现代数字信号处理-DSP概述1

1、1Q04 现代数字信号处理现代数字信号处理-DSP-DSP技术技术1Q04 DSP 综述综述u课程简介uDSP 基本概念lDSP芯片分类lDSP芯片的应用lDSP与MCU硬件结构比较lDSP芯片的选择lDSP芯片的发展uTI公司DSP概述1Q04 第一部分：第一部分： 课程简介课程简介1Q04 u数字信号处理技术（数字信号处理技术（Digital Signal Processing,DSPDigital Signal Processing,DSP）：）：用数学方法对数字信号进行处理，处理包括变化或提取相应的信息l经典的数字信号处理方法：时域：信号滤波FIR、IIR频域：频谱分析FFTl数字信号

2、处理的特点：AiAiXiXi高速实时u数字信号处理器（数字信号处理器（Digital Signal ProcessorDigital Signal Processor）：）：用于实时完成数字信号处理的微处理器。DSPDSP：特指数字信号处理器器什么是什么是DSP？1Q04 1Q04 关于课程关于课程课程宗旨课程宗旨传统的数字信号处理课程，主要讲授有关的理论和算法，基本上不讨论实现技术；DSP芯片厂家的技术手册则只介绍产品的功能和性能。两者比较脱节，都不大利于工程应用。我们开设这门课程的目的，就是希望将两者有机地结合起来，通过授课、实验缩短同学开发DSP系统的时间，培养学生的工程素质和创新能力。

3、1Q04 先修课程（本课程）先修课程（本课程）v单片机原理或微型计算机原理v数字信号处理技术（算法） （非必要）v具备专业知识（应用于本专业领域的算法非必要）1Q04 关于课程关于课程DSP课程特点课程特点uDSP简单说就是高性能处理器，归纳处理器课程的特点：v理论性不强（犹如英语单词，无需溯源,软硬件都如此）v学习目的会用（最大限度发挥其作用）v学习方法动手（练出来的，不是学出来的）1Q04 处理器学习方法处理器学习方法u微型计算机原理 20多年 8088/8086 学到什么？u单片机原理 近20年 51系列学到什么？uDSP原理 5年左右 F240/F2407/F2812变化大 DSP结构

4、与实验开发环境都会略有变化l类型多；更新换代快，处理器发展更新越来越快。如何学？u不是学习某一具体芯片。学习处理器课程要掌握的就是基本技能基本功。1Q04 如何修炼基本功？如何修炼基本功？u会找资料会找资料:充分利用网络资源（无所不有），提高查找资料能力u会看会看：教材或 data sheets.（*.pdf文件)。一般了解和详细使用u软件开发环境软件开发环境：熟悉一些仿真软件Keil51、CCS等；l找、看、用对比学习找、看、用对比学习: :（ CPU、微控制器MCU、 DSP、嵌入式处理器）u动手：动手：软硬件设计，遇到问题先找自己，才能积累软硬件设计技能u会借力会借力：高手指点，是捷径；

5、u最好的教师是自己：最好的教师是自己：自己动手才有收获，特别是工程应用课程！1Q04 设计中如何得到技术参考资料以及如何得到相关源码设计中如何得到技术参考资料以及如何得到相关源码1）原则是碰到问题就去在TI网站的搜索中用keyword搜索资料，主要要注意的就是Application Notes，user guides 比如不知道怎样进行McBSP编程，这些资料一般均有PDF文档说明和相应的源程序包提供，download后做少许改动即可2）版上发问3）google搜索4）再不济，找技术支持，碰运气了1Q04 处理器处理器工程应用（实战工程应用（实战用）用）l选型（DSP、MCU及具体型号）；（靠

6、只是储备）l熟悉有关模块详细结构及编程方法；(C或汇编)l熟悉开发软件（大多数是相通的）；l软件、硬件设计、调试、系统联调（调试功底相通）。1Q04 主要内容主要内容DSP课程 = 教学实验实验uDSP课程教学内容l以5509A，学会学习处理器的方法（硬件结构、指令系统、开发）u实验开设l基本实验（统一安排）l综合实验（时间开放）l专题研究l科研教材：教材：TMS320C55x DSPTMS320C55x DSP原理及其应用原理及其应用代少升代少升 等编著等编著 1Q04 实验室规章制度实验室规章制度禁止将实验室物品带出实验室（实验指导书、数据光盘、实验仪器等）禁止在实验电脑上安装软件，插入U

7、盘拷贝数据。禁止直接接触实验板卡上器件管脚。非实验时间和非实验人员进入实验室和操作实验设备。固定实验位置，2人一组，仪器设备非正常损坏 ，承担赔偿责任。1Q04 第二部分：第二部分： DSP 基本概念基本概念1Q04 DSP芯片的分类芯片的分类 DSP芯片主要可以按照下列两种方式进行分类。u按数据格式分 定点DSP芯片 浮点DSP芯片 u按用途分 通用型DSP芯片 专用型DSP芯片 1Q04 DSP芯片的应用芯片的应用 (1) 信号处理如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等；(2) 通信如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、

8、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等；(3) 语音如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音存储等；(4) 图形/图像如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等；1Q04 DSP芯片的应用芯片的应用(5) 军事如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等；(6) 仪器仪表如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等；(7) 自动控制如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等；(8) 医疗如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等；(9) 家用电器如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话/视等。1Q04 还

9、可以举出很多例子v医院用的医院用的B超、超、CT、核磁共振、核磁共振v卫星遥感遥测卫星遥感遥测v天气预报、地震预报、地震探矿天气预报、地震预报、地震探矿v风洞试验风洞试验v数字化士兵、数字化战争数字化士兵、数字化战争v.vDSPDSP的应用领域取决于设计者的想象空间的应用领域取决于设计者的想象空间1Q04 DSP与与MCU硬件结构比较硬件结构比较 DSP(数字信号处理器)作为一种微处理器，其设计的出发点和通用CPU以及MCU等处理器是不同的。DSP是为完成实时数字信号处理任务而设计的，算法的高效实现是DSP器件的设计核心。DSP在体系结构设计方面的很多考虑都可以追溯到算法自身的特点。1Q04

10、DSP与与MCU硬件结构比较硬件结构比较u改进的哈佛结构、多总线：片内多条数据、地址和控制总线1Q04 冯冯诺依曼结构 改进哈佛结构 多数CPU采用 几乎所有DSP 单片机哈佛结构：但共用一套AB和DB，由控制信号CS、DS区分 改进的哈佛结构CPU程序/数据存储器CPU数据存储器程序存储器独立IO空间1Q04 总线结构总线结构多总线：片内多条数据、地址和控制总线。什么是总线？ AB、DB、CB3总线单片机、8086/8088等微处理器片内、片外各有几条总线？ ROM/FlashSARAMB0DARAMB1, B2DARAMMemory-MappedRegisters外部地址总线外部数据总线

11、Control BusPABDRABDWABPRDBDRDBDWEBExternalSignalsCPUOn-ChipPeripherals/Registers1Q04 DSP与与MCU硬件结构比较硬件结构比较u改进的哈佛结构、多总线：片内多条数据、地址和控制总线u流水线技术：多个控制和运算部件并行工作1Q04 流水线操作（流水线操作（4级流水线）级流水线）100指令周期指令周期101102103104105106SubMpyStoreF2D2AddF1D1R1E1R2D3F3F4E2R3D4E3R4E4 独立执行部件：独立执行部件： F取指取指 D译码译码 R读数读数 E执行执行 完整的流水

12、线顺序执行 ADD SUB 1Q04 TI流水线流水线26级级CPUCLK 取指令 N N+1 N+2 N+3 译码 N-1 N N+1 N+2取操作数 N-2 N-1 N N+1执行 N-3 N-2 N-1 N图 四级流水线 C2的CPU运行于4级流水线方式 1Q04 DSP与与MCU硬件结构比较硬件结构比较u改进的哈佛结构、多总线：片内多条数据、地址和控制总线u流水线技术：多个控制和运算部件并行工作u硬件乘法器u特殊指令：MAC（连乘加指令，单周期同时完成乘法和加法运算）RPTS和RPTB（硬件判断循环边界条件，避免破坏流水线）u特殊寻址方式：位倒序寻址（实现FFT快速倒序）循环寻址u特殊

13、片内外设：可编程等待电路（便于与慢速设备接口）数字锁相电路 PLL（有利系统稳定）u丰富片内外设：定时器、异步串口、同步串口、DMA控制器、A/D和通用I/O口、PWM、CAN等u丰富片内存储器类型：RAM、DRAM、ROM、Flash、SRAM等，新的DSP芯片采用Cache(高速缓存)机制，解决存储器速度与DSP内核速度不匹配的问题 1Q04 DSP与与MCU硬件结构比较硬件结构比较需要说明的是：u两者在不断融合，取其优势u差异越来越不是那么明显1Q04 DSP与MCU软件开发比较q 模块化：按功能模块编程q 工程化工程化：软硬人员分离MCU： ORG xxxx，绝对定位 优点：简单、容易

14、上手 缺点：模块化编程差工程化不支持DSP: Section：相对定位 缺点：灵活、上手较难 优点：模块编程好工程化编程支持1Q04 DSP软件开发q Section（ “段”）概念：一块连续的储存空间，可存放程序或数据q 在编程时，“段”没有绝对定位，每个“段”都认为是从0地址开始的一块连续的储存空间，而无需关心这些“段”究竟定位在系统的哪些地方。q 优点：便于程序的模块化编程；便于工程化管理：可将软件开发人员和硬件开发人员基本上分离开。q 重定位：由于所有的“段”都是从0地址开始，所以程序编译完成后是无法运行的，要让程序正确运行，必须对“段”进行重新定位，这个工作由链接器完成。q .cmd

15、.cmd文件文件：MEMORYMEMORY命令描述系统硬件资源，SECTIONSSECTIONS命令描述软件人员程序中用到的“段”如何定位到恰当的硬件资源上。 1Q04 DSP与MCU开发工具比较MCU： 代替方式（仿真头替代MCU） 硬件时序为仿真器硬件时序，与目标系统时序有一定差异 或多或少占用目标硬件资源 仿真头制作较难 仿真电缆较短，使用不便 不同MCU，工具不同，用户投资加重 DSP： 接口方式（JTAG） 硬件时序即为目标系统时序 不占目标系统硬件资源 仿真头制作方便 仿真电缆较长，使用方便 不同的DSP，仿真接口标准JTAG，工具相同，用户投资有保障1Q04 DSP与与MCU硬件

16、开发比较硬件开发比较uMCU硬件开发基本功可以移植到DSP开发uDSP处理速度一般稍高，注意高速PCB制作事项1Q04 DSP芯片的选择（选择顺序按情况定）芯片的选择（选择顺序按情况定）1. DSP 芯片的运算速度（各厂商）2. DSP 芯片的价格3. DSP 芯片的硬件资源（存储器、ADC、PWM等等）4. DSP 芯片运算精度5. DSP 芯片开发工具： 软件 硬件6. DSP 芯片功耗7. 其他：封装、应用场合（民品，工业品，军品）、售后服务 TI DSP的选型主要考虑处理速度、功耗、程序存储器和数据存储器的容量、片内的资源，如定时器的数量、I/O口数量、中断数量、DMA通道数等。DSP

17、的主要供应商有TI，ADI，Motorola,Lucent和Zilog等，其中TI占有最大的市场份额。（先入为主）1Q04 DSP芯片的发展（芯片的发展（1）u1978年AMI公司推出S2811世界上第一片DSP ；u1979年INTEL公司推出2920DSP芯片的一个重要 里程碑； u1980年NEC公司推出PD7720第一片具有乘法器的DSP芯片；u1982年TI公司推出第一代DSP芯片TMS32010，之后又相继推出TMS320一系列产品一系列产品TI公司的TMS320系列DSP产品已经成为当今世界上最有影响力的DSP芯片，TI公司已经成为世界上最大的DSP芯片供应商。1Q04 DSP芯

18、片的发展（芯片的发展（2）u1984年AT&T公司推出的DSP32第一片高性能的浮点DSP芯片。uMotorola公司推出DSP相对较晚，1986年推出定点MC56001，1990年推出浮点MC96002；uADI公司在DSP市场上也占有一定的份额，1990年推出ADSP2101，之后又相继推出ADSP21000系列。1Q04 DSP特点、特点、发展趋势发展趋势uDSP器件的发展，兼顾3P的因素，即性能 (performance) 、功耗 (power consumption) 和价格 (price)。uSOC（System On Chip）已是设计的大势所趋。DSP+ARM的双核结构

19、，用户只需添加极少的外部芯片，即可构成一个完整的应用系统。u更多并行的体系结构超长指令字（VLIW）方式或单指令/多数据（SIMD）方案。在极高端，一些公司已开始使用多指令/多数据（MIMD）架构，实现最高程度的并行计算，从而使功能最大化。 u期待 FPGA来扮演象DSP加法器或协处理器一样的角色。实现高并行的操作及可配置性。1Q04 DSP芯片制造商uADI公司: TI公司: 朗讯公司: Motorola公司: DSP Group公司: Zilog公司: 1Q04 TI的市场地位的市场地位u1，DSP产品全球第一u2，模拟产品全球第一u3，无线产品全球第一u4，图形计算器全球第一u5，硬盘产

20、品全球第一1Q04 第三部分：第三部分：TI DSP概述概述1Q04 1982年，年，TI推出第一代推出第一代DSP芯片芯片TMS320C10u5 MIPS(Million Instructions Per Second) u4K RAMu3微米工艺u55000个晶体管u汇编语言1Q04 今天今天TMS320C6455u1GHzu8000MIPSu2MB L2 Cacheu硬件协处理器u65纳米uC/C+、MatLab1Q04 T M S 320 C 240 P Q (L) 前 缀 温 度 范 围 （ 缺 省 为 0 C70 C） TM X =实 验 设 备 （ experimental de

21、vice） L= 0 C70 C TMP =原 型 设 备 （ prototype device） A= -40 C85 C TMS =合 格 设 备 （ qualified device） Q = 40 C 125 C 系 列 号 封 装 形 式 320 = TM S 320T M D S P Fam ily P N = 80引 脚 塑 料 TQ FP P Q = 132引 脚 bum pered Q FP P Z= 120引 脚 塑 料 TQ FP 设 备 类 型 (D EV IC E) 工 艺 （TE C H N O LO G Y ） 如 ， C2xx D S P C = C M O S

22、 209、 203、 240、 241、 242 E = C M O S E P R O M F2xx D S P F = Flash E E P R O M 206、 240、 241、 243 LC = Low-voltage C M O S (3.3 V ) TQ FP = Thin Q uad Flat P ackage V C = Low-voltage C M O S (3 V ) 具 有 Flash 的 D SP， 在 D EV IC E 之 后 若 有 A 符 号 ， 表 示 对 Flash 内 容 可 加 密 。 如 ：TM S 320LC 2406A 图 TMS320 系列

23、产品命名方法TI公司的DSP命名1Q04 C2000 DSPTI C55x DSP 核心核心: 世界上最低功耗性能比世界上最低功耗性能比 mW/MIPS的的DSPs 以达到以达到0.05mW/MIPs的最低的最低 功耗性能比而具有最长的电池功耗性能比而具有最长的电池 寿命。寿命。 最佳的代码密度最佳的代码密度 兼容兼容C54x DSP软件软件 工作频率将达到工作频率将达到1.1GHz 最好的最好的DSP编译器编译器, 便于便于 使用使用 兼容兼容C62x DSP软件软件 可扩展性能达到可扩展性能达到400MIPs 最佳的最佳的C/C+ 控制代码效率控制代码效率 兼容兼容C24x DSP软件软件

24、C5000 DSPC6000 DSPTI C28x DSP 核心核心: 世界上第一颗针对控制进行优世界上第一颗针对控制进行优化的化的DSPTI C64x DSP 核心核心:世界上具有最高性能的世界上具有最高性能的DSPsMotorControl DSPPersonal DSPBroadbandInfrastruc-ture DSPTI公司主推的三大公司主推的三大DSP系列系列1Q04 德州仪器（德州仪器（TI）的三大）的三大DSP系列系列TMS320C2000TMS320C5000TMS320C6000控制优化控制优化低功耗低功耗高性能高性能v 硬盘硬盘&采暖、通风空调采暖、通风空调v

25、 电机控制电机控制v 家用电器家用电器v 变频电源控制变频电源控制v 手机手机v 便携式电子产品便携式电子产品v 生物识别生物识别v 电信和电信和VoIPv 无线基站无线基站v 视频流、视频会议视频流、视频会议v 视频安防监控视频安防监控v 医疗成像医疗成像1Q04 Optical NetworkingControl of laser diodeTV screenDeflection of electron beam for small angle and sharp corner TV screenAutomotive - EPSBattery operated precision for

26、steeringPrinterPrint head controlPaper path motor controlDigital Power SupplyProvides control, sensing,PFC, and other functions“Segway” Many new coolApplication to comeTire PressureLow cost pressure sensing based on tire rotation speed measurementC2000系列系列DSP应用领域应用领域1Q04 下一步可能的应用下一步可能的应用 .互联网相关:智能电冰

27、箱等高速, 高密度磁盘驱动 数字视频 Internet 服务器 高效的电动汽车高精度的加工工艺1Q04 C2000系列系列DSP子系列子系列uC2xx子系列：16位定点DSP、20MIPS代表器件：TMS320F206PZuC24x子系列：16位定点DSP、20MIPS代表器件：TMS320F240uLF240 xA子系列：16位定点DSP、40MIPS代表器件：TMS320LF2407AuF28x子系列：32位定点DSP、150MIPS代表器件：TMS320F2812、TMS320F28101Q04 Up To 40 MIPSControl Performance High-Precisio

28、n Control C242F241LC2404ALF2401ALC2402AMulti-Function, Appliance & Consumer Control F240F243LC2406ALF2402ALF2403ALF2406ALF2407AF2810128-LQFPF2812176-LQFPF2812179-u*BGA150 MIPS! Software CompatibleHigh-endDerivativesApplicationspecificversionsScaledDownversionsC2000系列系列DSPRoadmap1Q04 2 Timers 5 C

29、ompares8 PWM Outputs Dead band logic3 Input Captures2 QEP channelsEvent Manager2 status registers32-bit accumulatorShift L (0-7)8 auxiliary registers8-level hardware stack32-bit ALUShift L (0,1,4,-6)32-bit P register16-bit T register16 x 16 multiply16-bit barrelshifter (L)Repeat countProgram / Data

30、/ I/O Buses CAN Program Flash32K wordsA/D Converter10 bits, 16 channelsD(15-0)A(15-0) SPI SCI C2xx DSP CoreData RAM2.5K wordsPeripheral Bus WD Timer 2 timers 5 compares8 PWM outputs Dead band logic3 input captures2 QEP channelsEvent ManagerBoot ROM256 wordsTMS320LF2407 : 高集成度的高集成度的DSP控制器控制器1Q04 CPU：

31、TMS320F28335Processor Performance300 MFLOPS at 150MHzSingle-cycle 32-bit MAC6-channel DMA support for EMIF, ADC, McBSPMemory512KB flash and 68KB RAMConfigurable 16- or 32-bit EMIFControl PeripheralsPWM outputs interfaces for three 3-phase motors6 High-resolution PWM outputsHighest-speed on-chip ADCC

32、ommunications PortsEach McBSP configurable as SPICAN 2.0b with 32 mailboxesI2C at 400 KbpsDevelopment ToolsSEED-DEC28335+SEED-XDSusb2.0Code Composer Studio IDE V3.3Software librariesTMS320F28335Real-TimeJTAG32-bitTimers (3)C28xTM 32-bit DSC32x32-bitMultiplierR M WAtomicALU Interrupt ManagementMemory

33、 Bus Code security12-bit ADCSPI2 CAN3 SCI2 McBSP512 KB Flash68 KB RAM6 CAP12 PWM(6 HRPWM)DMA32-bitFloating-Point Unit88 GPIOICBoot ROM16/32-bitEMIF2 QEPPeripheral Bus1Q04 F2833x性能提升50%367 MHz236 MHz207 MHz 同样150Mhz主频，F28335比F2812性能至少提升50%！1Q04 C2000: 参数选择列表参数选择列表F240C240F241C242F243LF2402LC2402LC240

34、4LF2406LC2406LF2407MIPS202020202030/4030/4030/4030/4030/4030/40MEMORY Flash ROM RAM Boot ROM16K54416K5448K5444K5448K5448K544Yes4K54416K1.5K32K2.5KYes32K2.5K32K2.5KYesEVENT MGR GP Timers CMP/PWM CAP/QEP39/124/239/124/225/83/225/83/225/83/225/83/225/83/2410/166/4410/166/4410/166/4410/166/410-BIT ADC C

35、hannels Conv. Time166.6s166.6s8850ns8850ns8850ns8500ns8500ns16500ns16500ns16500ns16500nsCOMMS SCI (UART) SPI CANYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesGPIO2828262632212141414141WATCHDOGYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesEMIFYesYesNoNoYesNoNoNoNoNoYesVOLTAGE5V5V5V5V5V3.

36、3V3.3V3.3V3.3V3.3V3.3VPACKAGING132PQFP132PQFP64PQFP64PQFP144LQFP64PQFP64PQFP100LQFP100LQFP100LQFP144LQFPPRODUCTIONTodayTodayTodayTodayTodayToday1Q011Q01Today1Q01TodayYr 2000 10KuPricing$14.74$10.20$11.36$3.96$12.85$8.75$2.95$5.45$9.95$5.95$10.45*C28x Broad Sampling Mid 2001*1Q04 Memory Bus 128Kw Fla

37、sh+ 2Kw OTP4Kw Boot ROM18Kw RAMCode securityXINTF32-BitRegister FileReal-TimeJTAG32-bitTimers (3)150 MIPs C28xTM 32-bit DSP32x32 bitMultiplierR M WAtomicALU Interrupt ManagementEvent Mgr AEvent Mgr B12-Bit ADCWatchdogGPIOPeripheral BusMcBSPCAN 2.0BSCI-ASCI-BSPIEvent ManagersUltra-Fast 12-bit ADC16.7

38、 MSPS Conversion SpeedDual s/h enable simultaneous samplingAuto Sequencer, up to 16 conversions w/o CPUMultiple standard communication ports provide simple interfaces to other componentsFast program execution out of bothRAM and Flash memory110-120 MIPS with Flash Acceleration Technology150 MIPS out

39、of RAM for time-critical code Control PeripheralsCommunications PortsMemory Sub-System F2810/F2812: 业界最强大的控制专用业界最强大的控制专用DSPControl PortsTarget ApplicationOptical Networking, Power Supplies, Industrial Applications, Automotive, and many more(Multichannel Buffered Serial Port)多通道缓冲串行口 1Q04 最高的代码效率最高的代

40、码效率0.80.81 11.21.21.41.41.61.6伺服控制C编译器的编译结果比较C28xARMThumbSH-DSPSH3C28x: 最高最高的代码效率的代码效率C16xC1961Q04 C5000系列系列DSP的应用的应用TI DSPs in 60% of all digital cell phonesTI DSPs chosen by 8 of top 10 internet consumer electronic manufacturersTI DSPs chosen by 7 of top 8 digital still camera manufacturersTI DSPs in 80% of IP phone designsTI has 80% of VoIP Gateway marketTI DSPs used in 8 of the top 10 wireless infrastructuresTMS320C500050001Q04 C5000系列系列DSP子系列子系列uC54x子系列：16位定点DSP、100160MIPS，应用于低端产品代表器件：TMS320VC5402、VC5409、VC5410、VC5416