实时数字信号处理绪论ppt课件

1、实时数字信号处置绪论 数字信号处置是一门开展迅速的重要学科，涉及面越来越广泛，实际越来越深化，算法越来越复杂。 数字信号处置器是实现数字信号处置的首选器件，其体系构造在设计上思索了数字信号处置普通算法的特点。 音视频媒体处置运用普及，以及对操作控制方面的要求，产生了将计算和控制有机交融在一个芯片上的趋势。 新型数字信号处置器在实现复杂音视频媒体处置算法根底上，提供了完成事务管理的控制功能 嵌入式媒体处置芯片 对称多核媒体处置器 ADSP-BF561，对称双核嵌入式媒体处置器 实现更加复杂的计算和灵敏的控制，更加有效的运用方式数字信号处置根本概念数字信号处置根本概念 世界上有各种各样需求研讨的信

2、号。 人们用感知认识世界、获取信息。 人们经过各种手段改动世界。 数字信号处置Digital Signal Processing，DSP是20世纪60年代前后开展起来的一门新兴学科。 现代信号处置实际 涉及到非常复杂的算法和大量的计算 添加了实时处置难度 分布式、并行计算 并行计算机系统 、DSP芯片的阵列处置系统 通用计算机和DSP都朝着多核开展 数字信号处置算法根本特点数字信号处置算法根本特点 乘累加MAC 根据线性时不变离散时间系统的单位脉冲呼应，系统呼应可采用卷积和来计算。 用差分方程描画的系统的呼应计算。 信号相互关函数计算 离散傅立叶变换DFT 离散余弦变换DCT 循环数字信号处置

3、实现方法数字信号处置实现方法 实际、实现、运用 1822年傅立叶级数实际 研讨各种运用算法和快速算法 1965年快速傅立叶变换FFT 数字信号处置的实现方法阅历了一个较长的开展过程。 1982，TI TMS320C10 数字信号处置的实现方法 1通用计算机上软件实现。 2通用计算机系统中公用加速处置机实现。 3公用DSP芯片实现。 4通用单片机实现。 5FPGA实现。 6通用可编程DSP实现。 数字信号处置系统及特点 数字系统有如下优点： 1接口方便，符合工业规范的数字系统或设备在设计上都思索了兼容性 2编程方便，数字器件普通具有可编程性 3稳定性好，数字系统受环境温度以及噪声的影响较小 4精

4、度高，数字器件普通可实现16-bit、24-bit、32-bit数据，甚至更高 5可反复性好，数字系统根本上不受元器件参数变化的影响 6集成方便，数字系统中的数字部件普通都有高度规范性 数字系统的突出优点使其得到了广泛运用。 输出输入抗混叠滤波器A/D数字处置器件D/A平滑滤波数字信号处置系统及特点数字信号处置系统及特点 设计的普经过程 事前预备阶段。确定系统性能目的、信号处置的各种详细要求。 2算法模拟阶段。一个关键是要研讨有效算法，高级言语验证。例如，视频紧缩算法要思索到编码速率和编码质量，不同运用有不同要求，由于二者具有矛盾性。 3系统设计阶段。根据算法运算量、运算精度、接口、系统本钱、

5、功耗等选择硬件并设计。根据算法和所选择的器件编写程序，普通采用高级言语和汇编言语混合编程。 4系统调试阶段。硬件调试普通采用硬件仿真器、示波器、逻辑分析仪等进展。软件调试普通要借助于开发工具，如软件模拟器、开发系统等。算法调试普通采用比较法，与高级言语算法模拟结果的输出进展比较。 5运转调试阶段。各个环节的配合对整体系统实时性的影响，以及噪声、环境变化对稳定性的影响。重新设计、修正算法。数字信号处置器根本概念数字信号处置器根本概念 一种特别适宜于进展数字信号处置运算的微处置器，或者说主要是为快速实现各种数字信号处置算法而设计的。 目前，DSP芯片已广泛运用 第一颗DSP芯片，1978年AMI公

6、司发布的S2811 1979，Intel，商用可编程器件2920 是DSP芯片的一个主要里程碑 但上述两种芯片内部都没有单周期乘法器 1980，NEC，uPD7720，第一个具有乘法器的商用DSP芯片。 TI TMS320系列、ADI ADSP系列、Motolora的MC系列、AT&T的DSPX系列、Zoran的ZR系列、Inmos的IMSA系列、NEC的PD系列等。 数字信号处置器根本概念数字信号处置器根本概念 TI 第一代DSP芯片TMS32021及系列产品 第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28等 第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32等

7、 第四代DSP芯片TMS320C40/C44等 第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X等 第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等 ADI 16位的定点DSP产品ADSP-21xx系列、Blackfin ADSP-215xx系列 32位的浮点DSP产品SHARC系列、TigerSHARC系列 混合信号处置DSP产品ADSP-2199X系列 嵌入式电机控制DSP产品ADMC系列等数字信号处置器根本概念数字信号处置器根本概念系列型号类型处置才干片内存储器程序+数据电源电压V内嵌ADC单元BlackfinADSP-21535P16位定点600MMACS154K1.5ADSP-21532

8、S16位定点600MMACS58K2.25-3.6ADSP-21xxADSP-2191M16位定点160MMACS32K32K2.5ADSP-2195M16位定点160MMACS32K16K2.5ADSP-2196M16位定点160MMACS24K8K2.5ADSP-2188N16位定点80MMACS48K56K1.8ADSP-2189N16位定点80MMACS32K48K1.8ADSP-2187N16位定点80MMACS32K32K1.8ADSP-2185N16位定点80MMACS16K16K1.8ADSP-2186N16位定点80MMACS8K8K1.8ADSP-2184N16位定点80M

9、MACS4K4K1.8ADSP-2188M16位定点75MMACS48K56K2.5ADSP-2189M16位定点75MMACS32K48K2.5ADSP-2185M16位定点75MMACS16K16K2.5ADSP-2186M16位定点75MMACS8K8K2.5数字信号处置器根本概念数字信号处置器根本概念系列型号类型处置才干片内存储器程序+数据电源电压V内嵌ADC单元SHARCADSP-21161N32位浮点600MLOPS1 Mbits1.8/3.3ADSP-21160M32位浮点480MLOPS4 Mbits2.5/3.3ADSP-21160N32位浮点570MLOPS4 Mbits1

10、.9/3.3ADSP-2106032位浮点198MLOPS4 Kbits3.3/5ADSP-21065L32位浮点198MLOPS544 Kbits3.3TigerSHARCADSP-TS101S32位浮点1500MLOPS6 Mbits1.2/3.3ADSP-TS201S32位浮点3GFLOPS24 Mbits1.0/2.5混合信号ADSP-2199016位定点160MIPS4K+4K14-bit20MSPSADSP-2199116位定点160 MIPS8K+32K14-bit20MSPS电机控制ADMC40116位定点26 MIPS2K+1K8通道12-bitADMC32x16位定点20

11、MIPS0.5K+0.5K可变ADMCF32x16位定点20 MIPS0.5K+0.5K可变ADMC341/F34116位定点20 MIPS0.5K+0.5K6通道10-bit数字信号处置器根本概念数字信号处置器根本概念型号时钟频率MHzFIR滤波器每阶/nsIIR滤波器每个二阶级联阶/ns1024点复FFT基4平方根的倒数ns除法nsADSP-21161N100540171us6040ADSP-2106040251000.46ms225150ADSP-2106240251000.46ms225150ADSP-21065L6615600.27ms90ADSP-TS101S2502.239.34

12、us基2ADSP-TS201S5001.020.0us基2数字信号处置器技术特点数字信号处置器技术特点 DSP芯片普通具有如下根本特点： 1一个指令周期内完成一次乘法/加法/乘累加。 2程序和数据空间分开 3片内具有快速RAM，通常可在两块中同时访问。 4具有低开销或无开销的循环及跳转的硬件支持。 5快速的中断处置和硬件I/O支持。 6具有单周期多个地址产生器。 7可以并行执行多个操作。 8支持流水线操作，使取指、译码、执行等操作可以重叠执行。 指令并行、多功能单元并行、多总线等重要特点 数字信号处置器技术特点数字信号处置器技术特点 目前DSP通用途置器的开展方向主要有： 提高单个处置器的才干

13、：高速、多总线、高精度；片内RAM容量、片外寻址才干；片上外设种类和数量；内部并行单元，ADSP-BF561有双MAC、多个视频处置单元。 低电压、低功耗设计。工艺上尽量采用CMOS工艺，降低内核任务电压。设置多种节能形状。 加强DSP片间互联才干：处置器阵列串行或并行地执行，加快处置速度。TMS320C40 DSP有6个8bit的通讯口；ADI的SHARC系列DSP设计了多个Link口。 实现单芯片上集成多个DSP内核的才干：TM320C5421 DSP内部有两个C54xCPU内核；ADSP-BF561有两个对称双核，每个可运转在600MIPS。 DSP核与算法组成公用ASIC芯片 DSP核

14、与其它微控制器核集成在一同非对称双核处置器。数字信号处置器选型根据数字信号处置器选型根据 运算量是首要要素 运算速度运算速度与内核任务频率关系亲密，决议着指令周期、MAC时间 FFT执行时间 MIPS每秒执行百万条指令、MOPS每秒百万次操作、MFLOPS每秒百万次浮点操作、BOPS每秒十亿次操作 硬件资源 RAM、ROM的数量；DSP内核数量；DSP内部并行数据处置功能单元；运算精度开发工具 Visual DSP+，CCS；DSP/BIOS，VDK；函数和软件工具包，如数字滤波器、数字信号处置算法子程序；MATLAB6.5版本，TI；NI LabVIEW，ADI Blackfin嵌入式模块

15、其它要素价钱、功耗、封装、质量规范、供货情况、生命周期等。计算机领域的多机并行计算计算机领域的多机并行计算 计算科学与工程CSEComputational Science and Engineering 随着计算技术和计算方法的飞速开展，几乎一切学科均趋向定量化和准确化，产生了诸如计算物理学、计算化学、计算资料学、计算力学、计算生物学、计算气候学和计算电子学等新兴学科，构成了所谓计算科学与工程CSEComputational Science and Engineering的计算性学科分支。 计算科学Computational Sciences和传统的实际科学与实验科学并列成为第三门学科。 大型

16、并行机系统 单指令多数据流SIMDSingle Instruction Multiple- Data、并行向量处置机PVPParallel Vector Processor、对称多处置机SMPSymmetric Multiprocessor、大规模并行处置机MPPMassively Parallel Processor、任务站机群COWCluster of Workstations和分布共享存储DSMDistributed Shared Memory多处置机计算机领域的多机并行计算计算机领域的多机并行计算共享存储的SMP系统构造具有如下特性：1对称性任何处置器均可访问任何存储单元和I/O设备2

17、单地址空间，益处：例如由于只需一个OS和DB等副本驻留在共享存储器中，所以仍可按任务负载情况在多个处置器上调度进程从而易到达动态负载平衡如由于一切数据均驻留在同一共事存储器中，所以用户不用担忧数据的分配和再分配3高速缓存及其一致性多级高速缓存可支持数据的部分性，而其一致性可由硬件来加强4低通讯延迟处置器间的通讯可用简单的读/写指令来完成P/CP/CP/C总线或交叉开关SMSMI/O多核计算机多核计算机 摩尔定律 1965年4月，预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番1975年，以为芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番如今摩尔定律普通表述为芯片上集成的晶体管数量将每18个月翻一番问题

18、芯片的发热量也越来越大，电流走漏也会越来越严重，能耗却随着频率提升而加剧；报答不成正比。多核技术是一种顺应开展需求的新方法 在单个核的性能差不多到达极限的情况下，经过集成多个核来一同任务来提高处置器性能。 思想源头：多处置器系统 2005，多核桌面处置器 逻辑上多核处置器非常类似于前面提到的SMP并行系统，但核之间通讯带宽可以做到非常高，有共享高速缓存Cache，同时核之间的联络非常严密。 DSP领域的多领域的多DSP并行计算并行计算 多个DSP芯片间的并行处置经过扩展并行规模而较大地加强系统的计算才干 多DSP并行处置是一个综合性很强的运用领域，涉及到算法研讨、VLSI设计实际、系统构造、网

19、络拓扑等多个方面 要素：处置单元DSP、并行处置系统构造、并行算法和义务分配方法 三者严密联络、相互依赖，义务分配和并行算法的直接影响并行处置系统的性能，芯片间的网络衔接可参考并行计算机系统的各种方式，衔接通道担任为各处置单元提供义务调度和数据交换。 共享总线的多DSP并行处置系统 基于Link口的多DSP并行处置系统 基于SPORT的多DSP并行处置系统 基于HPI/IDMA的主从分布式多DSP并行处置系统 基于数据交换的多DSP并行处置系统 DSP领域的多领域的多DSP并行计算并行计算 共享总线的多DSP并行处置系统 共享总线就是一切DSP的外部总线地址、数据和访问控制总线分别衔接在一同，

20、各DSP片内存储器、IOP存放器也映射成存储器地址以及挂接在总线上的外部存储器、外设都作为共享资源 获得总线控制权的DSP是主处置器，每个DSP都有各自的ID 从处置器可以经过总线恳求信号来获取外部总线控制权从而成为主处置器，主处置器可以访问从处置器资源 支持这种方式的典型芯片是ADI的浮点DSP芯片ADSP2106xDSP领域的多领域的多DSP并行计算并行计算 基于Link口的多DSP并行处置系统 ADSP2106x还具有实现基于Link口的多DSP并行处置系统，属于处置器之间经过数据流相联络的并行系统 各DSP用Link口衔接在一同，进展通讯控制和数据交换，系统构造简单、连线少、可扩展性强

21、，可灵敏组成线形、星形、环形、树形、网络型或超立方体型等多种方式 各DSP之间在指令上没有关联，仅经过数据流相联络，相互的耦协作用也较低，所以称为分布式存储系统或松耦合系统DSP领域的多领域的多DSP并行计算并行计算 基于SPORT的多DSP并行处置系统 在基于SPORT的多DSP并行处置系统中，DSP普通以主从方式任务在多通道方式下，一切通讯进程由主DSP芯片控制，各个从DSP芯片以TDM方式挂接在总线上，各自有独一的通道号 主DSP可恣意选择某一指定通道建立双向数据通讯，也可以采用“广播写的方式同时向一切的从DSP发送数据 ADSP-BF561具有这种多DSP并行的才干，有多种任务方式DS

22、P领域的多领域的多DSP并行计算并行计算 基于HPI/IDMA的主从分布式多DSP并行处置系统 基于HPI主机接口/IDMA内部DMA口，可组成主从分布式的多DSP并行处置系统。主DSP经过译码控制模块产生接口访问控制信号，以获得外部总线控制权，管理从DSP，实现主从DSP之间的并行义务分配、访问控制以及数据、形状信息的高速交换，可组建大型星型或树型并行系统 DSP领域的多领域的多DSP并行计算并行计算 基于数据交换的多DSP并行处置系统 多个DSP之间用双口RAM或网络交换机等作为数据交换的“缓冲池，以数据缓冲池的空、满形状作为DSP间数据交换的启动标志，并以此进展DSP间的并行义务分配、形

23、状信息交换和海量数据流传输等操作非对称多核处置器非对称多核处置器AMP特点特点 嵌入式运用和数字信号处置运用是两个不同的运用 两者结合起来的一种典型运用就是嵌入式多媒体运用 嵌入式多媒体处置器EMP传统方法：微控制器和数字信号处置器共同完成MCU管理“控制域，DSP担任“计算域 MCU适宜于高效率的异步控制流，DSP适宜于同步恒定速度数据流并完成数字信号处置算法。MCU厂商在坚持原有控制功能外，集成了一些信号处置功能，例如指令集扩展以及MAC单元，缺乏之处是缺乏先进信号处置所必需的根本架构。 DSP消费商也不断引入MCU功能，但在系统控制方面有所欠缺。 Motorola，MPC8260 Pow

24、erQUICC II，电信和网络市场而设计的，较先进的集成通讯微处置器，交融了两个CPU嵌入PowerPC内核和通讯处置模块CPM，Infineon，TC10GP和加强型TC1130是三核TriCore构造微处置器，设计了微控制器、DSP核、数据和程序存储器核、外围公用集成电路ASIC Hitachi，SH7410和SH7612 TI，OMAP5910，集成了DSP核和ARM9核 非对称多核处置器非对称多核处置器AMP特点特点 每个内核具有不同的特点，属于非对称双核处置器AMP 每个内核运转分别的且通常是不同的义务 一个内核运转嵌入式操作系统或嵌入式操作系统内核Kernel，执行与控制相关的义务，如图形显示和覆盖功能、网络衔接、与存储器接口以及整个数据流的控制 另一个内核担任专门的高密度的信息处置功能，如未来自第一个内核的已紧缩的音视频数据进展解码，或把从音视频接口采集到的数据进展紧缩，或完成某个识别义务等 这种方式可对功能类型进展划分从而允许并行设计处置，可以消除工程中对关键途径的依赖 这种编程方式也有助于工程中的测试和验证，假设一个内核上的代码发生变化，对另外一个内核上曾经完成的任务影响较小对称多核处置