dsp器件的结构和应用

dsp器件的结构和应用

数字处理器（ps）和数字信号处理器（pd）的缩写是pd，其内涵是不同的。数字信号处理侧重于理论、算法及软件实现,有一些典型算法,如快速傅立叶变换(FFT),已经成为衡量DSP器件运算速度的一个指标。要实现这些算法,特别是要实时地完成某些算法就需要特殊的硬件支持,这就是数字信号处理器。DSP技术能够得到广泛的普及和应用,在很大程度上得益于DSP器件性能的提高和价格的下降,而DSP技术的应用又对DSP器件的性能的进一步改进起促进作用。1dsp器件的发展世界上第一颗DSP芯片是美国德州器(Ti)公司于1982年推出的第一代产品:TMS32010。经过十几年的发展,DSP器件在高速度、可编程、小型化、低功耗等方面都有了长足的发展,单片DSP芯片最快每秒可完成16亿次(1600MIPS,每秒1600兆次指令)的运算,生产DSP器件的公司也不断壮大,目前,市场占有率前四名依次为:TexasInstruments、Lucent、AnalogDevice、Motorola,涉足这一领域的公司还有AT&T、Fujitsu、Harris、IDT、INMOS、NEC、OKI、Samsung。由于各DSP厂家的竞争及生产工艺的不断提高,使得DSP器件的价格不断下降,且性能不断提高,这些年来基本上按照这样一种规律发展:约每18个月性能提高一倍,而价格下降一半。DSP器件应用面从起初的局限于军工,航空航天等领域,扩展到今天的诸多电子行业及消费类电子产品中。本文以Ti公司的产品为例,向读者介绍一下DSP器件的结构和应用。图1给出了Ti公司DSP产品的发展概貌。′C1X、′C2X、′C2XX、′C5X、′C54X、′C62X等系列是定点运算指令系统的DSPs;′C3X、′C4X、′C67X等系列是浮点运算指令系统的DSPs;′C8X等系列是多DSPs集成系统;′AV7100、′AV7110等系列是用于视频、音频领域的专用数字压缩产品。TMS320C25是业内人士熟悉的一颗芯片,国内于1984年引进消化,1985年就研制出收稿日期∶1999−03−26¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯了相应的开发系统。TMS320C2XX系列:TM320C2XX是Ti公司继TMS320C2X和TMS320C5X之后推出的一种低价格、高性能16位定点运算DSP。其CPU接近于TMS320C25,但时种速率提高了、指令集更为丰富和优化、片内外设向TMS320C5X靠拢,可以将其视为TMS320C5X的精简版。TMS320C2XX的性价比很高,目前已成为高档单片机的理想替代芯片,源码向下兼容TMS320C25指令,向上兼容TMS320C5X指令;1995年开发成功,速度为20～40MIPS,Ti已将其作为未来低成本定点运算指令芯片的核。其中,′C24X系列内CPU允许使用较高级算法,从而提高系统性能,减少系统元件数,在变频控制等领域具有广泛的应用前景。TMS320C3X系列:32位浮点运算DSP,速度为30～60MFLOPS(millionfloating-pointoperationspersecond,每秒多少兆次浮点操作),16.67～30MIPS,支持高效C编译器,并行指令集。TMS320C4X系列:高效并行处理器,高达488MB/S的数据吞吐量,速度为40～80MLOP,20～40MIPS,源码向下兼容′C3X指令。TMS320C5X系列:高性能定点运算DSP,速度为20～50MIPS,源码向下兼容?′C1X、′C2X、′C2XX指令,具有灵活的电源管理结构,有低电压工作芯片。其中,′C54X系列,成本低、性能高、速度达66MIPS,可以工作于3.OV,3.3V,or5.OV,特殊的结构满足了移动通信和户外无线应用等场合。TMS320C6X系列:速度高达1600MIPS(每秒16亿次操作),满足极高性能要求场合,其中,′C62X是定点运算系列,′C67X是浮点运算系列。TMS320C6X系列:集成了多达四个32位高性能的DSP和一个32位RISC(精简指令集)、可以完成100MFLOPS的浮点处理器。具有一个可以胜任400MB/S传输数率的传输控制器、50K的在片RAM、两个帧计数器。TMS320AVXXX系列:高速、专业应用数字压缩产品,用于音、视频压缩和回放等领域,例如视频会议、数字广播、高清晰度电视、图形工作站,以及其他支持国际压缩标准的产品。2sd工具的内部结构和性能DSP器件的生命力主要取决于它在体系结构上不同于MCU的特点。以浮点运算指令系统′C30系列芯片为例,图2给出了DSP的体系结构。2.1dsp的基本原理微控制器MCU一直存在两种基本结构:冯诺伊曼(VonMeumann)结构和哈佛(Harvard)结构,冯诺伊曼结构具有单一总线,PRAM或DRAM都映射到同一地址空间,总线宽度与CPU类匹配,其取指令,取数据都是通过一条总线完成的。因此必须分时进行,在高速运算时,往往在传输通道上会出现瓶颈效应。哈佛结构具有独立的程序总线和数据总线,DSP内部一般采用的是哈佛(Harvard)体系结构,它在片内至少有四套总线:程序的数据总线,程序的地址总线,数据的数据总线和地址的数据总线。这种分离的程序总线和数据总线,可允许同时获取指令字(来自程序存贮器)和操作数(来自数据存贮器),而互不干扰,这意味着在一个机器周期内可以同时准备好指令和操作数,有的DSP芯片内部还包括有其它总线,如DMA总线等,可实现单周期内完成更多的工作。对DSP来说,内部总线本身就是个资源,总线越多,可以完成的功能就越复杂。2.2dsp的连续式组合DSP内部一般都集成多个处理单元,如硬件乘法器(MUL)、累加器(ACC)、算术逻辑单元(ALU)、辅助算术单元(ARAU)以及DMA控制器等。它们都可以在一单独的指令周期内执行完计算任务,并且这种运算往往是同时完成的,例如,当完成一个乘法和累加的同时,辅助算术单元已经完成了下一个地址的寻址工作,为下一次的运算做好了充分的准备。因为DSP可以完成连续的乘加运算,而每一次的运算都是单周期的,这种结构特别适用于滤波器的设计,如IIR和FIR。DSP的这种多处理单元见结构还表现在将一些特殊算法作成硬件,以提高速度,典型的有FFT的位反转寻址,语音的A律、μ律算法等。2.3减少指令周期的时间要执行一条DSP指令,需要完成取指令、解码、取操作数和执行等几个阶段:DSP的流水线结构是指它的这几个阶段在程序执行过程中是重叠的,即在执行本条指令的同时,下面的三条指令已依次完成了取操作数、解码、取指令的操作,这样就将指令周期的时间降低到最小值。正是利用这种流水线机制,保证DSP的乘法、加法以及乘加运算可以在一单周期内完成,这对提高DSP的运算速度具有重要意义,特别是当设计的算法需要连续的乘加运算,这种结构的优越性就得到了充分的发挥。也正是这种结构,决定了DSP的指令基本上都是单周期指令,衡量一个DSP的速度也基本上是以单周期指令时间为标准,其倒数就是MIPS。2.4硬件骑法器可以说几乎所有的DSP内部都有硬件乘法器,硬件乘法器的功能是在单周期内完成一次乘法运算,是DSP实现快速运算的重要保障。2.5j项目接口的开发随着DSP芯片速度的提高,传统的并行仿真方式已越来越显得困难。1991年IEE1149.1(即JTAG接口)标准的公布满足了IC制造商的措施需求,也给ASIC、MCU、DSP、PLD、FPGA等的用户带来方便。十万门以上的IC一般都集成JTAG接口,1993年IEEE1149.5对JTAG接口标准作了修正,为5线接口。在片JTAG接口为用户对DSP的仿真提供了更捷的串行工作方式。2.6dsp器件的选用引导加载是指器件复位时执行一段引导程序,一般用于从端口(异步串口、I/O口或HPI主机接口)或EPROM/FLASH等非易失性存储器中加载程序至高速RAM中运行。人们所以要采用DSP,主要目的是选用其高速运算能力,然而,目前市场上通用的非易失性存储器速度都比较慢,少数高速器件则容量有限、价格昂贵;与此同时,高速、大容量静态RAM的价格已下降很多。因此,针对高速DSP来讲,将存放在慢速非易失性存储器中的程序加载到高速静态RAM中运行的工作方式已是制造商必须提供的一种资源。具备了以上特点,这颗芯片就具有了高速运算的能力,我们可以认为它就是一个DSP器件了。目前,DSP器件很多,选择时需要综合考虑性能、价格、开发周期及定货期等多方面。3dsp与mpu、rtos的结合微控制器MCU,通俗的称呼是单片机,它与微处理器MPU是微机技术的两大分支。DSP是MCU的一种特殊变形。MPU的发展动力是人类对无止境的海量数值运算的需求,速度越来越快。MCU的发展是为了满足被控制对象的要求,向高可靠性、低功耗、低成本发展。DSP以处理速度快见长,且主要解决数字信号处理方面的算法的实现问题,因此独立于MCU之外而得到迅速发展。1)DSP的普及为系统设计人员提供了一种很好的选则。就目前的技术现状,将DSP与MCU结合起来设计系统是一种好的办法:将DSP设计成一个高速部件,完成专门算法,而MCU负责管理外围并协调DSP工作。2)MPU适宜于相同管理、以条件判断为主的应用及以软件管理的操作系统为核心的产品,MPU的设计侧重于不妨碍程序的流程,以保证操作系统支持的功能及转移预测功能等,而DSP的设计侧重于保证数据的顺利通行,结构尽量简单。3)DSP与实时操作系统(RTOS)的结合:DSP系统设计一般走两个极端,一种是单一的DSP系统设计,用于Modem、移动电话或变频空调等。另一种是高性能的多处理器DSP系统设计,用于大批输入流的实时处理。对于多DSP系统设计,有四个可能影响性能的主要因素:①通过系统的数据流(流水线或星形);②主系统总线(VME或PCI总线);③RTOS的性能,在多DSP系统中,RTOS在每个DSP上运行于嵌入式模式,RTOS提供系统所需要的数据流和处理性能,同时又允计主处理器继续在其固有模式(Win98/NT/Solaris)中操纵整个系统;④处理来自A/D阵列的输入流的接口设计,最好使用A/D转换子系统与系统其余部分有效隔离。4sd工具的应用和开发1其他工业控制系统a.经典算法:FFT、FIR/IIR、相关等;b.现代算法:AR、ARMA、卡尔曼滤波、自适应滤波等;c.快速处理:实时控制、机器人视觉、电机控制(如变频空调)等;d.图形图像处理:三维动画、图像传输、图像压缩、电话会议、多媒体、图像识别等;e.语音处理:语音压缩编码、语音识别、语音信箱等;f.仪器、仪表:医疗、数字滤波、谱分析等;g.通信:Modem、程控交换机、可视电话、蜂窝站、ATM、移动电话(如手机)等;h.民用:数字音响、数字电视、多媒体等;i.军用:雷达、声纳、通信等。2dsp的应用测量DSP作为今后世界数字化技术发展的核心部件,将对许多行业包括人们的日常生活起到巨大的影响,反过来,人们的应用需求又促进DSP的进一步发展。并行芯片ss/dsp分析DSP的出现就是为了追求速度,目前它仍然保持这种发展态势,这里值得一提的是两个典型的DSP器件,Ti公司在90年代中后期推出的TMS320C6X系列,这类芯片包括定点运算′C62X和浮点运算′C67X两种,其中首先推出是定点产品:TMS320C6201,这颗芯片片内有8个并行的处理单元,分为相同的两组,由于采用甚长指令字(VLIW)方式,芯片最高可以完成每秒16亿次的定点运算,执行一次1024点的FFT运算约为66微秒。这一芯片的推出,尤其是后续推出的廉价的类似功能的芯片,将在通信、雷达信号处理、医疗成象等领域获得广泛的应用。另一个是AD公司推出的超级哈佛结构(称为SHARCHARVARD)的DSP,其典型产品为ADSP2106X系列,这类产品不仅仅是对DSP的内部结构作了改进,使DSP在单一周期内完成更多的工作,而且它扩展了I/O能力,可以很容易地实现多个芯片的并行运算。这类芯片1024点FFT时间约为90微秒。这两类DSP都是对现有的结构进行了改进,极大地提高了速度,可以说这些结构上的变化代表了高速DSP的