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NDA required until November 11,2008全球领先的高性能信号处理解决方案供应商全球领先的高性能信号处理解决方案供应商Maikel Kokaly-BannourahHarry WeiADI公司公司处理器处理器-DSP核心产品与技术部门核心产品与技术部门2012年年03月月DSP与嵌入式处理器与嵌入式处理器基本原理基本原理Maikel Kokaly-BannourahDSP与嵌入式与嵌入式数字信号处理简介数字信号处理简介“世界是数字的，你只需要以足够高的采样速率将世界是数字的，你只需要以足够高的采样速率将其数字化其数字化”海森堡（其实，这不是他的原话海森堡（其实，这不是他的原话）2数字信号数字信号处处理理简简介介“世界是数字的，你只需要以足世界是数字的，你只需要以足够够高的采高的采样样速率将速率将这句话要表达的意思是：这句话要表达的意思是：“DSP”可以表达不同的含义：可以表达不同的含义：“数字信号处理数字信号处理”“数字信号处理器数字信号处理器”数字信号处理可通过以下器件完成：数字信号处理可通过以下器件完成：数字信号处理器数字信号处理器例如ADI的SHARC和Blackfin 微处理器微处理器例如ARM专用硬件加速器专用硬件加速器例如专用视频编码器和解码器本教程将介绍：本教程将介绍：数字信号处理的基本原理数字信号处理的基本原理数字信号处理器简介数字信号处理器简介ADI公司的处理器公司的处理器-DSP产品产品3这这句句话话要表达的意思是：要表达的意思是：“DSP”可以表达不同的含可以表达不同的含义义：3模拟与数字采样模拟与数字采样4模模拟拟与数字采与数字采样样4数字采样数字采样5数字采数字采样样5能否恢复原始信号？能否恢复原始信号？6能否恢复原始信号？能否恢复原始信号？6能否恢复原始信号？能否恢复原始信号？7能否恢复原始信号？能否恢复原始信号？7能否恢复原始信号？能否恢复原始信号？8能否恢复原始信号？能否恢复原始信号？8能否恢复原始信号？能否恢复原始信号？9能否恢复原始信号？能否恢复原始信号？9能否恢复原始信号？能否恢复原始信号？10能否恢复原始信号？能否恢复原始信号？10数字采样数字采样3种不同频率，采样结果相同种不同频率，采样结果相同11数字采数字采样样3种不同种不同频频率，采率，采样结样结果相同果相同11数字采样数字采样一旦采样，信息就会丢失一旦采样，信息就会丢失12数字采数字采样样一旦采一旦采样样，信息就会，信息就会丢丢失失12奈奎斯特准则奈奎斯特准则带宽为带宽为fa的信号必须以的信号必须以fs 2fa的采样速率进行采样，否则信息会丢失的采样速率进行采样，否则信息会丢失只要只要fs 2fa的采的采样样速率速率现在，我们已经得到了数字信号，现在，我们已经得到了数字信号，接下来该怎么做呢？接下来该怎么做呢？14现现在，我在，我们们已已经经得到了数字信号，得到了数字信号，接下来接下来该该怎么做呢？怎么做呢？14模拟信号的模拟信号的 数字采样数字采样数字滤波数字滤波传统传统DSP信号链信号链BPF或或LPFN位位ADCN位位DACDSPfafsfsBPF或或LPFAt大多数大多数DSP算法都可以用算法都可以用MAC表示：表示：15模模拟拟信号的信号的 数字数字滤滤波波传统传统DSP信号信号链链BPFN位位N位位DSPFIR有限脉冲响应滤波器有限脉冲响应滤波器输出输出16每个输出需要每个输出需要N位乘法累加位乘法累加3抽头抽头FIR示例：示例：需要需要3个样本的存储器个样本的存储器FIR有限脉冲响有限脉冲响应滤应滤波器波器输输出出16每个每个输输出需要出需要N位乘法累加位乘法累加FIR有限脉冲响应滤波器有限脉冲响应滤波器输出输出17每个输出需要每个输出需要N位乘法累加位乘法累加3抽头抽头FIR示例：示例：需要需要3个样本的存储器个样本的存储器FIR有限脉冲响有限脉冲响应滤应滤波器波器输输出出17每个每个输输出需要出需要N位乘法累加位乘法累加FIR有限脉冲响应滤波器有限脉冲响应滤波器输出输出18每个输出需要每个输出需要N位乘法累加位乘法累加3抽头抽头FIR示例：示例：需要需要3个样本的存储器个样本的存储器FIR有限脉冲响有限脉冲响应滤应滤波器波器输输出出18每个每个输输出需要出需要N位乘法累加位乘法累加IIR无限脉冲响应滤波器无限脉冲响应滤波器和和FIR一样，但是有无限多个抽头一样，但是有无限多个抽头即使对当今的技术而言，同时实现无限多次倍乘与无限多个样本的存储器也很有即使对当今的技术而言，同时实现无限多次倍乘与无限多个样本的存储器也很有难度难度所以我们采用了特别的方法！所以我们采用了特别的方法！我们采用了反馈，这样系统就能我们采用了反馈，这样系统就能“记住记住”并使并使用无限多个之前的输入用无限多个之前的输入所有常见的模拟问题都适用所有常见的模拟问题都适用稳定性、相位失真、纹波等。稳定性、相位失真、纹波等。19IIR无限脉冲响无限脉冲响应滤应滤波器和波器和FIR一一样样，但是有无限多个抽，但是有无限多个抽头头其它典型的数字信号处理算法其它典型的数字信号处理算法自适应性滤波自适应性滤波离散傅里叶、余弦、小波、离散傅里叶、余弦、小波、Hadamard变换变换控制系统控制系统纠错纠错加密加密数据压缩（无损和有损）数据压缩（无损和有损）音频与视频标准编解码器音频与视频标准编解码器(MP3、JPEG、MPEG、H.264)20其它典型的数字信号其它典型的数字信号处处理算法自适理算法自适应应性性滤滤波波20为什么要对信号进行数字化处理？为什么要对信号进行数字化处理？21为为什么要什么要对对信号信号进进行数字化行数字化处处理？理？21数字与模拟滤波数字数字滤波器波器线性相位（性相位（FIR滤波器）波器）不存在由于元件不存在由于元件变化引起的漂移化引起的漂移可可实现灵活的自适灵活的自适应性性滤波波易于使用存易于使用存储器器（对2D滤波器而言是必需的）波器而言是必需的）计算必算必须在采在采样周期内周期内完成完成限制限制实时操作操作需要需要ADC、DAC和和 信号信号处理数学引擎理数学引擎易于更改（易于更改（软件中）件中）可重复可重复对RF滤波器而言波器而言较难，且效率低下，且效率低下模模拟滤波器波器非非线性相位性相位存在由于元件存在由于元件变化引起的漂移化引起的漂移难以以实现自适自适应性性滤波器波器不易使用存不易使用存储器器高高频及抗混叠及抗混叠滤波器需要模波器需要模拟滤波器波器无需无需ADC、DAC或或信号信号处理数学引擎处理数学引擎更改更改时需要修改需要修改电路路再生再生产高高阶滤波器的代价昂波器的代价昂贵对RF滤波而言波而言较为容易容易22数字与模数字与模拟滤拟滤波数字波数字滤滤波器波器线线性相位（性相位（FIR滤滤波器）模波器）模拟滤拟滤波器非波器非模拟与数字滤波器频率响应对比模拟与数字滤波器频率响应对比23040206080100040206080100012345012345模拟滤波器模拟滤波器数字滤波器数字滤波器dBdB频率频率(kHz)频率频率(kHz)模模拟拟与数字与数字滤滤波器波器频频率响率响应对应对比比23040206080实时信号处理实时信号处理数字信号处理；数字信号处理；ADC/DAC采样频率限制信号带宽采样频率限制信号带宽（别忘了奈奎斯特！）ADC/DAC分辨率分辨率/性能限制信号动态范围性能限制信号动态范围DSP处理器速度限制可用的数字处理量：处理器速度限制可用的数字处理量：实时操作时，所有的DSP计算都必须在采样间隔1/fs期间完成！别忘了模拟信号处理别忘了模拟信号处理高频高频/RF滤波、调制、解调滤波、调制、解调采用采用ADC和和DAC的模拟抗混叠和重构滤波器的模拟抗混叠和重构滤波器24实时实时信号信号处处理数字信号理数字信号处处理；理；24数字信号处理器数字信号处理器简介简介25数字信号数字信号处处理器理器简简介介25信号处理性能信号处理性能(MMAC)细分市场细分市场各细分市场的可编程处理要求各细分市场的可编程处理要求电力线监控电力线监控电机控制电机控制ECG血糖血糖 监控器监控器活动活动 监控器监控器便携式超声系统便携式超声系统脉搏血氧仪脉搏血氧仪呼吸呼吸远程医疗远程医疗消费者测试消费者测试数字数字X射线射线输液泵输液泵工业与仪器仪表工业与仪器仪表医疗保健医疗保健汽车电子汽车电子通信与通信与 基础设施基础设施消费电子消费电子 基站基站微控制器微控制器可编程可编程DSP加速器、加速器、FPGA 处理器阵列处理器阵列超声超声断层扫描断层扫描太阳能太阳能驾驶员辅助系统驾驶员辅助系统音频音频发动机控制发动机控制音响主机音响主机 信息娱乐系统信息娱乐系统音频音频PLC UPSAVR主动安全系统主动安全系统调制解调器调制解调器网真网真雷达雷达1K110010K视频视频声纳声纳军事军事 无线电无线电DSCVOIP电话电话机器视觉机器视觉VOIP网关网关智能电话智能电话视频监控视频监控.110100K信号信号处处理性能理性能(MMAC)细细分市分市场场各各细细分市分市场场的可的可编编程程处处理要求理要求电电什么是什么是DSP？DSP是一种针对典型实时信号处理应用进行优化的微处理器是一种针对典型实时信号处理应用进行优化的微处理器能够尽快计算算法能够尽快计算算法能够尽快传输数据能够尽快传输数据27什么是什么是DSP？DSP是一种是一种针对针对典型典型实时实时信号信号处处理理应应用用进进行行优优化的化的什么是什么是DSP？DSP是一种针对典型实时信号处理应用进行优化的微处理器是一种针对典型实时信号处理应用进行优化的微处理器能够尽快计算算法能够尽快计算算法能够尽快传输数据能够尽快传输数据速度！速度！28什么是什么是DSP？DSP是一种是一种针对针对典型典型实时实时信号信号处处理理应应用用进进行行优优化的化的DSP与微控制器与微控制器DSP架构架构Harvard架构架构独立程序与数据存储空间专用硬件乘法器专用硬件乘法器单周期单周期MAC高效计算高效计算所需存储器较小所需存储器较小代数（类似于代数（类似于C）汇编语言）汇编语言高级控制特性高级控制特性微处理器架构微处理器架构冯冯诺依曼架构诺依曼架构共用程序与数据存储空间用软件完成乘法计算用软件完成乘法计算多个周期需要大量存储器空间需要大量存储器空间基于助记符的汇编语言基于助记符的汇编语言29存储器：存储器：数据与数据与指令指令数据总线数据总线地址总线地址总线CPU PM数据总线数据总线PM地址总线地址总线 DM数据总线数据总线DM地址总线地址总线程序程序存储器：存储器：指令指令与数据与数据数据数据存储器：存储器：仅限数据仅限数据指令指令缓存缓存CPUDSP与微控制器与微控制器DSP架构微架构微处处理器架构理器架构29存存储储器：数据器：数据总线总线地地控制器分析控制器分析流程的转移和变化流程的转移和变化通常出现在控制应用中通常出现在控制应用中较短的流水线和分支预测可以提供帮助较短的流水线和分支预测可以提供帮助高性能缓存高性能缓存指令和数据缓存广泛用于管理通过较大、较慢的外部存储器进行的访问指令和数据缓存广泛用于管理通过较大、较慢的外部存储器进行的访问字节可寻址性适合于网络应用字节可寻址性适合于网络应用存储器保护和转换存储器保护和转换按最小尺寸编码的最常用指令，提高了代码密度按最小尺寸编码的最常用指令，提高了代码密度支持堆叠和帧指针支持堆叠和帧指针支持操作系统的用户和管理员模式支持操作系统的用户和管理员模式控制器分析流程的控制器分析流程的转转移和移和变变化化DSP分析分析定点和定点和/或浮点数学，在单周期内计算或浮点数学，在单周期内计算 乘法器、乘法器、ALU、转换器、转换器 可选特殊指令处理与通信、视频等相关的任务可选特殊指令处理与通信、视频等相关的任务多内核资源可访问数据多内核资源可访问数据大量数据和地址寄存器大量数据和地址寄存器 大累加器寄存器可保存结果大累加器寄存器可保存结果高频运算十分重要，但以下特性也很典型高频运算十分重要，但以下特性也很典型 每个内核周期可以完成多个运算每个内核周期可以完成多个运算 计算、数据访问和地址更新 较深的流水线有利于提高速度，但不利于流程改变较深的流水线有利于提高速度，但不利于流程改变 零开销循环零开销循环 用于循环缓冲和用于循环缓冲和FFT位反转的位反转的DSP寻址寻址快速确定性中断服务程序快速确定性中断服务程序高速外设、定时器和实时预算驱动要求高速外设、定时器和实时预算驱动要求当处理器处理其它任务时，当处理器处理其它任务时，DMA控制器可以转移数据控制器可以转移数据存储器存储器 带有存储库的单周期内部存储器，可以实现同步带有存储库的单周期内部存储器，可以实现同步DMA与内核访问与内核访问DSP分析定点和分析定点和/或浮点数学，在或浮点数学，在单单周期内周期内计计算算DSP中最基本的数学运算：中最基本的数学运算：乘积和乘积和数字滤波数字滤波数据样本乘以滤波器系数数据样本乘以滤波器系数得出的值增加至累加器得出的值增加至累加器重复重复N次次DSP要求：要求：快速乘法累加快速乘法累加 扩展精度（累加器寄存器）扩展精度（累加器寄存器）双取操作数双取操作数循环缓冲循环缓冲零开销循环零开销循环单周期执行：单周期执行：从存储器中取指令、数据样本和系数从存储器中取指令、数据样本和系数执行乘法累加执行乘法累加更新指针更新指针32y(n)=h(0)x(n)+h(1)x(n1)+.+h(N1)x(nN)DSP中最基本的数学运算：中最基本的数学运算：乘乘积积和和32y(n)=h(数学基本式数学基本式大多数大多数DSP算法的基本问题算法的基本问题乘法与累加乘法与累加(MAC)运算运算y:=0;FOR n:=0 TO N-1 DO y:=y+anxn;数学基本式大多数数学基本式大多数DSP算法的基本算法的基本问题问题y:=0;16位微控制器如何进行处理？位微控制器如何进行处理？R0=数值数值R1=常数常数R2=1024R3=0R4=0R5=0循环：循环：mov R6,R0 mov R7,R1 add R0,#2add R1,#2mulu R6,R7add R3,MDLaddc R4,MDHaddc R5,#0sub R2,#1jmp cc_NZ,loop乘法要求多个周乘法要求多个周期期循环控制需要两个循环控制需要两个周期的开销周期的开销显式地址指针增量显式地址指针增量（基于字节）（基于字节）数据加载需要显式数据加载需要显式移动指令移动指令（冯（冯诺依曼）诺依曼）用于累计的额外周期用于累计的额外周期地址指针地址指针累计寄存器累计寄存器循环计数器循环计数器16位微控制器如何位微控制器如何进进行行处处理？理？R0=数数值值R1=常常DSP(Blackfin)如何进行处理？如何进行处理？I0+=4|R2.H=WI2-;/调整指针R2.H=WI2+|R1=I0;/取数据R0=P0+;I0+=R0|R2.L=WI2+;LSETUP(E_MAC_ST,E_MAC_END)LC1=P21;E_MAC_ST:A1+=R0.L*R2.H,A0+=R0.L*R2.L|R2.L=WI2+|R0=I1-;E_MAC_END:A1+=R0.H*R2.L,A0+=R0.H*R2.H|R2.H=WI2+;R3.H=(A1+=R0.L*R2.H),R3.L=(A0+=R0.L*R2.L)|R0=P0+|R1=I0;I3+=R3;35注意：注意：示例代码不完整示例代码不完整仅作为示例提供仅作为示例提供支持零开销支持零开销HW循环循环单周期单周期MAC和具有自动和具有自动指针更新功能的两次数指针更新功能的两次数据加载据加载存储最终滤波输出存储最终滤波输出DSP(Blackfin)如何如何进进行行处处理？理？I0+=4|36“DSP”MAC引擎引擎R0R1YY C xnnnn+=+1*R1 R01个周期个周期AOA036“DSP”MAC引擎引擎R0R1YYCxnnnn+=+1*ADI公司的公司的处理器处理器-DSP37ADI公司的公司的处处理器理器-DSP37医医疗病人病人监护超声超声脉搏血氧脉搏血氧仪ECG消消费电子子/通信通信AVR家庭影院家庭影院数字广播数字广播互互联网广播网广播无无线耳机耳机/耳机耳机组合合专业音音频汽汽车电子子放大器放大器ADAS信息信息娱乐系系统音响主机音响主机工工业和和仪器器仪表表控制控制数据采集数据采集测试与与测量量电机控制机控制智能智能仪表表安防和安防和监控控军用和航空航天用和航空航天产品品ProductTypeApplication specific(ASSP)Broad market Software&AlgorithmsSystems&software expertiseTargeted DSP hardware acceleratorsTools/Platforms including leveraging open source and third partiesCore TechnologyArchitecture:SHARC and BlackfinCore agnostic infrastructureModern and enhanced peripherals Synthesizable platformPDSP产品技术产品技术38医医疗疗消消费电费电子子/通信通信AVR汽汽车电车电子工子工业业和和仪仪器器仪仪表表ProducADI公司的处理器公司的处理器-DSP系列产品系列产品Blackfin 处理器处理器16位双位双MAC定点定点DSP性价比出色性价比出色1.99美元起单核性能高达600MHz/1.2GMAC单核或双核产品低功耗与动态电源管理低功耗与动态电源管理100MHz时为28mW支持支持DSP和微控制器功能和微控制器功能具备强大连接能力的丰富具备强大连接能力的丰富DSP产品产品USB、以太网、RSI、NAND、CAN、MOST系统级封装集成选项系统级封装集成选项混合信号与FlashSHARC 处理器处理器 双双MAC浮点浮点DSP性价比出色的浮点性价比出色的浮点DSP产品产品5美元起双MAC性能高达450MHz硬件加速器特别适合对绝对精度和动态范围有要求的应用特别适合对绝对精度和动态范围有要求的应用具有出色的内核与存储器性能具有出色的内核与存储器性能优异的优异的I/O吞吐能力吞吐能力高速处理器间通信可配置应用I/O接口丰富的丰富的DSP产品产品39ADI公司的公司的处处理器理器-DSP系列系列产产品品39BF561BF609BF608BF607BF606BF592BF514BF516BF518BF522BF524BF526BF512BF531BF532BF534BF535BF536BF523BF525BF527BF538BF539BF537BF533BF542BF544BF547BF548BF549低功耗待机低功耗待机Lockbox安全功能安全功能系统集成系统集成（Flash、混合信号）、混合信号）多核多核600 MHz选项选项最低的最低的BOM成本成本基础连接基础连接 系统级系统级连接能力连接能力提供汽车应用级产品。提供汽车应用级产品。价值与更低功耗价值与更低功耗更高性能更高性能BF504BF504FBF506FUSB 2.0 OTG以太网以太网MACBlackfin处理器系列处理器系列40BF561BF609BF592BF514BF522BF512SHARC处理器系列处理器系列2126621362213632136421368213692136521366213672148321486214872148821489214671ADSP-21363、21364和和21366不含硬件加速器。不含硬件加速器。提供汽车应用级产品。提供汽车应用级产品。214692126121262213712137512147821479更高性能更高性能专用外设专用外设可配置应用可配置应用I/O接口接口低成本低成本ROM含音频解码器含音频解码器硬件加速器硬件加速器高速处理器间高速处理器间通信（链路端口）通信（链路端口）性能性能 2 GFLOPS11未来未来低功耗低功耗41SHARC处处理器系列理器系列212662136221368213654242ADI公司开发工具公司开发工具ADI公司的开发工具产品系列公司的开发工具产品系列CROSSCORE旨在为工程师提供简便、可靠的方法来开发和优旨在为工程师提供简便、可靠的方法来开发和优化系统，缩短产品开发周期，加速产品上市。化系统，缩短产品开发周期，加速产品上市。CROSSCORE包括：包括：VisualDSP+IDDE一套简便易用的项目管理工具，包括集成式开发和调试环境，使编程人员能够通过单一接口在编辑、构建与调试之间轻松转换提供90天免费VisualDSP+评估许可评估套件评估套件EZ-Board和和EZ-KIT Lite使工程师可以采用任何一款 Blackfin和SHARC产品轻松评估和开发USB JTAG ICE仿真器仿真器EZ-Extender子板子板凭借EZ-Extender子板，开发人员可以评估 各种外设4242ADI公司开公司开发发工具工具ADI公司的开公司的开发发工具工具产产品系列品系列CRO4343Blackfin和和SHARC软件模块软件模块Blackfin和和SHARC处理器的音频和视频算法处理器的音频和视频算法这些模块经过高度优化，使客户能迅速集成多媒体功能，提供了终端产品的快速开发这些模块经过高度优化，使客户能迅速集成多媒体功能，提供了终端产品的快速开发方法。方法。软件模块由软件模块由ADI内部开发而成，免费提供！内部开发而成，免费提供！目前提供超过目前提供超过60个模块个模块全部采用标准全部采用标准API集集所有产品都提供演示应用程序所有产品都提供演示应用程序实时演示和基于文件实时演示和基于文件IO的演示的演示完整文档，一致的外观和使用感受完整文档，一致的外观和使用感受所有产品均通过常用测试，采用所有产品均通过常用测试，采用SQE策略策略独立于工具链独立于工具链无需进行专门的工具更新！无需进行专门的工具更新！除非受到除非受到Dolby、DTS和和Microsoft等等IP持有人的限制，持有人的限制，否则模块均可以生产代码否则模块均可以生产代码形式从网上下载。形式从网上下载。提供应用演示，支持标准提供应用演示，支持标准EZ-KIT通过以下网址提供专职支持团队并及时回答问题：通过以下网址提供专职支持团队并及时回答问题： 可从可从以下以下网址下载网址下载 EMACNANDFlashNANDSPORT/SPIAFEUSBSPICX53121音频音频编解码器编解码器SPORT 连接能力连接能力SPI/I2CGPIOBF52644电电量量锂电锂电池保池保护护充充电电电电池管理池管理ADC生物生物传传感器串行感器串行SDRAM键盘键盘45ADI处理器对比报告处理器对比报告45ADI处处理器理器对对比比报报告告谢谢谢谢46ADI_Newshttp:/ http:/Processor.C
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