXtended developmet systems)。,DSK 是TI公司特地為初學(xué)者提供的一個(gè)低價(jià)、性 能較為優(yōu)良的DSP開發(fā)工具。對(duì)不同的系列，其DSK 上面有一塊對(duì)應(yīng)的DSP芯片，板上集成有A/D, D/A， 擴(kuò)展RAM，時(shí)鐘、電源、各種插接件。它通過(guò)串行 或并行方式和PC機(jī)連接，因此，在PC機(jī)端可實(shí)現(xiàn)對(duì) DSK的加載、調(diào)試與運(yùn)行。DSK可通過(guò)A/D實(shí)現(xiàn)對(duì)模 擬信號(hào)的采集、處理并輸出到PC機(jī)上?？梢娫撻_發(fā) 工具對(duì)學(xué)習(xí)、研發(fā) DSP 是非常方便的。,DSP初學(xué)者工具包(DSP Starter Kit, DSK),TMS320C6211 DSK,DSP Starter Kits,評(píng)估模件 EVM,EVM也是一種較為低價(jià)的開發(fā)板，但功能遠(yuǎn)比 DSK強(qiáng)。它可用來(lái)評(píng)估所選用的DSP和其他芯片是 否能滿足實(shí)際任務(wù)的需要，可在上面連續(xù)或單步運(yùn) 行所編寫的DSP匯編軟件以檢查程序的質(zhì)量，它具 有有限的系統(tǒng)調(diào)試功能。EVM板是一個(gè)PC插件， 因此其工作主機(jī)也是PC機(jī)。 對(duì)不同系列的DSP，TI 提供了不同型號(hào)的EVM板。,TMS320C6201 EVM,系統(tǒng)仿真器 XDS,系統(tǒng)仿真器XDS(eXtended Developmet Systems)是 一個(gè)功能強(qiáng)大的、全速的仿真器，可用以在系統(tǒng)水平 的高度對(duì)所設(shè)計(jì)的DSP目標(biāo)系統(tǒng)作集成和調(diào)試。 一個(gè)實(shí)際的 XDS510 開發(fā)系統(tǒng)如下圖所示，它包 含兩個(gè)部件，一個(gè)是插入PC機(jī)的插件板，一個(gè)是控 制盒?？刂坪袃蛇叿謩e有帶有JTAG插頭的電纜，一 邊和目標(biāo)板相連，一邊和插件板相連。, 非插入式的基于掃描的仿真器； 可全速運(yùn)行目標(biāo)系統(tǒng)，可監(jiān)視系統(tǒng)各器件狀態(tài)； 系統(tǒng)可全速、斷點(diǎn)、單步運(yùn)行； 可分別用軟件、硬件設(shè)置斷點(diǎn)及程序跟蹤； 具有高級(jí)語(yǔ)言的調(diào)試接口； 可對(duì)系統(tǒng)上DSP的寄存器、存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫操作； 可測(cè)量系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間； 可以調(diào)試C、匯編