实时数字信号处理绪论课件

实时数字信号处理绪论数字信号处理是一门发展迅速的重要学科，涉及面越来越广泛，理论越来越深入，算法越来越复杂。数字信号处理器是实现数字信号处理的首选器件，其体系结构在设计上考虑了数字信号处理一般算法的特点。音视频媒体处理应用普及，以及对操作控制方面的要求，产生了将计算和控制有机融合在一个芯片上的趋势。新型数字信号处理器在实现复杂音视频媒体处理算法基础上，提供了完成事务管理的控制功能嵌入式媒体处理芯片对称多核媒体处理器ADSP-BF561，对称双核嵌入式媒体处理器实现更加复杂的计算和灵活的控制，更加有效的应用模式数字信号处理基本概念

世界上有各种各样需要研究的信号。人们用感知认识世界、获取信息。人们通过各种手段改变世界。数字信号处理（DigitalSignalProcessing，DSP）是20世纪60年代前后发展起来的一门新兴学科。现代信号处理理论涉及到非常复杂的算法和大量的计算增加了实时处理难度分布式、并行计算并行计算机系统、DSP芯片的阵列处理系统通用计算机和DSP都朝着多核发展数字信号处理实现方法

理论、实现、应用1822年傅立叶级数理论研究各种应用算法和快速算法1965年快速傅立叶变换（FFT）数字信号处理的实现方法经历了一个较长的发展过程。1982，TITMS320C10数字信号处理的实现方法1）通用计算机上软件实现。2）通用计算机系统中专用加速处理机实现。3）专用DSP芯片实现。4）通用单片机实现。5）FPGA实现。6）通用可编程DSP实现。数字信号处理系统及特点设计的一般过程事前准备阶段。确定系统性能指标、信号处理的各种具体要求。2）算法模拟阶段。一个关键是要研究有效算法，高级语言验证。例如，视频压缩算法要考虑到编码速率和编码质量，不同应用有不同要求，因为二者具有矛盾性。3）系统设计阶段。根据算法运算量、运算精度、接口、系统成本、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，一般采用高级语言和汇编语言混合编程。4）系统调试阶段。硬件调试一般采用硬件仿真器、示波器、逻辑分析仪等进行。软件调试一般要借助于开发工具，如软件模拟器、开发系统等。算法调试一般采用比较法，与高级语言算法模拟结果的输出进行比较。5）运行调试阶段。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、修改算法。数字信号处理器基本概念

一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，或者说主要是为快速实现各种数字信号处理算法而设计的。目前，DSP芯片已广泛应用第一颗DSP芯片，1978年AMI公司发布的S28111979，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。TITMS320系列、ADIADSP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。数字信号处理器基本概念TI第一代DSP芯片TMS32010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ADI16位的定点DSP产品ADSP-21xx系列、BlackfinADSP-215xx系列32位的浮点DSP产品SHARC系列、TigerSHARC系列混合信号处理DSP产品ADSP-2199X系列嵌入式电机控制DSP产品ADMC系列等数字信号处理器基本概念系列型号类型处理能力片内存储器（程序+数据）电源电压（V）内嵌ADC单元SHARCADSP-21161N32位浮点600MLOPS1Mbits1.8/3.3ADSP-21160M32位浮点480MLOPS4Mbits2.5/3.3ADSP-21160N32位浮点570MLOPS4Mbits1.9/3.3ADSP-2106032位浮点198MLOPS4Kbits3.3/5ADSP-21065L32位浮点198MLOPS544Kbits3.3TigerSHARCADSP-TS101S32位浮点1500MLOPS6Mbits1.2/3.3ADSP-TS201S32位浮点3GFLOPS24Mbits1.0/2.5混合信号ADSP-2199016位定点160MIPS4K+4K14-bit20MSPSADSP-2199116位定点160MIPS8K+32K14-bit20MSPS电机控制ADMC40116位定点26MIPS2K+1K8通道12-bitADMC32x16位定点20MIPS0.5K+0.5K可变ADMCF32x16位定点20MIPS0.5K+0.5K可变ADMC341/F34116位定点20MIPS0.5K+0.5K6通道10-bit数字信号处理器基本概念型号时钟频率（MHz）FIR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（ns）ADSP-21161N100540171us6040ADSP-2106040251000.46ms225150ADSP-2106240251000.46ms225150ADSP-21065L6615600.27ms13590ADSP-TS101S2502.239.34us（基2）ADSP-TS201S5001.020.0us（基2）数字信号处理器技术特点

DSP芯片一般具有如下基本特点：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）快速的中断处理和硬件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理器选型依据

运算量是首要因素运算速度运算速度与内核工作频率关系密切，决定着指令周期、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内部并行数据处理功能单元；运算精度开发工具

VisualDSP++，CCS；DSP/BIOS，VDK；函数和软件工具包，如数字滤波器、数字信号处理算法子程序；MATLAB6.5版本，TI；NILabVIEW，ADIBlackfin嵌入式模块其它因素价格、功耗、封装、质量标准、供货情况、生命周期等。计算机领域的多机并行计算

计算科学与工程CSE（ComputationalScienceandEngineering）随着计算技术和计算方法的飞速发展，几乎所有学科均趋向定量化和精确化，产生了诸如计算物理学、计算化学、计算材料学、计算力学、计算生物学、计算气象学和计算电子学等新兴学科，形成了所谓计算科学与工程CSE（ComputationalScienceandEngineering）的计算性学科分支。计算科学（ComputationalSciences）和传统的理论科学与实验科学并列成为第三门学科。大型并行机系统单指令多数据流SIMD（SingleInstructionMultiple-Data）、并行向量处理机PVP（ParallelVectorProcessor）、对称多处理机SMP（SymmetricMultiprocessor）、大规模并行处理机MPP（MassivelyParallelProcessor）、工作站机群COW（ClusterofWorkstations）和分布共享存储DSM（DistributedSharedMemory）多处理机计算机领域的多机并行计算共享存储的SMP系统结构具有如下特性：1）对称性任何处理器均可访问任何存储单元和I/O设备2）单地址空间，好处：例如因为只有一个OS和DB等副本驻留在共享存储器中，所以仍可按工作负载情况在多个处理器上调度进程从而易达到动态负载平衡如因为所有数据均驻留在同一共事存储器中，所以用户不必担心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局部性，而其一致性可由硬件来增强4）低通信延迟处理器间的通信可用简单的读/写指令来完成P/C…P/CP/C总线或交叉开关SMSMI/ODSP领域的多DSP并行计算

多个DSP芯片间的并行处理通过扩大并行规模而较大地增强系统的计算能力多DSP并行处理是一个综合性很强的应用领域，涉及到算法研究、VLSI设计理论、系统结构、网络拓扑等多个方面要素：处理单元（DSP）、并行处理系统结构、并行算法和任务分配方法三者紧密联系、互相依赖，任务分配和并行算法的直接影响并行处理系统的性能，芯片间的网络连接可参考并行计算机系统的各种方式，连接通道负责为各处理单元提供任务调度和数据交换。共享总线的多DSP并行处理系统

基于Link口的多DSP并行处理系统

基于SPORT的多DSP并行处理系统

基于HPI/IDMA的主从分布式多DSP并行处理系统

基于数据交换的多DSP并行处理系统

DSP领域的多DSP并行计算共享总线的多DSP并行处理系统共享总线就是所有DSP的外部总线（地址、数据和访问控制总线）分别连接在一起，各DSP片内存储器、IOP寄存器（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是主处理器，每个DSP都有各自的ID从处理器可以通过总线请求信号来获取外部总线控制权从而成为主处理器，主处理器可以访问从处理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DSP并行计算基于Link口的多DSP并行处理系统ADSP2106x还具有实现基于Link口的多DSP并行处理系统，属于处理器之间通过数据流相联系的并行系统各DSP用Link口连接在一起，进行通信控制和数据交换，系统结构简单、连线少、可扩展性强，可灵活组成线形、星形、环形、树形、网络型或超立方体型等多种形式各DSP之间在指令上没有关联，仅通过数据流相联系，相互的耦合作用也较低，所以称为分布式存储系统或松耦合系统DSP领域的多DSP并行计算基于HPI/IDMA的主从分布式多DSP并行处理系统基于HPI（主机接口）/IDMA（内部DMA）口，可组成主从分布式的多DSP并行处理系统。主DSP通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之间的并行任务分配、访问控制以及数据、状态信息的高速交换，可组建大型星型或树型并行系统DSP领域的多DSP并行计算基于数据交换的多DSP并行处理系统多个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、满状态作为DSP间数据交换的启动标志，并以此进行DSP间的并行任务分配、状态信息交换和海量数据流传输等操作对称多核处理器（SMP）的优势

ADIEMP芯片——Blackfin系列处理器性价比较高，在一个统一的设计中提供了MCU和DSP功能，可以实现控制和信号处理方面的灵活划分。它可以作为100%的MCU，或100%的DSP，或两者之间的某种组合。双核EMPvs.单核EMP

ADSP-BF533ADI与Intel共同开发的MSA体系结构，支持嵌入式实时操作系统uC/OS和uCLinux。32位RISC指令集、双16位MAC单元和一个8位视频处理引擎，提供了长达64位的可变长指令集，最优化后16位的操作码可以代表最常用的指令，互锁流水线和代数指令语法，受保护和未受保护两种操作模式ADSP-BF561对称双核结构，计算能力、控制能力更强，多种开发模式即使当某个应用适合某个单内核处理器，也可以利用双内核系统来降