《DSP原理及应用》PPT课件.ppt

TMS320C54xDSP Dspsl DSPisaGreatMarket TIisGrowingShare DSPMarketGrowingFastestNormalizedRevenueTAM Source ForwardConcepts April2007 DSPMarketShare Source WSTS 1987 2004 SIAJune2005Forecast 2005 2008 Dspsl 处理器之间比较 GPU DSP MCU SC 处理器 MPU CPU Dspsl 一些对比知识 DSP SC CPU MPU MCU GPU区别CPU一般指Intel的X86兼容芯片 冯诺依曼结构 是CISC复杂指令集 功能整数浮点都很一般 控制不能达到MCU的水平 MPU以条件判断为主的应用 以软件管理的操作系统为核心的产品 MPU的设计侧重于不妨碍程序的流程 以保证操作系统支持功能及转移预测功能等 DSPDSP都是RISC 结构上采用了增强Harvard 或超级Harvard结构 对于Pipeline的进程要求严格 并行指令应用等 DSP侧重于保证数据的顺利通行 结构尽量简单 特别是尽量少打断Pipeline Dspsl 一些对比知识 GPU在几个主要方面有别于DSP架构 其所有计算均使用浮点算法 而且目前还没有位或整数运算指令 此外 由于GPU专为图像处理设计 因此存储系统实际上是一个二维的分段存储空间 包括一个区段号 从中读取图像 和二维地址 图像中的X Y坐标 没有任何间接写指令 输出写地址由光栅处理器确定 而且不能由程序改变 这对于自然分布在存储器之中的算法而言是极大的挑战 最后一点 不同碎片的处理过程间不允许通信 实际上 碎片处理器是一个SIMD数据并行执行单元 在所有碎片中独立执行代码 Dspsl 现行的一些处理器芯片比较 ARM DSP FPGA 三者可以出现在同一块电路板中 各自有各自的任务 也可以独立的承担数据或信号处理的任务 区别 Dspsl 一些对比知识 ARM DSP FPGA区别ARM具有比较强的事务管理功能 可以用来跑界面及应用程序等 器优势主要体现在控制方面 DSP主要用来计算 比如进行加密解密 调制解调 优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度 FPGA可以用VHDL或verilogHDL来编程 灵活性强 由于能够进行编程 除错 再编程和重复操作 因此可以充分地进行设计开发和验证 当电路有少量改动时 更能显示出FPGA的优势 其现场编程能力可以延长产品在市场上的寿命 而这种能力可以来进行系统升级或除错 Dspsl 一些对比知识 TI AD区别ADI的DSP虽然方便点 但这些方便都是增加硬件复杂性带来的 同时带来了功耗高和售价高的问题 ADI的的汇编 像TI的代数语言 ADI在汇编编写起来方便TI ADI的C编译器的编译效率高过TI TI的结构复杂过ADI 6条流水线是ADI无法比拟的 但需要高手才能真正利用好这个流水线 我认为是难点 虽然ADI的DSP较为好用 但还是认为TI的功能强些 Dspsl TI公司的DSP与AD公司的DSP的异同点 TIDSPADDSP1 定 浮点的长处定点见长浮点见长2 PAGEN与DAGEN不对称对称3 指令形式助记符代数形式4 流水线级数6级3级5 I O寻址方式I O指令寻址存储器映象寻址6 循环堆栈无有7 互连总线RapidIOLink端口8 指令兼容性C2000 C5000全系列兼容C6000相互间不兼容 Dspsl 复习下定点和浮点的概念 1 定点数的表示方法定点格式 是指在数据表示时 约定机器中所有数据的小数点的位置是固定不变的 我们把用定点格式表示的数称为定点数 在计算机中 通常将定点数表示成纯小数或纯整数 对于任意一个n 1位的定点数x 在定点机中可表示成如下格式 如果数x表示的是纯小数 那么小数点在x0和x1之间 即数符和尾数之间 如果数x表示的是纯整数 那么小数点在xn后面 即数据的最后 Dspsl 复习下定点和浮点的概念 2 浮点数的表示方法浮点格式 是指在数据表示时 将浮点数的范围和精度分别表示 相当于小数点的位置随比例因子的不同而在一定的范围内可自由浮动 浮点数中小数点的位置是不固定的 用阶码和尾数来表示 通常尾数为纯小数 阶码为整数 尾数和阶码均为带符号数 尾数的符号表示数的正负 阶码的符号则表明小数点的实际位置 其浮点数的精度由尾数决定 数的表示范围由阶码决定 对于一个任意进制数N 均可表示成N M 2E 1 浮点数的表示格式在早期的计算机中 一个浮点数在机器中的表示格式 通常由阶码和尾数两部分组成 其中阶码又包括阶符和阶码值两部分 尾数又包括数符和尾数值两部分 如下图所示 Dspsl 浮点表示 例1设尾数用8位二进制表示 阶码用4位二进制表示 均含符号位 尾数用原码表示 则有 Dspsl 复习下定点和浮点的概念 后来为便于软件移植 IEEE754规定了浮点数表示标准 这包括定义了单精度 32位 和双精度 64位 两种常规格式 以及两种扩展格式 32位和64位浮点数标准格式为 Dspsl DSP定点和浮点 定点硬件严格执行整数运算 而浮点DSP既支持整数运算又支持实数运算 后者以科学计数法进行标准化 字长为16位的顶点DSP实现64K的精度 带符号整数值范围为 215至215 1 与此相比浮点DSP单一精确运算的32位浮点DSP尾数位24 指数位8位 由于较长的字长和取幂范围可支持16M精度范围 双精度的53位尾数 11位指数 能完成更高精度计算 Dspsl 主要内容 DSP的特点及结构 DSP的原理 内部组成框图 硬件结构框图 数字信号处理相关理论学习 Dspsl DSP的特点 1 哈佛结构 2 多总线结构 3 流水线作业 4 并行结构 多处理单元 5 特殊的DSP指令 6 指令周期短 7 运算精度高 8 硬件配置强 Dspsl 1 结构特点 MCU冯诺依曼结构DSP改进的哈佛结构 Dspsl Dspsl Dspsl Dspsl Dspsl Dspsl Dspsl 改进的哈佛结构的优点 解决了总线拥挤问题 提高了运算速度提供了总线数据交换器 保证了灵活性程序总线与数据总线宽度可以不同 可支持更强大的并行操作指令集以及保证足够高的运算精度从结构上为管道操作等硬件特性提供了基础 Dspsl 多总线 TMS320C54x内部组成框图 Dspsl TMS320C54x内部硬件结构框图 Dspsl 3 流水线作业 Dspsl 主要内容 DSP的特点及结构 DSP的原理 内部组成框图 硬件结构框图 数字信号处理相关理论学习 Dspsl 信号 信号处理与信号处理器模拟信号和数字信号数字信号处理领域的组成数字信号处理的优点数字信号处理技术的相关基础理论 数字信号处理器原理的相关理论概述 Dspsl 信号 信号处理与信号处理器 信号 Signal 随时间变化的物理量 f A 单色信号sin cos等 但一般为复合信号 信号处理 DigitalSignalProcessing 用一系列的数表示现实世界的信号 用数术方法将其变换或从中提取信息 信号处理器 DigitalSignalProcessor 实现数字信号处理的专用器件 Dspsl DSP是一门边缘科学 它依赖于许多相近的学科综合而成 如图所示 DSP和其它学科间的分界并不是那么清晰和明确的 恰恰相反 它们之间有很多交叠的地方 DSP把基本的信号处理理论 算法 电路技术 融合到具体的应用里 在设计一个DSP系统的同时 你会学习到很多相关的知识 模拟 数字 模拟信号的过程 Dspsl 简单流程 数字信号处理的流程 Dspsl 模拟 数字 模拟信号的过程 Dspsl 看门狗 又叫watchdogtimer 是一个定时器电路 一般有一个输入 叫喂狗 一个输出到MCU的RST端 MCU正常工作的时候 每隔一端时间输出一个信号到喂狗端 给WDT清零 如果超过规定的时间不喂狗 一般在程序跑飞时 WDT定时超过 就回给出一个复位信号到MCU 是MCU复位 防止MCU死机 看门狗的作用就是防止程序发生死循环 或者说程序跑飞 Dspsl Dspsl 数字信号处理领域组成图 Dspsl 数字信号处理的优点 数字信号源输出的信号电平只有2种状态 例如0v 5v 模拟信号源输出的电平在一个范围内有无数种状态值 例如在0 5v间的许多种电压 数字信号通常频率较高 模拟信号一般较低 自然界绝大部分参数转成的电信号是模拟信号 数字信号是在模拟信号基础上转换后形成 数字信号较之模拟信号 具有便于传输 处理 保存 复杂加工等优势 Dspsl 数字信号处理的优点 Dspsl 采用数字信号处理技术的优点 可编程和可更换程序 在同样的DSP硬件平台上可执行各种程序 稳定性高 降低热漂移 减速低老化效应 降低噪声敏感度 可重复性 模拟器件不可能器件性能完全一致 易于实现自适应算法 Dspsl 采用数字信号处理技术的优点 误差校正码数据压缩降低成本降低硬件成本 可编程性降低精确零部件 重合性减少芯片用量 集成性缩短开发时间 工具和支持实现软件处理和控制 修改生级容易 硬件可不改动 Dspsl 数字信号处理系统的组成 Dspsl DSP应用 算法 功能 工业 网络 图象处理 控制袖珍数字音频 存储 回放 编码医学 图象处理 编码电信 声音 数据 传真 视频办公室 声音 数据 传真 视频 控制 调制压缩 解压缩声音 声音重建声音合成噪声对消编码 系统应用 支撑算法 基本功能 FIR滤波器IIR滤波器FFT Dspsl 数字信号处理技术的相关基础理论连续信号的傅里叶变换离散信号的傅里叶变换Z变换FIR IIR有限长序列的DFT有限长序列的FFT 相关基础理论 Dspsl 连续时间信号的频域表示 模拟 对于连续时间系统 只要满足条件 绝对可积 则存在傅里叶变换对 Dspsl 序列傅立叶变换 数字 定义 若序列满足条件 绝对可和 则存在序列的傅里叶变换 Dspsl 离散序列的频率响应 离散序列频率响应例子1 一个系统的单位取样响应为矩形窗求其频率响应 Dspsl 1 5 2离散系统频率响应 Dspsl 离散系统频率响应 Dspsl 幅频图 Dspsl N 5相频特性 Dspsl Z变换 引入z变换的原因离散时间系统通常用差分方程来描述 通过z变换可以将其转换为比较简单的代数方程 当有些序列的傅立叶变换不存在时 需要用z变换来分析它 最重要的它能将非收敛的序列用矢径进行调整使其收敛进行傅里叶变换 给出收敛域 Dspsl Z变换 Z变换 定义为Z变换和傅里叶变换的关系Z变换可以作为广义的傅里叶变换 而傅里叶变换可以看成Z变换的一种特殊情况 Dspsl FIR滤波器 Dspsl FIR滤波器可以由信号流图得到只有零点没有极点 从系统冲激响应看来 这类响应为有限长序列 称之为有限长冲激响应FIR Dspsl TMS320C54x内部硬件结构框图 Dspsl IIR滤波器 Dspsl IIR无限长冲激响应系统指其冲激响应从均有值 其系统函数一般可表示为可以写出差分方程输出序列等于系统输入延迟组合和加上输入及其延迟组合和 Dspsl TMS320C54x内部硬件结构框图 Dspsl FFT Dspsl FFT的引出由前述的Z变换或序列的傅里叶变换来表示频域特征的时候是的连续函数计算机处理困难 此时导出DFT概念 周期性 对称性 正交性 Dspsl DFT FFT精髓N为2的整数倍 Dspsl 其中为的DFT其中 由于定义区间不同 所以应以周期重复一次 Dspsl FFT蝶形算法 每个蝶形算法运算需要一次复数相乘 两次复数相加 Dspsl FFT蝶形算法 N 8 N 2点DFT N 2点DFT Dspsl TMS320C54x内部硬件结构框图 Dspsl 控制系统 PID控制 Dspsl TMS320C54x内部硬件结构框图 Dspsl 下次内容 下节课我们将继续介绍CPU中的几个单元请大家提前做好预习的准备 interstice ThankYou