《TigerSHARC处理器技术及其应用 教学课件 ppt 作者 冯小平 第1-3章 第1章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《TigerSHARC处理器技术及其应用 教学课件 ppt 作者 冯小平 第1-3章 第1章（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,第1章 概 述,1.1 数字信号处理器的基本概念和特点 1.2 数字信号处理器的发展历史和应用 1.3 ADI公司的DSP系列简介,1.1 数字信号处理器的基本概念和特点 1.1.1 数字信号处理器的基本概念 数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)是一种专门用来实现各种数字信号处理算法的专用处理器，可以分成专用DSP和通用DSP两类。专用DSP用来实现某些特定的数字信号处理功能，如数字滤波、FFT等。它不需要编程，使用方便，处理速度快，但是缺乏灵活性。通用DSP则有完整的指令系统，通过编程可实现各种复杂的数字信号处理功能，具有适应性强、灵活性高、应用范围广
2、、开发成本低、开发周期短等显著优点，得到了广泛的应用。,通用DSP(以下简称DSP)实际上是一种专门针对数字信号处理应用而设计的专门的处理器。按照其指令系统可以分为定点处理器和浮点处理器。定点处理器算术逻辑单元(ALU)的运算针对定点数(整数或者小数)设计，一般可以直接进行定点数的运算，不能直接进行浮点数(实数)的运算。当利用定点处理器进行浮点数运算时，其运算时间会增加，从而导致运行效率急剧下降。而浮点处理器通常设计有专门的浮点数加法和乘法硬件运算单元，它既可进行浮点数的运算，也可进行定点数的运算，并且完成浮点数运算和定点数运算的时间或者指令周期数相同。因此，浮点处理器运算精度高，可以完成各种
3、复杂的数字信号处理算法。,定点处理器DSP可以胜任大多数数字信号处理应用，但其可处理的数据的动态范围有限，如16 bit定点DSP的动态范围仅96 dB。在某些数据动态范围很大的场合，按定点数处理可能会发生数据溢出，在编程时需要使用移位定标措施或者用定点指令模拟浮点数运算，使程序执行速度大大降低。浮点DSP的出现解决了这些问题，它拓展了数据动态范围。浮点DSP的综合性能优于定点DSP，在相同的指令周期内，它既可完成32位定点数运算，也可完成浮点数运算，而且其汇编源程序容易编写，可读性好，调试方便。,DSP主要用于满足各类通信设备、雷达、数字电视、数码照相机、数码摄像机、DVD、VCD、音响设备
4、等各种应用对数字信号处理的需要。DSP的特点之一是适合于数学计算密集的应用，如快速傅立叶变换(FFT)、卷积、相关、数字滤波、谱估计等数学计算密集类算法。DSP在其体系结构上采取了一系列措施，使其在数学计算方面具有优越的性能。DSP的另一个特点是运算速度快，可以实现实时计算，这在调制和解调、雷达信号检测等应用中非常重要。,1.1.2 数字信号处理器的特点 1) 运算单元 DSP具有硬件乘法器和多功能运算单元。硬件乘法器可以在单个指令周期内完成乘法操作，这是DSP区别于通用微处理器的一个重要标志。DSP的多功能运算单元可以完成加减、逻辑、移位、数据传送等操作。新一代的DSP内部甚至还包含多个并行
5、的运算单元，大大提高了运算和处理能力。 针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘及累加运算的特点，DSP算术单元中的乘法器和加法器可以在一个时钟周期内完成相乘、累加两个运算。近年出现的许多DSP还可以同时进行乘、加、减运算，大大提高了完成FFT运算和数字滤波等典型数字信号处理算法的速度。,2) 总线结构 传统的通用处理器采用统一的程序和数据空间、共享的程序和数据总线结构，即所谓的冯诺依曼结构。DSP普遍采用了数据总线和程序总线分离的多总线结构，即哈佛结构或者改进的哈佛结构，极大地提高了指令执行速度。片内的多套总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，许多DSP片内嵌有DMA控制器，配合片内多总线结
6、构，可使数据块传送速度大大提高。如TI公司的C6000系列的DSP采用改进的哈佛结构，内部有一套256位宽度的程序总线、两套32位的数据总线和一套32位的DMA总线。ADI公司的SHARC和TigerSHARC系列DSP采用超级哈佛结构(Super Harvared Architecture Computer)，内部集成了3套甚至4套总线，即程序存储器总线、数据存储器总线和输入输出总线。,3) 专用寻址单元 DSP面向数据密集型应用，伴随着频繁的数据访问，数据地址的计算也需要大量时间。DSP内部配置了专用的寻址单元，用于地址的修改和更新，它们可以在寻址访问前或访问后自动修改内容，以指向下一个要
7、访问的地址。地址的修改和更新与算术单元并行工作，不需要额外的时间。 DSP的地址产生器支持直接寻址、间接寻址操作，大部分DSP还支持位反转寻址(用于FFT算法的数据次序整理)和循环寻址(用于数字滤波算法)。,4) 片内存储器 针对数字信号处理的数据密集运算的需要，DSP对程序和数据访问的时间要求很高，为了减小指令和数据的传送时间，许多DSP内部集成了高速程序存储器和数据存储器，以提高程序和数据访问存储器的速度。 如TI公司的C6000系列的DSP内部集成有17 MB的程序和数据RAM；ADI公司的SHARC系列的DSP内部集成有0.55 MB的程序和数据RAM，TigerSHARC系列的DSP
8、内部集成有624 MB的程序和数据RAM。,5) 流水处理技术 DSP大多采用流水技术，即将一条指令的执行过程分解成取指、译码、取数、执行等若干个阶段，每个阶段称为一级流水。每条指令都由片内多个功能单元分别完成取指、译码、取数、执行等操作，从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令的执行时间。,6) DSP与其他处理器的差别 数字信号处理器(DSP)、通用微处理器(MPU)、微控制器(MCU)三者的区别在于： DSP面向高性能、重复性、数值运算密集型的实时处理； MPU大量应用于个人计算机； MCU适用于以控制为主的处理过程。,DSP的运算速度要比其他处理器高得多，以FFT、相关为例，高性能D
9、SP不仅处理速度是MPU的 410倍，而且可以连续不断地完成数据的实时输入/输出。DSP的结构相对单一，普遍采用汇编语言编程，其任务完成时间的可预测性相对于结构和指令复杂(超标量指令)且严重依赖于编译系统的MPU强得多。以一个FIR滤波器的实现为例，每输入一个数据，对应每阶滤波器系数需要一次乘、一次加、一次取指、二次取数，还需要专门的数据移动操作。DSP可以单周期完成乘加并行操作以及24次数据存取操作，而普通MPU完成同样的操作至少需要4个指令周期。因此，在相同的指令周期和片内指令缓存条件下，DSP的运算速度是MPU运算速度的4倍以上。,1.2 数字信号处理器的发展历史和应用 1.2.1 数字
10、信号处理器的发展历史 世界上第一个单片DSP芯片是1978年AMI公司发布的S2811。1979年，美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片发展史中的一个里程碑。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。,1.2.2 数字信号处理器的应用 随着DSP性能的迅速提高和成本的大幅度下降，DSP的应用范围不断扩大，其已成为当前产量和销售量增长最快的电子产品之一。DSP应用几乎遍及整个电子领域，常见的典型应用领域包括： 1) 通用数字信号处理技术 通用数字信号处理技术是数字信号处理中最常使用的，包括数字滤波、卷积、相关、FFT、希尔伯特变换、自适
11、应滤波、窗函数产生和波形发生等。,2) 通信技术 数字信号处理器在通信技术中应用广泛，如应用于高速调制解调器、编/译码器、自适应均衡器、程控交换机、蜂窝移动电话、数字基站等设备以及电视会议、保密通信、卫星通信等技术领域。随着互联网络的迅猛发展，DSP又在网络管理/服务、信息转发、IP电话等新领域扮演着重要角色，而软件无线电的提出和发展则进一步增强了DSP在无线通信领域的作用。,3) 语音处理 语音处理是通信领域中最活跃的技术之一。数字信号处理器在语音识别、语音合成、矢量编码、语音信箱中有着广阔的应用。 4) 图形和图像处理 图形和图像处理是数字信号处理器的重要应用领域之一，在三维图像变换、模式
12、识别、图像增强、动画处理、图形显示加速、电子出版、电子地图等方面都有其用武之地。,5) 自动控制 专用的数字信号处理器可以用于磁盘、光盘和打印机的伺服控制及发动机控制、电机驱动等技术领域。 6) 仪器仪表 在测量数据谱分析、自动监测及分析、暂态分析、勘探、模拟试验等仪器仪表中，数字信号处理器可以作为嵌入式处理器，提供更强的处理能力，提升仪器的性能。,7) 医用电子仪器 在医用电子仪器如助听器、CT扫描、超声波、心脑电图、核磁共振、医疗监护等领域，数字信号处理器也发挥着越来越大的作用。 8) 军事与尖端科技 数字信号处理器在雷达和声纳信号处理、雷达成像、自适应波束合成、阵列天线信号处理、导弹制导
13、、火控系统、战场C3I系统、导航、全球定位GPS、目标搜索跟踪、尖端武器试验、航空航天试验、宇宙飞船、侦察卫星中有着广泛的应用。,9) 计算机与工作站 数字信号处理器在阵列处理机、计算加速卡、图形加速卡、多媒体计算机中也得到了应用。 10) 消费电子 在消费电子设备中，数字信号处理器作为嵌入式处理器得到了广泛的应用，如数字电视、高清晰度电视、图像/声音压缩解压器、VCD/DVD/CD播放机、电子玩具、游戏机、数字留言/应答机、汽车电子装置、音响合成、住宅电子安全系统和家电电脑控制装置。,1.3 ADI公司的DSP系列简介 1.3.1 Blackfin系列定点处理器 Blackfin系列定点处理
14、器是高性能和低成本的嵌入式处理器，它针对嵌入式音频、视频和通信应用的计算和功耗要求设计，是一种新型16/32位嵌入式处理器。Blackfin 处理器基于由ADI和Intel公司联合开发的微信号架构(MSA)，将一个32位RISC型指令集和双 16位乘法累加(MAC)信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在了一起。这种处理特征的组合使得Blackfin处理器能够在信号处理和控制处理应用中发挥上佳的作用，极大地简化了硬件和软件设计过程。,Blackfin系列处理器目前的最高内核时钟频率达到756 MHz，提供了高达1512 MMACS的运算能力，其相应的功耗低于0.15 mW/MMAC(0
15、.8 V电源)。这类DSP综合了高性能和低功耗的特点，并且具有丰富的接口资源，因此非常适合于嵌入式应用的场合，如无线宽带网络、移动通信、音频和视频处理、工业控制、车载设备、消费电子设备等。Blackfin系列处理器具有以下基本特点：,1) 高性能处理器内核 Blackfin 处理器内核采用了一个10级RISC MCU/DSP流水线，一个专为实现最佳代码密度而设计的混合16/32位指令集。Blackfin 处理器支持 SIMD(单指令多数据)操作，并提供了加速视频和图像处理的指令。该架构很适合于信号处理/分析能力，还可在单内核器件或双内核器件上提供高效RISC MCU控制任务执行能力。,2) 高
16、带宽DMA能力 所有的Blackfin处理器均具有多个独立的DMA控制器，这些控制器支持自动数据传输，而所需的处理器内核开销极少。DMA传输可出现于内部存储器和诸多具有DMA功能的外设之间，也有可能出现于外设和与外部存储器接口相连的外部器件(包括SDRAM控制器和异步存储器控制器)之间。,3) 视频指令 除了具有对8位数据以及许多像素处理算法所常用的字长的支持之外，Blackfin处理器还包括专为增强视频处理应用中的性能而定义的指令。比如，离散余弦变换(DCT)通过一个IEEE 1180舍入操作得到支持，而“SUM ABSOLUTE DIFFERENCE”指令则支持在诸如MPEG2、MPEG4和JPEG等视频压缩算法中所使用的运动估计算法。,4) 高效控制处理 Blackfin处理器提供了各种在 RISC
