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1、李大湘 15353707981 ,数字信号处理器原理B,课前说明,1 总课时：48课时(32理论+16实践), 3个学分 2 理论：教材前6章内容+试验相关算法介绍 3 实践： (1) 试验箱：Wintech TS-DM642 (2) 数字图像处理相关的试验 例如：边缘检测、直方图均衡、中值滤波等 4 考试： 平时的试验报告40%+笔试60% 5 要求： 不能旷课、不迟到、不早退，参加试验课且交报告 各班班长下次课交一份本班同学名单,第1章：DSP技术概要,数字信号处理器（Digital Signal Processors,简称DSP ）是一种用于数字信号处理的可编程微处理器。它的诞生与快速发
2、展，使各种数字信号处理算法得以实时实现，为数字信号处理的研究和应用打开了新局面，提供了低成本的实际工作环境和应用平台，推动了新的理论和应用领域的发展。,目录 1.1 DSP系统和芯片的结构特点 1.2 DSP的发展概况及趋势 1.3 DSP芯片的分类、性能及其应用,第1章：DSP技术概要,1.1 DSP系统和芯片的结构特点 1.1.1 DSP系统的基本结构,第1章：DSP技术概要,1.1 DSP系统和芯片的结构特点 数字信号处理（Digital Signal Processing， DSP ）： 是研究如何对信号采样、变换、滤波、估计、增强、混合、比较、压缩及识别等处理算法的一门学科。 围绕理
3、论、实现和应用而得到迅速发速。,第1章：DSP技术概要,第1章：DSP技术概要,实时处理（Real-Time）：数字信号处理与信号的输入和输出保持同步 非实时处理（Non Real-Time）：先对信号进行采样并存储，然后再对其进行处理,第1章：DSP技术概要,在通用计算机上用软件实现 用单片机实现 用可编程DSP实现 用专用DSP实现 用可编程阵列FPGA等实现 DSP+单片机+FLASH+CPLD DSP+FPGA DSP+ARM+操作系统 基于标准总线的DSP系统, 数字信号处理的实现,第1章：DSP技术概要,1.1.2 DSP芯片的结构特点 经典的DSP算法举例 求两序列信号h(n)、
4、x(n)的卷积： 求两序列信号y(n)、x(n)的相关函数： 数字滤波器的数学表达式为 ： 对信号进行快速傅立叶变换FFT ： 数字信号处理的突出特点：AiXi 、高速实时,第1章：DSP技术概要, DSP特别适合于数字信号处理的结构 . 采用改进型哈佛结构 计算机的总线结构通常可分为二种： 冯诺依曼结构 哈佛结构,第1章：DSP技术概要,冯诺依曼结构 特点：程序和数据共用同一套总线，对程序和数 据需要分时读写，执行速度慢，数据吞吐 量低，计算机结构简单，不适于进行高速 度的数字信号处理,第1章：DSP技术概要,多数微处理器和单片机采用冯诺依曼结构，如图所示,第1章：DSP技术概要,哈佛结构
5、特点：程序、数据具有独立的存储空间，有独立 的程序总线和数据总线，可同时对程序和 数据进行寻址和读写访问，执行速度高， 数据吞吐量大，计算机结构复杂，非常适 于进行高速的数字信号处理。 (a) 哈佛结构 (b) 改进型哈佛结构,第1章：DSP技术概要,(a) 哈佛结构 (b) 改进型哈佛结构,第1章：DSP技术概要,DSP采用的是改进型哈佛总线结构，如上图(b)所示 改进之处主要体现在下列3点： 1）片内RAM可映像至数据空间，也可映像至程序空间 2）片内ROM可映像至程序空间，也可映像至数据空间 3）具有根装载(Bootloader)功能，即把片外的指令代码调至数据存储器，供CPU零等待运行
6、。,第1章：DSP技术概要,2.流水线操作 指令的执行通常分为以下4个阶段： 取指 Fetch 译码 Decode 取操作数 Operand 执行 Execute,第1章：DSP技术概要,取指.译码.取操作数.执行 指令n-2,取指.译码.取操作数.执行 指令n-1,取指.译码.取操作数.执行 指令n,采用冯诺依曼结构的微处理器指令流如下图 CPU是在完成一条指令的全部4个操作阶段后再去执行另一条指令的，从时间上看是一种串行执行的过程，因此需要花费较多的CPU时钟周期。,第1章：DSP技术概要, DSP采用多级流水线结构 所谓流水线操作就是将一条指令的不同阶段分配在连续的几个周期上，通过不同的
7、硬件去完成指令的不同执行阶段(称为级)。 例如：当取指硬件完成取指任务，就将指令N交给译码硬件，它就可以去取下一条指令N+1,而译码硬件则同时对指令N进行译码。,第1章：DSP技术概要,一个4级流水线的示意图如图1-6所示。虽然就一条指令而言，似乎要用4个时钟周期才能完成全部操作，但从多条指令的角度看，则可认为每条指令的运行时间是单周期。这样，就使指令的运行速度得到了很大提高。,第1章：DSP技术概要,TMS320C6000系列定点DSP采用的多级流水线如图所示,第1章：DSP技术概要,3. 片内集成有硬件乘法器和乘加单元 DSP内集成了硬件乘法器，可在单周期内完成1616位、3232位等的乘
8、法运算。 DSP内集成了乘加单元，从硬件结构上为高速完成卷积、相关、FFT及数字滤波等信号处理算法提供了基础。,第1章：DSP技术概要,TMS320C6000系列片内有2个硬件乘法器，支持在单周期内完成下列乘法运算。 16位16位 16位32位 双16位16位 4个8位8位,C64x CPU,Data Path 2,Data Path 1,Register File A,D2,S2,L2,A31-A16,Instruction Decode,Instruction Dispatch,Instruction Fetch,Control Registers,Interrupt Control,S1
9、,L1,TMS320C64x -CPU,A15-A0,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,M1,x,D1,+,+,Register File B,B31-B16,B15-B0,+,+,M2,Advanced Instruction Packing,+,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,Advanced Emulation,第1章：DSP技术概要,4. 功能强大的CPU结构 DSP的CPU一般包括：算术逻辑运算单元ALU、累加器、硬件乘法器、乘加单元、加法器、桶型移位器、程序地址产生和数据地址产生等部分。 例如：TMS320C6000采用双数据通道和8个功能单元
10、的结构。具有超长指令字(VLIW)操作能力。,TMS320C64xCPU内核,第1章：DSP技术概要,5.硬件循环重复机制 许多DSP芯片具有指令重复循环的专用硬件及重复操作指令，能够自动重复执行单条或一段指令。 TMS320C5000中有重复计数器RPTC。当执行一条重复指令RPT #N时，会将重复值N送入RPTC，则紧接RPT后面的那条指令将被重复执行N+1次。每重复执行一次，RPTC的内容自动减1，直至减至零为止。这样可通过硬件自动完成循环操作过程。,假设：块ai存放于程序存储器块中（起始地址2000h） 块bi存放于数据存储器中（起始地址1000h） 块长N=100 MAR *，AR1
11、 ；指定当前辅助寄存器AR为AR1 LAR AR1，#1000h ；1000h AR1 LACC #0 ；ACC清0 RPT #99 ；后面一条指令重复执行100次 MAC 2000H，*+, 0kN1,本例若假设代码、程存块和 数存块操作数均在片内存储 器中，则执行本段程序的周 期最短为： 1 + 2 + 1 + 1 + 99 + 2 = 106 在重复执行100次MAC 2000H AR1指令时，由于有了硬件重 复机制的支持，取指仅使用了 2Pcode，大大缩短了执行时间。 若取CPUCLK=50ns，则本段 程序的全速运行时间为5.3s,MAC算法举例,第1章：DSP技术概要,6. 复合
12、操作指令 所谓复合操作是指在一条单字单周期指令中可分别完成多个操作任务。 以MPYA （乘且累加前次乘积）指令为例。 MPYA *+，AR3；设AR为AR1，执行后会发生下列事件： （PC）+ 1 PC （ACC）+ 移位后的（PREG） ACC （TREG） （数据存储器） PREG （AR1）+ 1 AR1 令AR3为AR ARP=011B ，ARB=001B,第1章：DSP技术概要,7.嵌入式功能 DSP片内集成有大量片内外设，不用外扩很多器件，既可组成独立的应用系统。 DSP芯片具有强大的扩展接口能力，可有效连接一系列外扩器件。 DSP=数字信号处理能力+嵌入式功能,通用DSP系统结构
13、,DSP 内核,测试和开发 接口(JTAG),主机 接口,系统时钟,Bootloader,电源控制,程序存储器,数据存储器,通信端口,模拟I/O 编解码器,ADC,第1章：DSP技术概要,时钟： CPU时钟 EMIF时钟 外设时钟,Vcore,VI/O,电源： 电源供电 电源监视 系统监视 手动复位 看门狗电路,多处理器接口： 双口RAM（DPRAM） HPI接口 PCI接口,总线扩展 存储总线 外设总线 系统总线：复位、时钟、中断,DSP外部接口,CLKCPU,CLKEMIF,CLKI/O,数据,地址,控制,片上外设,RESET,DSP应用系统功能框图,DSP,第1章：DSP技术概要,1.2
14、 DSP的发展概况和趋势 1.2.1 DSP的发展概况 （1）20世纪70年代，DSP诞生： 1978年，AMI公司宣布第一个DSP S2811问世 1980年，日本NEC公司推出的D7720是第一片具有硬件乘法器的商用DSP 1982年，美国TI公司推出首枚低成本高性能的DSP-TMS32010芯片，16位定点DSP，采用了哈佛结构和硬件乘法器。 1985年，TI公司推出TMS32020系列芯片，寻址空间达到64K。 ADSP2100，DSP56001，DSP16A,第1章：DSP技术概要,1.2 DSP的发展概况和趋势 （2）20世纪90年代后：惊人发展期 性能与指标不断提高； 芯片尺寸与
15、功耗不断减小，价格逐年降低； 出现了种技术先进的定点与浮点DSP芯片； TI公司的TMS320C20,C30,C40,C50,C80系列芯片； ADSP21XX系列； 更适合于数字信号处理算法； 3.3V(I/O), 1.8V 内核,第1章：DSP技术概要,1.2 DSP的发展概况和趋势 （3）1997年以后：进入完善期 普遍采用0.25,0.18um工艺，增加了集成度； 片内存储器容量增大,几百千字； 内核电压1.2V，进行一步降低功耗； TI公司的TMS320C64x; 开发手段更方便，优化方法更灵活；,第1章：DSP技术概要,目前全球DSP市场中的主要厂商 TI公司位居榜首，在全球DSP市场的占有率为44%左右 Motorola公司的占有率为13.2%左右 ADI公司的占有率为10.2%左右 其他一部分由 Hitachi（日立）、NEC、Zilog（桑那）等公司占据,第1章：DSP技术概要,TI公司的三大系列DSP芯片： （1）TMS320C200系列： 16/32位的定点DSP芯片；速度150MIPS; 主要应用：数字马达控制，电机控制，数字电视，工业主动化，智能传感器等嵌入式应用领域。,第1章：DSP技术概要,（2）TMS320C500系列： 低功耗的16位的定点DSP芯片；速度600MIPS; C54x,C55x. 主要应用：个人或便携产品。 如：音乐播放器，数码相机
