DSP与嵌入式处理器基础及ADI-DSP介绍解读课件

MaikelKokaly-BannourahHarryWeiADI公司处理器-DSP核心产品与技术部门2012年03月DSP与嵌入式处理器

基本原理数字信号处理简介“世界是数字的，你只需要以足够高的采样速率将其数字化”

——海森堡（其实，这不是他的原话……）2这句话要表达的意思是：“DSP”可以表达不同的含义：“数字信号处理”“数字信号处理器”数字信号处理可通过以下器件完成：数字信号处理器例如ADI的SHARC和Blackfin微处理器例如ARM专用硬件加速器例如专用视频编码器和解码器本教程将介绍：数字信号处理的基本原理数字信号处理器简介ADI公司的处理器-DSP产品3模拟与数字采样4数字采样5能否恢复原始信号？6能否恢复原始信号？7能否恢复原始信号？8能否恢复原始信号？9能否恢复原始信号？10数字采样

3种不同频率，采样结果相同11数字采样

一旦采样，信息就会丢失12奈奎斯特准则带宽为fa的信号必须以fs>2fa的采样速率进行采样，否则信息会丢失只要fs<2fa，就会发生混叠131fs输入=fa混叠信号=fs–fa

注意：fa略小于fst现在，我们已经得到了数字信号，

接下来该怎么做呢？14模拟信号的数字采样数字滤波——传统DSP信号链BPF或LPFN位ADCN位DACDSPfafsfsBPF或LPFAt大多数DSP算法都可以用MAC表示：15FIR——有限脉冲响应滤波器输出16每个输出需要N位乘法累加3抽头FIR示例：需要3个样本的存储器FIR——有限脉冲响应滤波器输出17每个输出需要N位乘法累加3抽头FIR示例：需要3个样本的存储器FIR——有限脉冲响应滤波器输出18每个输出需要N位乘法累加3抽头FIR示例：需要3个样本的存储器IIR——无限脉冲响应滤波器和FIR一样，但是有无限多个抽头即使对当今的技术而言，同时实现无限多次倍乘与无限多个样本的存储器也很有难度所以我们采用了特别的方法！——我们采用了反馈，这样系统就能“记住”并使用无限多个之前的输入所有常见的模拟问题都适用——稳定性、相位失真、纹波等。19其它典型的数字信号处理算法自适应性滤波离散傅里叶、余弦、小波、Hadamard变换控制系统纠错加密数据压缩（无损和有损）音频与视频标准编解码器(MP3、JPEG、MPEG、H.264)20为什么要对信号进行数字化处理？21数字与模拟滤波数字滤波器线性相位（FIR滤波器）不存在由于元件变化引起的漂移可实现灵活的自适应性滤波易于使用存储器（对2D滤波器而言是必需的）计算必须在采样周期内完成——限制实时操作需要ADC、DAC和信号处理数学引擎易于更改（软件中）可重复对RF滤波器而言较难，且效率低下模拟滤波器非线性相位存在由于元件变化引起的漂移难以实现自适应性滤波器不易使用存储器高频及抗混叠滤波器需要模拟滤波器无需ADC、DAC或信号处理数学引擎更改时需要修改电路再生产高阶滤波器的代价昂贵对RF滤波而言较为容易22模拟与数字滤波器频率响应对比230–40–20–60–80–1000–40–20–60–80–100012345012345模拟滤波器数字滤波器dBdB频率(kHz)频率(kHz)实时信号处理数字信号处理；ADC/DAC采样频率限制信号带宽（别忘了奈奎斯特！）ADC/DAC分辨率/性能限制信号动态范围DSP处理器速度限制可用的数字处理量：实时操作时，所有的DSP计算都必须在采样间隔1/fs期间完成！别忘了模拟信号处理高频/RF滤波、调制、解调采用ADC和DAC的模拟抗混叠和重构滤波器24数字信号处理器

简介25信号处理性能(MMAC)细分市场各细分市场的可编程处理要求电力线监控电机控制ECG血糖监控器活动监控器便携式超声系统脉搏血氧仪呼吸远程医疗消费者测试数字X射线输液泵工业与仪器仪表医疗保健汽车电子通信与基础设施消费电子基站微控制器可编程DSP加速器、FPGA处理器阵列超声断层扫描太阳能驾驶员辅助系统音频发动机控制音响主机信息娱乐系统音频PLC

UPSAVR主动安全系统调制解调器网真雷达1K110010K视频声纳军事无线电DSCVOIP电话机器视觉VOIP网关智能电话视频监控.110100K什么是DSP？DSP是一种针对典型实时信号处理应用进行优化的微处理器能够尽快计算算法能够尽快传输数据27什么是DSP？DSP是一种针对典型实时信号处理应用进行优化的微处理器能够尽快计算算法能够尽快传输数据速度！28DSP与微控制器DSP架构Harvard架构独立程序与数据存储空间专用硬件乘法器单周期MAC高效计算所需存储器较小代数（类似于C）汇编语言高级控制特性 微处理器架构冯•诺依曼架构共用程序与数据存储空间用软件完成乘法计算多个周期需要大量存储器空间基于助记符的汇编语言29存储器：数据与指令数据总线地址总线CPU

PM数据总线PM地址总线

DM数据总线DM地址总线程序存储器：指令与数据数据存储器：仅限数据指令缓存CPU控制器分析流程的转移和变化通常出现在控制应用中较短的流水线和分支预测可以提供帮助高性能缓存指令和数据缓存广泛用于管理通过较大、较慢的外部存储器进行的访问字节可寻址性适合于网络应用存储器保护和转换按最小尺寸编码的最常用指令，提高了代码密度支持堆叠和帧指针支持操作系统的用户和管理员模式DSP分析定点和/或浮点数学，在单周期内计算乘法器、ALU、转换器可选特殊指令处理与通信、视频等相关的任务多内核资源可访问数据大量数据和地址寄存器大累加器寄存器可保存结果高频运算十分重要，但以下特性也很典型每个内核周期可以完成多个运算计算、数据访问和地址更新较深的流水线有利于提高速度，但不利于流程改变零开销循环用于循环缓冲和FFT位反转的DSP寻址快速确定性中断服务程序高速外设、定时器和实时预算驱动要求当处理器处理其它任务时，DMA控制器可以转移数据存储器带有存储库的单周期内部存储器，可以实现同步DMA与内核访问DSP中最基本的数学运算：乘积和数字滤波数据样本乘以滤波器系数得出的值增加至累加器重复N次DSP要求：快速乘法累加扩展精度（累加器寄存器）双取操作数循环缓冲零开销循环单周期执行：从存储器中取指令、数据样本和系数执行乘法累加更新指针32y(n)=h(0)•x(n)+h(1)•x(n–1)+...+h(N–1)•x(n–N)数学基本式大多数DSP算法的基本问题乘法与累加(MAC)运算y:=0;FORn:=0TON-1DOy:=y+a[n]·x[n];16位微控制器如何进行处理？

R0=数值

R1=常数

R2=1024

R3=0

R4=0

R5=0循环： movR6,[R0]

movR7,[R1]

addR0,#2

addR1,#2

muluR6,R7

addR3,MDL

addcR4,MDH

addcR5,#0

subR2,#1

jmpcc_NZ,loop乘法要求多个周期循环控制需要两个周期的开销显式地址指针增量

（基于字节）数据加载需要显式移动指令

（冯•诺依曼）用于累计的额外周期地址指针累计寄存器循环计数器DSP(Blackfin)如何进行处理？

I0+=4||R2.H=W[I2--]; //调整指针

R2.H=W[I2++]||R1=[I0]; //取数据

R0=[P0++]; [I0++]=R0||R2.L=W[I2++]; LSETUP(E_MAC_ST,E_MAC_END)LC1=P2>>1; E_MAC_ST: A1+=R0.L*R2.H,A0+=R0.L*R2.L||R2.L=W[I2++]||R0=[I1--];E_MAC_END: A1+=R0.H*R2.L,A0+=R0.H*R2.H||R2.H=W[I2++]; R3.H=(A1+=R0.L*R2.H),R3.L=(A0+=R0.L*R2.L)||R0=[P0++]||R1=[I0]; [I3++]=R3; 35注意：示例代码不完整——仅作为示例提供支持零开销HW循环单周期MAC和具有自动指针更新功能的两次数据加载存储最终滤波输出36“DSP”MAC引擎R0R1YYCxnnnn+=+1*

R1

R01个周期AOA0ADI公司的

处理器-DSP37医疗病人监护超声脉搏血氧仪ECG消费电子/通信AVR家庭影院数字广播互联网广播无线耳机/耳机组合专业音频汽车电子放大器ADAS信息娱乐系统音响主机工业和

仪器仪表控制数据采集测试与测量电机控制智能仪表安防和监控军用和航空航天产品ProductTypeApplicationspecific(ASSP)BroadmarketSoftware&AlgorithmsSystems&softwareexpertiseTargetedDSPhardwareacceleratorsTools/PlatformsincludingleveragingopensourceandthirdpartiesCoreTechnologyArchitecture:SHARCandBlackfinCoreagnosticinfrastructureModernandenhancedperipheralsSynthesizableplatformPDSP产品技术38ADI公司的处理器-DSP系列产品Blackfin®处理器16位双MAC定点DSP性价比出色1.99美元起单核性能高达600MHz/1.2GMAC单核或双核产品低功耗与动态电源管理100MHz时为28mW支持DSP和微控制器功能具备强大连接能力的丰富DSP产品USB、以太网、RSI、NAND、CAN、MOST系统级封装集成选项混合信号与FlashSHARC®处理器双MAC浮点DSP性价比出色的浮点DSP产品5美元起双MAC性能高达450MHz硬件加速器特别适合对绝对精度和动态范围有要求的应用具有出色的内核与存储器性能优异的I/O吞吐能力高速处理器间通信可配置应用I/O接口丰富的DSP产品39BF561BF609BF608BF607BF606BF592BF514BF516BF518BF522BF524BF526BF512BF531BF532BF534BF535BF536BF523BF525BF527BF538BF539BF537BF533BF542BF544BF547BF548BF549低功耗待机Lockbox™安全功能系统集成

（Flash、混合信号）多核600MHz选项最低的BOM成本基础连接系统级

连接能力提供汽车应用级产品。价值与更低功耗更高性能BF504BF504FBF506FUSB2.0OTG以太网MACBlackfin处理器系列40SHARC处理器系列2126621362213632136421368213692136521366213672148321486214872148821489214671ADSP-21363、21364和21366不含硬件加速器。

提供汽车应用级产品。214692126121262213712137512147821479更高性能专用外设可配置应用I/O接口低成本ROM含音频解码器硬件加速器高速处理器间

通信（链路端口）性能>2GFLOPS11未来低功耗414242ADI公司开发工具ADI公司的开发工具产品系列CROSSCORE®旨在为工程师提供简便、可靠的方法来开发和优化系统，缩短产品开发周期，加速产品上市。CROSSCORE包括：VisualDSP++®IDDE一套简便易用的项目管理工具，包括 集成式开发和调试环境， 使编程人员能够通过单一接口 在编辑、构建与调试之间轻松转换提供90天免费VisualDSP++评估许可评估套件——EZ-Board™和EZ-KITLite®使工程师可以采用任何一款

Blackfin和SHARC产品轻松评估和开发USBJTAGICE仿真器EZ-Extender®子板凭借EZ-Extender子板，开发人员可以评估 各种外设4343Blackfin和SHARC软件模块Blackfin和SHARC处理器的音频和视频算法这些模块经过高