数字信号处理课件：第1章 DSP概述

1、DSP技术概要 DSP系统和芯片的结构特点 DSP芯片现状及发展趋势 DSP应用领域 DSP应用系统设计引述21世纪信息社会数字化时代数字信号模拟信号数字信号处理一、DSP系统和芯片的结构特点一、DSP系统和芯片的结构特点DSP (Digital Signal Processing)是研究 如何对信号采样、变换、滤波、估计、增强、混合、比较、压缩及识别等处理算法的一门学科。数字信号处理的特点：AiXi、高速实时。DSP (Digital Signal Processor)用于实时完成数字信号处理的微处理器。什么是DSP？DSPTMS320Ser PtSer PtSupervisorResetP

2、ower SupplyRegulatorADCMemoryDACHostXINTFHPI3.3v 1.8v LPF LPF一、DSP系统和芯片的结构特点DSP系统示意图 DSP的硬件结构，大体上与通用的微处理器相类似，由CPU、存储器、总线、外设、接口、时钟等部分组成，但又有其鲜明的特点。DSP芯片的结构特点一、DSP系统和芯片的结构特点DSP器件的六个特点：哈佛结构多总线结构流水线技术硬件乘法器多处理单元结构嵌入式功能冯诺依曼结构： 程序和数据共用同一套总线，对程序和数据需要分时读写，执行速度慢，数据吞吐量低，计算机结构简单，不适于进行高速度的数字信号处理。哈佛结构： 程序、数据具有独立的存

3、储空间，有独立的程序总线和数据总线，可同时对程序和数据进行寻址和读写访问，执行速度高， 数据吞吐量大，计算机结构复杂，非常适于进行高速的数字信号处理。一、DSP系统和芯片的结构特点（1）哈佛结构一、DSP系统和芯片的结构特点程序空间与数据空间可直接通信一、DSP系统和芯片的结构特点（2）多总线结构片内多条数据、地址和控制总线。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。 ROM/FlashSARAMB0DARAMB1, B2DARAMMemory-MappedRegisters外部地址总线外部数据总线 Control BusPABDRABDWABPRDBDRDBDWEBEx

4、ternalSignalsCPUOn-ChipPeripherals/RegistersTMS320C2000系列DSP的总线结构图 一、DSP系统和芯片的结构特点（3）流水线技术流水线操作就是将一条指令的不同阶段分配在连续的几个周期上，通过不同的硬件去完成指令的不同执行阶段(称为级) 。 DSP处理器流水线技术是将各指令的各个步骤重叠起来执行，而不是一条指令执行完成之后，才开始执行下一条指令。一个4级流水线的示意图如下图所示。虽然就一条指令而言，似乎要用4个时钟周期才能完成全部操作，但从多条指令的角度看，则可认为每条指令的运行时间是单周期。这样，就使指令的运行速度得到了很大提高。一、DSP系

5、统和芯片的结构特点（4）硬件乘法器DSP内集成了硬件乘法器，可在单周期内完成1616位、3232位等的乘法运算。DSP内集成了乘加单元，从硬件结构上为高速完成卷积、相关、FFT及数字滤波等信号处理算法提供了基础。 DSP内部一般包括多个处理单元，如DMA、ALU、 ARAU、ACC及MUL等，可以在一个指令周期内同时进行运算。在单周期内每个运算单元并行地完成一次运算。一、DSP系统和芯片的结构特点（5）多处理单元结构（6）嵌入式功能DSP片内集成有大量片内外设：定时器、异步串口、同步串口、DMA控制器、HPI接口、A/D和通用I/O口等。不用外扩很多器件，既可组成独立的应用系统。1978年，

6、AMI公司S2811 ，第一片DSP诞生1979年，Intel公司2920，DSP的里程碑1980年，NEC公司uPD7720，乘法器商用DSP1990年，DSP芯片趋于成熟2000年，DSP芯片趋于完善主要厂商：美国德州仪器公司（TI公司）美国摩托罗拉公司美国Analog Devices公司美国AT & T公司Lucent公司二、DSP芯片现状及发展趋势DSP芯片的发展历程按基础特性分类静态DSP一致性DSP按用途分类通用型专用型按数据格式分类定点型浮点型二、DSP芯片现状及发展趋势DSP的分类 MIPS：百万条指令/每秒 如TMS320C6416在时钟为1GHz时的峰值性能可达8000MI

7、PS MOPS：百万次操作/每秒 如TMS320C6201在时钟为200MHz时的峰值性能可达 2400MOPSMFLOPS：百万次浮点操作/每秒 如ADSP-TS201S的峰值性能可达14.4GFLOPS二、DSP芯片现状及发展趋势DSP的性能指标第一代：TMS32010及其系列产品（1982年）第二代：TMS32020、TMS320C25/C26/C28第三代：TMS320C30/C31/C32第四代：TMS320C40/C44第五代：TMS320C50/C51/C52/C53/C54第六代：TMS320C62x/C64x/C67x 二、DSP芯片现状及发展趋势TI公司DSP芯片介绍TI

8、DSP的市场份额超过60%1982年，TI推出第一代DSP芯片TMS320C105 MIPS4K RAM3微米工艺55000个晶体管汇编语言今天TMS320C64551GHz8000MIPS2MB L2 Cache硬件协处理器65纳米C/C+、MatLab产品开发关注？DSPTMS320性能功耗价格25年，DSP性能提升2000倍198219911997200320075MIPS8000MIPS9600MIPS1600MIPS100MIPS功耗大幅降低不断挑战更高性价比TMS320C5000Lowest Power/MIPS DSPs in the WorldMost Control-Opti

9、mized DSPs in the WorldTMS320C2000Highest-Performance DSPs in the WorldTMS320C6000二、DSP芯片现状及发展趋势TI公司主推的三大DSP平台C2000系列DSPC24x子系列：16位定点DSP、20MIPS代表器件：TMS320F240LF240 x子系列：16位定点DSP、40MIPS代表器件：TMS320LF2407F28x子系列：32位定点DSP、150MIPS代表器件：TMS320F2812、TMS320F2810F283x：32位浮点DSP、150MFLOPS代表器件：TMS320F28335二、DSP芯

10、片现状及发展趋势F2812/11/10内部结构Memory Bus 128Kw Flash+ 2Kw OTP4Kw Boot ROM18Kw RAMCode securityXINTF32-bitRegister FileReal-TimeJTAG32-bitTimers (3)150 MIPs C28xTM 32-bit DSP32x32-bitMultiplierRMWAtomicALU Interrupt ManagementEvent Mgr AEvent Mgr B12-Bit ADCWatchdogGPIOMcBSPCAN 2.0BSCI-UART ASCI-UART BSPIPe

11、ripheral Bus从片内RAM 和Flash 存储器上快速执行程序100-120 MIPS（采用Flash加速技术）150 MIPS（关键的代码在片上RAM中执行）存储器子系统事件管理器超高速12-位ADC12.5 MSPS采样率双采样保持器，可以同时采样自动通道排序器，无需CPU干预最多1次转换16通道控制口多个标准通信口，简化与其他器件的接口Communications Ports150MIPS（每秒执行15亿条指令）单周期完成一条32x32-位MAC (或2条16x16-位MAC)极快的中断响应单周期完成读-修改-写操作与F24x/LF240 x源代码兼容高性能 CPU (C28x

12、TM内核)二、DSP芯片现状及发展趋势Processor 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-ch

13、ip ADCCommunications 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-bitMultiplierRMWAtomicALU Interrupt ManagementM

14、emory 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 Bus二、DSP芯片现状及发展趋势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%！二、DSP芯片现状及发展趋势Up To 40 MIPSControl Performance

15、High-Precision Control C242F241LC2404ALF2401ALC2402AMulti-Function, Appliance & Consumer Control F240F243LC2406ALF2402ALF2403ALF2406ALF2407AF2810128-LQFPF2812176-LQFPF2812179-u*BGA150 MIPS! Software CompatibleHigh-endDerivativesApplicationspecificversionsScaledDownversionsC2000系列DSP Roadmap二、DSP芯片现状

16、及发展趋势DeviceFutureProductionDevelopmentSamplingPerformanceIntegrationF2810F2812Pin to pin compatibleC2810C2811C2812F2811F28332C28xx Roadmap 高端产品F28334F28335F28232F28234F28235C28xxxeMACC28344C28345C28244C28245 F28LC Roadmap 低端产品DeviceFutureProductionDevelopmentSamplingPerformanceF28015F28016F2801-60F2

17、802-60C2801C2802F2801F2802F2806F2808Pin to pin compatibleF2809IntegrationF2802432kBF28036128kBF2803564kBF2803432kBF2802316kBC5000系列DSPC54x子系列：16位定点DSP、100160MIPS代表器件：TMS320VC5402、VC5409、VC5410、VC5416C55x子系列：16位定点DSP、400MIPS代表器件：TMS320VC5510、VC5509、VC5502C54xARM7子系列：代表器件：TMS320VC5470、VC5471、DSC21C55x

18、ARM9子系列：即OMAP平台：Open Multimedia Applications Platform代表器件：OMAP5910二、DSP芯片现状及发展趋势High Performance160-MIPS performance16K words SRAM3 McBSPs6-channel DMA8/16-bit HPI1.2-V and 1.8-V core optionsLow Power 72 mW active power (100 MIPS)Small Size144-pin LQFPUltra-small 144 microStar BGA (12 mm x 12 mm)D(1

19、5-0)A(22-0)26 Muxed GP I/OProgram/Data Buses8/16-bit Host PortInterface (HPI) Program/Data RAM16K WordsCh 0Ch 1Ch 2Ch 3Ch 4Ch 5DMA Timer Program/Data ROM16K WordsPeripheral BusRND, SAT17 x 17 MPY40-Bit AdderMACShifter40-Bit Barrel(-16, 31)EXP Encoder40-Bit ALUCMPS Operator(VITERBI)ALUAccumulators40-

20、Bit ACC A40-Bit ACC B8 Auxiliary Registers2 Addressing UnitsAddressing UnitMultichannel BufferedSerial Port (McBSPMultichannel BufferedSerial Port (McBSP)JTAG Test/EmulationControlMultichannel BufferedSerial Port (McBSP) PLL Clock Generator S/W WaitstateGeneratorPower ManagementC54x内部结构二、DSP芯片现状及发展趋

21、势Internal and externaltransfersSix channel DMA32KW DARAM 16KW ROMOn-Chip Memory176 TQFP 24x24mm 176 *BGA 15x15mmPackageMaximum GPIO to meet system needs100MBps/ 50MBpsNo software overheadHardware UARTGlueless interfaceI2C InterfaceAllows inexpensive memory off chip16 KByte I-Cache3 Multi-channel Buf

22、fered Serial Ports128 Channels 100Mbps eachLow cost SDRAM & SBRAM, Asyn RAM support400 MBps bandwidth32-bit External Memory Interface (EMIF)C55xTM DSP CoreI-CacheAdvanced Power MgmtInstruction Buffer UnitIdleDomainRegisterBarrel Shifter40-bit ALUAdvancedEmulationTMS320C5502 200 MHz32 bit-EMIFDual Ma

23、cAccumulatorsRegistersAddressUnitsPeripheralsClockGeneratorGPIO6 channelDMA3 McBSPsEnhancedHPIH/WUARTPeripherals BusI2CInterface2 Timers16-bitALUWatchdogProgram 32 bitsProgram 32 bits16 KW ROMData Read (3-16 bit)Data Write (2-16 bit)32 KW DARAM76 GPIO, 8 Dedicated16-bit/8-bit Enhanced Host Port Inte

24、rfaceC5502内部结构：极好的性能价格比400MIPS, 500MBps I/O, 90mW, $9.95 in 10Ku二、DSP芯片现状及发展趋势C54xC55xHigher performanceCPU2 - 40 bit accumulators1 - 40-bit ALU1 - 40 bit barrel shifter L31,R161 - 17x17-bit MACunprotected pipeline1 - 16 bit program bus 3 - 16 bit data buses4 - 16 bit address busesseparate program,

25、data memory4 - 40 bit accumulators1 - 40-bit ALU - dual mode + 1 16-bit ALU1 - 40 bit barrel shifter L32,R312 - 17x17-bit MACsprotected pipeline1 - 32 bit program bus5 - 16 bit data buses6 - 24 bit address busesunified memory spaceExtended hardwareresources16 bit instructionsdefined parallel instruc

26、tionsSuperset of 54x Mnemonic8,16,24,32,40,48 bit instructionsdefined parallel instructionsuser defined parallel instructionsC54xMnemonicC55xMnemonicC54x与C55x内含的差别二、DSP芯片现状及发展趋势OMAP5910 内部结构24 KB Cache160 KB SRAM32KB ROMHardware Accelerators for video algorithms24 KB CacheData and Instruction MMUs32

27、-bit and 16-bit instruction sets192 KB shared SRAMTwo 16-bit memory interfaces for SDRAM and FlashNine-channel system DMA controllerLCD ControllerUSB 1.1. Host and ClientMMC/SD Card interfaceEight serial ports plus three UARTsEight TimersReal Time ClockKeyboard interface18 GPIO pinsTMS320C55xTM DSPA

28、RM925 MPUPeripherals and on-chip ResourcesFlash16OMAP5910 CoreUSB Host/ClientMcBSPI2CWire/HDQGPIO (13)Camera, KeyboardSD/MMCRTC, TimerPWT, PWL, LPGTraffic Ctrl75 MHz3 TimersInterrupt HandlerPackaging: 12mm x 12mm Price: $32.00 10K quantities3232IMIFWatchdog Timer3232323232164 Mailboxes2 McBSP2MCSI3

29、TimersWatchdog TimerInterrupt Handler3 UART18 GPIOEMIFFEMIFSFlash16SystemDMALCDCtrlSRAM1.5 MbTMS320C55xTM Core150 MHzDSPTI Enhanced ARM925 Core150 MHzARM二、DSP芯片现状及发展趋势C5000系列DSP RoadmapApplication EnhancedC5502400 MIPSC5509288-400 MIPSC5510320-400 MIPSC55xTM DSP DSP + RISCPower Efficiency/System Den

30、sityFeature IntegrationC5470C54xTM+ARM7C5471C54xTM+ARM7OMAPTM OMAP5910MulticoreC5420 200 MIPSC5421 200 MIPSC5441532 MIPSC55xTMMulticore Software CompatibleC5407120 MIPSC540150 MIPSC5402100-160 MIPSC540980-160 MIPSC5410100-160MIPSC5416120-160 MIPSOver 500 Million ShippedC54xTM DSPWorlds Most Popular

31、DSP$5 Billion in Design-insC55xTM DSPBest DSPMicroprocessor ReportDSP Product of the YearInternet TelephonyEDN 2000 DSPC5404120 MIPS二、DSP芯片现状及发展趋势C6000系列DSPC67x子系列：32位浮点DSP、12001800MIPS，9001350MFLOPS代表器件：TMS320C6711、C6712、C6713C64x子系列：32位定点DSP，40005760MIPS代表器件：TMS320C66414、C6415、C6416DM（DaVinci）系列:

32、代表器件：TMS320DM642、DM6446、 DM6443、DM6441、DM643x二、DSP芯片现状及发展趋势TMS320C6713内部结构McBSP1OR 225 MHz C67x DSP core225MHz /1800 MIPS/1350 MFLOPS32/64-bit native processingTMS320C6713 Floating-Point DSP16-channel EDMA32-bit EMIFTwo McBSPs16-bit HPITwo IIC PortsC67xTM DSP CoreLevel 1 Program Cache 4K BytesORMcBS

33、P 02 TimersLarge on-chip memoryIncreased RAM eliminates the need for costly external RAMLevel 2 Cache/Memory256K Bytes SRAMLevel 1 Data Cache 4K BytesMcASP 0 Two new Multichannel Audio Serial Ports (McASP)Up to 16 stereo channels of IISUp to 4 different clock ratesCompatible with S/PDIF transmit pro

34、tocolORHPIGPIOEMIFEnhanced DMA Controller(EDMA) 16 ChannelIIC 1IIC 0McASP 1二、DSP芯片现状及发展趋势SDRAM 600/500 Mhz DSP 1.4/1.2 voltsIndustry-leading performance in 0.13 micron copper process23x23sqmm flip-chip BGA packageMaximizes channel density66MHz PCIConnects to backplane chassis or PCI bus10/100 Ethern

35、et MACConnects to IP packet networks64-bit wide 133MHz10/100 EthernetMACC64xTM DSP CoreL2 Cache/Memory 256 KBytesEnhanced DMA ControllerVideoport-0Videoport-1Videoport-2McASPEMIF66MHzPCITMS320DM642 DSPL1D CacheL1P Cache Three Dual-Channel Video PortsTwo video channels per port - software configurabl

36、e as input or outputVideo filtering, horizontal scalingGlueless interface to video system componentsSupport BT656, digital TV formats (SDTV and HDTV), raw video I/O8-bit/10-bit/16-bit/20-bit video support per portMcASPMultichannel audio serial portUp to 16 stereo lines (32 channels)NEWNEWNEW二、DSP芯片现

37、状及发展趋势TMS320DM642内部结构DAVINCI技术是TI推出的新一代视频、图像、语音和音频解决方案的统称硬件上：采用SOC技术，集成TI的高性能DSP64X+内核和高端的ARM内核ARM：提供丰富的外设接口DSP：数字信号处理（视频、图像、语音和音频）能力软件上：提供了很多优化的多媒体编解码引擎（基于DSP/BIOS和XDAIS），API和应用程序框架（基于LINUX）便捷的集成开发环境 TI的Davinci处理器：TMS320DM64x、DM643x、DM644x、DM646x、DM3xx二、DSP芯片现状及发展趋势Davinci芯片架构ARM + DSPARM为主处理器：用户应用

38、程序在ARM实现移植操作系统OS：LINUX、WinCE DSP为从处理器：主要用来实现视频图像处理ARM与DSP之间用DSP/BIOS LINK来通信DSP主要用来实现视频图像编解码算法xDM二、DSP芯片现状及发展趋势TI DaVinci系列H.264 BP D1 编码 同时 H.264 BP CIF 编码 专用视频处理子系统 后端集成 OSD，四个视频 DAC，24 位数字 RGB 输出 = DM6446前端图像缩放工具、影像处理引擎、16 位数字输入 Video Processing Subsystem视频处理子系统外设后端ARM 子系统DSP 子系统视频影像协处理器 (VICP)前端

39、CCD 控制器视频接口图像缩放工具Histogram/3A预览屏幕菜单式调节 (OSD)10b DAC10b DAC10b DAC10b DACEDMAATA/ Compact FlashAsync EMIF/NAND/SmartMediaMMC/SDWatchdogTimerPWMPWMPWMGeneral-PurposeTimerDDR2Controller(16b/32b)USB2.0PHYVLYNQEMACWithMDIO连接性程序/数据存储SPIUARTUARTUARTI2CAudioSerialPort串行接口系统DM6443ARM926EJ-S 300 MHz CPUC64x+T

40、M DSP 600 MHz Core资源交换中心 (SCR)视频编码器 (VENC)/6针对视频进行优化的 TMS320C64x+ DSP 600MHz H.264 MPL3，30fps SD 解码 VC1/WMV9 Full D1 SD 解码 MPEG-2 MPML SD 解码 MPEG-4 ASP Full D1 SD 解码 C6000 Catalog Roadmap Fixed Point Software CompatiblePerformanceFloating Point C67HPMulti-CoreFeature IntegrationC64x +RISCC67LCC64LCC

41、6416C6415C6414C6411DM64xTMC6712CC6711CC6713C6203C6701C6711C6201C6204C6211C6712C6205C6202C64xTM DSPBest DSP of 2001InStat/MicroDesignResources2001 Innovation of the YearEDN Magazine二、DSP芯片现状及发展趋势DSP性能推动革新19805 MHz2.5 MMACS199050 MHz50 MMACS2000600 MHz2400 MMACS因特网音频播放器线缆调制解调器DSL调制解调器PDA数字相机多媒体网关数字收音机

42、智能电话数字视频相机平板PC720 MHz2880 MMACS2003仪器军事工业PC调制解调器数字通信数字无线电话phones硬盘驱动器发音玩具200 MHz400 MMACS19971 GHz4000 MMACSTI 推出 1 GHz DSP 二、DSP芯片现状及发展趋势总体趋势高性能、低功耗、技术融合和应用拓展。主要体现制造工艺；内核结构的提升；DSP与MPU融合；DSP与高档CPU的融合；DSP与SOC融合；DSP与FPGA融合；RTOS与DSP融合；RISC架构的并行处理；降低功耗。二、DSP芯片现状及发展趋势DSP发展趋势Optical NetworkingControl of l

43、aser diodeTV screenDeflection of electron beam for small angle and sharp corner TV screenAutomotive - EPSBattery operated precision for steeringPrinterPrint head controlPaper path motor controlDigital Power SupplyProvides control, sensing,PFC, and other functions“Segway” Many new coolApplication to

44、comeTire PressureLow cost pressure sensing based on tire rotation speed measurementC2000系列DSP应用领域三、DSP应用领域汽车多媒体系统三、DSP应用领域C5000系列DSP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 ma

45、nufacturersTI DSPs in 80% of IP phone designsTI has 80% of VoIP Gateway marketTI DSPs used in 8 of the top 10 wireless infrastructuresTMS320C5000三、DSP应用领域1、数码相机三、DSP应用领域2、移动电话三、DSP应用领域3、VoIP (Voice over IP)三、DSP应用领域DSL modemsPooled modemsBase station transceiversWireless LANEnterprise PBXSpeech reco

46、gnitionMultimedia gatewayProfessional audioNetworked cameraMachine visionSecurity identificationIndustrial scannerHigh speed printerAdvanced encryptionBroadband CommunicationsWireless 3G Base StationsMedical ImagingC6000系列DSP的应用三、DSP应用领域1、GPS(Global Position System) 三、DSP应用领域根据接收到的三颗卫星的信号，由DSP计算出所在地

47、理位置2、巡航导弹三、DSP应用领域根据预先侦测到的目标的电子地图，在发射过程中由DSP不断纠正偏差，最终射中目标DSP系统功能框图 DSP时钟：CPU时钟EMIF时钟外设时钟VcoreVI/O电源：电源供电电源监视系统监视 手动复位 看门狗电路存储器：异步存储接口 SRAM、Flash、NvRAM同步存储器 同步静态RAM：SBSRAM、ZBTSRAM 同步动态RAM：SDRAM 同步FIFO模拟I/O：通用A/D、D/A音频Codec视频Decoder、Encoder数字I/O：开入开出串行通信接口 UART（RS232、RS422/RS485） CAN总线 USB 多处理器接口：双口RAM（DPRAM）HPI接口PCI接口总线扩展存储总线外设总线系统总线：复位、时钟、中断DSP外部接口CLKCPUCLKEMIFCLKI/O数据地址控制片上外设RESET四、DSP应用系统设计引述四、DSP应用系统设计引述DSP应用系统