第一章-DSP处理器概述要点课件

第一章第一章 DSPDSP处理器概述处理器概述（3学时）第一章 DSP处理器概述（3学时）主要内容主要内容模拟与数字技术，采用数字技术的好处是什么？数字信号处理系统，为什么DSP处理器是实现数字信号处理的最佳选择？DSP处理器及其特点，DSP处理器与其他处理器的区别在哪里？DSP处理器的分类，TI 系列DSP的发展与特点？DSP嵌入式应用系统，设计开发DSP系统的流程和工具情况是怎样的？主要内容模拟与数字技术，采用数字技术的好处是什么？什么是DSP(1)Digital Signal Processing 数字信号处理 即数字信号处理，是指数字信号处理的理论和算法，例如滤波、变换、卷积和频谱分析等；(2)Digital Signal Processor 数字信号处理器 即数字信号处理器，是指实现数字信号处理算法的微处理器芯片，它为数字信号的实时处理提供一个平台。什么是DSPDigital Signal Processin模拟技术与数字技术模拟技术数字技术数字信号处理模拟技术与数字技术模拟技术数字技术数字信号处理数字技术的优点 数字技术采用数字化方式对数据和信号进行处理，这种处理一般由硬件和软件配合实现，由软件实现复杂的数据和信号处理，由硬件提供一个软件运行的系统平台。（1）能实现大规模复杂处理；（2）灵活性强：（3）可靠性高 （4）精度高软件可实现软件可实现软件可实现软件可实现数字技术的优点 数字技术采用数字化方式对数据和信号进行数字信号处理系统放大与滤波采样量化D/A滤波数字信号处理DSP102345601023456100101110011010110101100011010100101110011010102345601001110010110110000数字信号处理系统放大与滤波采样量化D/A滤波数字信号处理DS通用计算机的通用计算机的CPU：优点是软件丰富、编程实现较容易，缺点是不易实时信号处理、无法嵌入式应用。一般地，计算机的CPU由于成本高、功耗大，因此只有在系统对体积、功耗和实时性要求不高的情况下采用，并只适合于固定场合应用。数字信号处理系统的实现数字信号处理系统的实现单片机（单片机（MCU）：）：优点是价格低廉和编程简单，缺点是性能差、速度慢。单片机一般应用于控制领域，这些领域的数字处理要求比较简单，数据量小。通用计算机的CPU：优点是软件丰富、编程实现较容易，缺点是不专用集成电路（专用集成电路（ASIC）：）：将特定的信号处理算法由一个集成电路来实现，例如FFT专用集成电路芯片。这种方法的优点是处理速度快、系统规模化成本低，缺点是功能有限、系统灵活性差、开发成本高。目前，采用专用集成电路的数字系统只适合处理任务不很复杂而要求大批量生产的应用情况。数字信号处理系统的实现数字信号处理系统的实现可重构系统可重构系统（RCPS）：）：FPGA等现场可编程门阵列可以根据需要组建不同的系统逻辑，但成本高只适合实现小规模简单系统，不便于大量应用。专用集成电路（ASIC）：将特定的信号处理算法由一个集成电路DSP处理器：处理器：DSP处理器是专门针对数字信号处理应用而设计的微处理器，在处理器结构和工作原理上采用乘法累加运算单元（MAC）、多总线和多流水线作业，使得信号处理高效和灵活，并且功耗低、便于嵌入式应用。数字信号处理系统的实现数字信号处理系统的实现DSP处理器由于其高性价比而成为当前数字处理器由于其高性价比而成为当前数字信号处理系统设计中采用的主流处理器。信号处理系统设计中采用的主流处理器。DSP处理器：DSP处理器是专门针对数字信号处理应用而设计的DSP的发展的发展 1978年，美国英特尔（Intel）公司推出了2920。这款芯片将内部信号处理器和A/D、D/A集成在一个芯片中，但没有硬件乘法器。1979年，AMI公司发布了S2811，主要是作为其他微处理器的数字信号协处理器。同年，贝尔实验室（Bell Labs）发布了第一个真正意义上的DSP芯片MAC4。1980年，日本NEC公司和AT&T公司在IEEE召开的国际固态电路会议上分别推出了PD7720和DSP1，这两款芯片得到了许多研究人员的推崇，在公共电信网得到了一定的应用。DSP的发展 1978年，美国英特尔（Intel）公司推出了 1983年，美国德州仪器（TI）公司推出了具有里程碑意义的TMS320C10，这款DSP字长为16比特，采用哈弗（Harvard）结构，有独立的指令和数据存储器，并且有一个特殊的指令集处理读入累加、乘加等运算，一个乘加运算的时间是390ns。当时另一个比较成功的DSP是Motorola的DSP5600。1984年，AT&T公司推出DSP32，这是早期具备较高性能的浮点DSP芯片。DSP的发展的发展主要的DSP芯片制造商：美国德州仪器（TI）公司、美国飞思卡尔（FreeScale）公司、美国模拟器件（AD）公司以及日本电气（NEC）公司。1983年，美国德州仪器（TI）公司推出了具有里程碑意义的DSP的特点的特点（1）哈佛结构：这种结构使程序和数据空间彼此独立。（2）多总线结构：可以保证在一个机器周期内多次访问程序空间和数据空间。（3）支持流水线操作：采用流水线结构，在程序运行过程中使取指、译码和执行等操作可以重叠进行。（4）硬件乘法器：配有硬件乘法器，与专用累加器一起构成乘法累加运算单元MAC，可在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作。DSP的特点（1）哈佛结构：这种结构使程序和数据空间彼此独立（5）并行执行多个操作：DSP内部一般都包括有多个处理单元，如算术逻辑运算单元(ALU)、辅助寄存器运算单元(ARAU)、累加器(ACC)以及硬件乘法器(MUL)等，它们可以在一个指令周期内同时进行运算。（6）快速的运算速度：TMS320C5416 的指令执行速度可达到160 MIPS，或160MMACS，即每秒1.6亿次乘法累加运算。而DaVinci芯片TMS320DM6446更是达到了接近5000MMACS。DSP的特点的特点（5）并行执行多个操作：DSP内部一般都包括有多个处理单元，DSP的分类的分类l 根据DSP芯片工作时的数据格式数据格式划分，可分为定点DSP芯片和浮点DSP芯片两大类，l 按照DSP芯片的字长字长划分，可以分为16位、24位、32位DSP芯片。l 根据DSP芯片的用途用途分，可分为通用型DSP芯片和专用型DSP芯片。l 按照不同生产厂家厂家的产品系列划分，有TI公司的TMS320系列、AD公司的ADSP21系列、AT&T公司的DSP16/32系列、Motorola公司的MC5600/MC9600系列、NEC公司的PD77系列等。DSP的分类 根据DSP芯片工作时的数据格式划分，可分为定点DSP的性能指标的性能指标（1）计算速度：一般用MIPS、MFLOPS和MMACS表示。分别表示每秒执行的指令数、每秒执行的浮点操作数和每秒执行的乘法累加数。（2）运算精度：一般由处理器的字长表示。定点DSP芯片字长一般为16位，少数24位。浮点DSP芯片的字长一般为32位。（3）硬件资源：DSP芯片所提供的硬件资源，如片内RAM、ROM的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口、I/O接口等。DSP的性能指标（1）计算速度：一般用MIPS、MFLOPS（4）功耗：电源消耗量。一般移动和便携式DSP设备对功耗要求较高，选择DSP芯片时一般采用低功耗芯片。DSP的性能指标的性能指标u定点DSP芯片的价格较为便宜、功耗低，但运算精度稍低。u浮点DSP芯片的优点是运算精度高，C语言编程调试方便，但价格稍贵，功耗也较大。（4）功耗：电源消耗量。一般移动和便携式DSP设备对功耗要求TIDSP概述概述德州仪器的DSP芯片以TMS320表示，目前占有全球市场的50%。TMS320C2000 TMS320C5000 TMS320C6000OMAPDaVincihttp:/ DSP概述德州仪器的DSP芯片以TMS320表示，C2000系列系列 被称为数字信号控制器（DSC：Digital Signal Controller）。LF240 x子系列：16位定点DSP、40MIPS，代表器件：TMS320LF2407 F280 x子系列：32位定点DSP、60100MIPS，代表器件：TMS320F2809 F281x子系列：32位定点DSP、150MIPS，代表器件：TMS320F2812 F282x子系列：32位浮点DSP、200300MFLOPS，代表器件：TMS320F28232 F283x子系列：32位浮点DSP、300MFLOPS，代表器件：TMS320F2832C2000系列 被称为数字信号控制器（DSC：DiC2000系列系列C2000系列C2000系列系列C2000系列C2000应用与特点应用与特点低价格、高性能，适用于控制领域，如工业自动化、汽车电子、电机控制、家用电器和消费电子等领域。（1）处理能力强。指令周期最短为25ns，运算能力达40MIPS以上。（2）片内FLASH或ROM。系统升级也比较方便。（3）功耗低。在3.3V工作时每个MIPS消耗1.1mA电流，F280 x等系列内核的工作电压只有1.8V，功耗更低。（4）资源配置灵活。具有A/D和CAN模块，容易与其他设备连接。C2000应用与特点低价格、高性能，适用于控制领域，如工业自C5000系列系列 C54x子系列：16位定点DSP、100532MIPS代表器件：TMS320VC5402、VC5416、VC5441 C55x子系列：16位定点DSP、300600MIPS代表器件：TMS320VC5510、VC5509、VC5502 C54xARM7子系列：100MIPS，RISC频率47.5MHz代表器件：TMS320VC5470、VC5471 C55xARM9子系列：即OMAP芯片代表器件：OMAP5910（1）TMS320C54x （2）TMS320C55xC5000系列 C54x子系列：16位定点DSP、100C5000系列系列TMS320C5416内部结构C5000系列TMS320C5416内部结构C5000系列系列C5000系列DSP代码上完全兼容，但C55x的内部结构相对C54x复杂，采用1个40位ALU和16位ALU，2个乘加器（MAC）和4个累加器，而C54x分别只有1个40位ALU、MAC和2个累加器。另外，C55x的程序和地址总线也进行了扩展。C5000系列C5000系列DSP代码上完全兼容，但C55xC5000应用与特点应用与特点低功耗、高性能定点DSP，主要应用在无线移动通信、程控交换机、调制解调器和GPS、PDA。（1）运算速度快。运算速度为100600MIPS。（2）优化的CPU结构。内部ALU，40位的累加器，1717位MAC和40位的桶形移位器。（3）低功耗方式。可在3.3V、2.5V、1.8V甚至1.2V的低电压下工作，C55x的待机功耗只有0.12mW。（4）智能外设。串行口和时分复用（TDM）串行口，自动缓冲串行口BSP和与外部处理器通信的HPI。C5000应用与特点低功耗、高性能定点DSP，主要应用在无线C6000系列系列（1）C62x子系列：32位定点DSP、300600MMACS代表器件：TMS320C6211，C6201（2）C64x子系列：32位定点DSP，40009600MMACS代表器件：TMS320C6416、C6424、C6455（1.2GHz）（3）C67x子系列：32位浮点DSP、5002400MMACS代表器件：TMS320C6711、C6713、C6727（4）C64x+ARM9子系列：即DaVinci芯片代表器件：TMS320DM6446一种高性能的DSP芯片C6000系列（1）C62x子系列：32位定点DSP、300C6000系列系列C6000系列C6000系列系列C6000系列C6000应用与特点应用与特点面向视频会议、高清晰数字电视、无线局域网、安防视频监控和核磁共振（MRI）等需要大规模数据处理应用。（1）运行速度快。运算能力普遍超越C5000，最高的C6455处理器时钟频率达到1.2GHz，每秒执行MAC运算达到 9600个。（2）VelociTI超长指令字（VLIW）结构。在一条指令中组合了几个执行单元，可在一个时钟周期内并行执行多条指令。（3）大容量的片内存储器和大范围的寻址能力。（4）智能外设。内部集成了416个DMA接口，两三个多通道缓存串口McBSP，两个32位计时器。C6000应用与特点面向视频会议、高清晰数字电视、无线局域网OMAP系列系列（1）C55x+ARM9：400MIPS（DSP）+150MHz（ARM9）代表器件：OMAP5910、OMAP1610（2）C55x+ARM11：440MIPS（DSP）+330MHz（ARM11）代表器件：OMAP2420（3）ARM+协处理器：200600MH z（ARM911、ARM Cortex），GPRS/ISP/IVA/PowerVR代表器件：OMAP750、OMAP2430、OMAP2431、OMAP3503ARM+DSP，在具体应用中把不同的任务交给适合的处理器来处理。OMAP系列（1）C55x+ARM9：400MIPS（DSOMAP系列系列OMAP系列OMAP系列系列OMAP系列数字媒体、生物特征识别、定位服务、增强型游戏及远程通信，2.5G/3G 手持无线通信终端及 PDA。(1)处理效率高。DSP+ARM双核结构使整个芯片的处理效率和性能得到极大提升。(2)有效的开发环境。支持Microsoft Windows CE、Linux、Wind River VxWorks 等领先的操作系统及TI 的 DSP/BIOS实时可扩展内核。(3)丰富的外设。配备有多种极佳外设的片上系统功能，包括USB 1.1、MMC/SD 卡接口、多通道缓冲串行端口、实时时钟、GPIO 与 UART、LCD 接口、SPI等。OMAP应用与特点应用与特点数字媒体、生物特征识别、定位服务、增强型游戏及远程通信，2.DaVinci系列系列（1）C64x/C643x+VICP：40007200MMACS代表器件：DM647、DM648、DM6435、DM6437（2）C644x/C646x+ARM9+VICP：4700 MMACS（DSP）+300MHz（ARM9）代表器件：DM6441、DM6446、DM6467（3）ARM9+VICP：270MHz代表器件：DM335、DM3552005年，TI推出了新一代高性能DSP芯片TMS320DM6443、TMS320DM6446，并命名为达芬奇（DaVinci）数字媒体处理器。DaVinci一般构成为 C64x DSP+ARM9+应用软件包。DaVinci系列（1）C64x/C643x+VICP：40DaVinci系列系列DaVinci系列DaVinci系列系列DaVinci系列DaVinci系列系列多格式视频安全设备、视频电话、高清数字电视广播通信系统，车用视觉系统（车道偏离、避免碰撞）以及机器视觉系统、机器人技术、网络摄像机、数码相机等。（1）整体性能高。采用SOC技术，高性能C64x DSP与高端ARM内核相结合。（2）音视频信号处理速度快。高性能的C64x DSP和VPSS、VICP硬件子系统相结合，各种音视频信号编解码速度很快。（3）片上外设丰富。音视频I/O接口，10/100 以太网、UART、I2C、SPI、GPIO、McBSP 和PWM 等。（4）丰富的开发工具与环境：Linux、WinCE操作系统、音视频处理API等。DaVinci系列多格式视频安全设备、视频电话、高清数字电视基于基于DSP的嵌入式系统的嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统是指应用软件与硬件一体化的系统，具有体积小、软件代码精炼、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时多任务处理的应用场合。DSP嵌入式应用系统嵌入式应用系统一般有主从方式和独立运行方式两种类型，前一种方式一般作为一个子处理系统协助主系统完成一些复杂信号处理任务，后一种方式则完全独立。基于DSP的嵌入式系统嵌入式系统是指应用软件与硬件一体化的系DSP嵌入式系统设计流程嵌入式系统设计流程需求分析可行性分析信号分析算法分析与设计资源分析硬件结构分析与设计软件设计与调试系统集成与综合调试系统设计的最终目标不仅是实现系统功能，而且要尽量做到结果精确、效率高、资源消耗少。DSP应用系统的设计包括硬件子系统设计和软件子系统设计两大部分。这两部分的设计并非完全独立，而是需要协调综合考虑。DSP嵌入式系统设计流程需求分析可行性分析信号分析算法分析与开发工具与实验平台开发工具与实验平台开发工具提供系统开发的便利性，可以加快设计开发系统的进程，而实验平台则可以提供一种测试系统的环境。CCS（Code Composer Studio）菜单栏工具栏状态栏工作区窗口输出窗口工具栏工程窗口TMS320C5416 DSKSEED5416 DTK开发工具与实验平台开发工具提供系统开发的便利性，可以加快设计DSP嵌入式系统应用嵌入式系统应用移移动动电电话话DSP嵌入式系统应用移动电话DSP嵌入式系统应用嵌入式系统应用DSP嵌入式系统应用BroadbandCommunicationsWireless3GBaseStationsMedicalImagingDSP嵌入式系统应用嵌入式系统应用Broadband CommunicationsWirele软件无线电软件无线电远程医疗系统远程医疗系统DSP嵌入式系统应用嵌入式系统应用软件无线电远程医疗系统DSP嵌入式系统应用USBBatteryWiFiBTGPSbeagleDSP嵌入式系统应用嵌入式系统应用USBGPSbeagleDSP嵌入式系统应用SD4GBDSP嵌入式系统应用嵌入式系统应用SDDSP嵌入式系统应用DigitalVideoRecorder/ServerConvergedDevicesDigitalStillCamerasIPphonesWirelessInfrastructureSmartphonesBroadbandDiskDrivesDigitalMotorControl3GWirelessBluetoothVoIPGatewayDigitalTVPDAsDigitalRadioWirelessLANsDigitalCamcordersDigitalAudioDSPDSPDSP嵌入式系统应用嵌入式系统应用Digital Video Recorder/ServerC苏州大学苏州大学TIDSP实验室实验室苏州大学 TI DSP实验室脉象信号分析系统脉象信号分析系统脉象信号分析系统1394视频通信系统视频通信系统1394视频通信系统基于基于DSP的嵌入式系统的嵌入式系统1.复合频率信号频率计复合频率信号频率计2.音频范围扫频仪音频范围扫频仪3.跳变信号采集分析系统跳变信号采集分析系统4.某双路时序信号的生成系统某双路时序信号的生成系统5.视频中人脸跟踪分析系统设计视频中人脸跟踪分析系统设计基于DSP的嵌入式系统复合频率信号频率计C P U存储器ABDB冯诺依曼结构 C P U存储器ABDB冯诺依曼结构 程序存储器CPU数据存储器PABDABPBDB 哈佛结构 程CPU数PABDABPBDB 哈佛结构 C P U程序存储器数据存储器DBPBPABDAB改进的哈佛结构 C P U程序存储器数据存储器DBPBPABDAB改进的哈佛指令执行顺序指令执行顺序:指令执行顺序:流水线作业操作的优越性：流水线作业操作的优越性：流水线作业操作的优越性：流水线作业操作：流水线作业操作：流水线作业操作：第一章-DSP处理器概述要点课件