DSP芯片原理与应用

DSP芯片原理与应用钱慧2012-2013学年第二学期Part1前言1关于本课程课时较短：32学时课堂讲解根本原理和使用方法课后自学相关内容的细节问题课堂主要内容：TMS320DM642硬件原理：结构与外设软件编程：软件开发与代码优化系统设计：最小系统设计2课堂要求与学习目标课堂要求了解高速DSP的开展趋势理解高速DSP的结构、外设和编程掌握高速DSP系统设计方法学习目标能够根据需要进行DSP选型能够设计高速数字信号处理系统能够编写高效率的DSP程序3预备知识：本科电子类课程C语言根本的编程能力和软件概念微机原理〔x86〕计算机结构的根本概念〔指令、存放器、总线、中断等〕数字信号处理知道自己要做的滤波器、FFT等模拟和数字电路对DSP的I/O系统建立概念对板级系统建立概念时钟、复位、RAM等计算机操作5课程用到的参考数目DM642芯片学习的书籍《TMS320DM642DSP原理与应用实践》，电子工业出版社《TMS320DM642应用系统设计与开发》，人民邮电出版社C6000原理介绍的书籍《TMS320C6000系统DSP原理与应用》，电子工业出版社《TMS320C6000DSP应用开发教程》，电子工业出版社Part2概述

DSP的特点

DSP的芯片分类AddyourtextinhereAddyourtextinhere概述DSP的开展历程主要内容DSP的产生DSP产生的根源是基于软件的信号处理实现。我们需要这样的处理器：可以嵌入式运行：无界面、小体积、低功耗外围电路简单，以便迅速开发各种专用系统高速运算能力针对典型信号处理算法运行时间可以预测与运算能力匹配的高速IO〔计算机重在计算、处理机重在“流动”〕不需要高级软件功能为了适应上述需要，DSP采用了一些特俗的结构，使DSP从通用处理器中别离出来，成为一类独立的微处理器1987年，TI推出第一代DSP芯片TMS320C105MIPS(MillionInstructionsPerSecond)4KRAM3微米工艺55000个晶体管汇编语言电子信息时代的历史变迁20世纪60年代21世纪21世纪初10亿美元10,000亿美元1,000亿美元100亿美元整体半导体市场大型机晶体管小型计算机TTL/逻辑个人电脑微处理器通信与娱乐

DSP+模拟20世纪70年代20世纪80年代20世纪90年代推出单芯片数字信号处理器推出Speak＆Spell器件创造首款手持计算器首款商用晶体管与首款商用晶体管收音机演示了数字投影显示系统，DLP技术于1998年获得了艾美奖于2004年宣布推出首款单芯片20世纪50年代20世纪60年代20世纪70年代20世纪80年代20世纪90年代21世纪21世纪初JackKilby创造集成电路并获2000年诺贝尔物理奖推出了达芬奇技术数字化应用从:音乐播放到:收音机相机摄像机>15万台/年DVCIP-7PanasonicSV-AV30NV-GX7K>50万台/年SonyDSCPseriesKodakDX4330CanonDSCA200>100万台/年PhilipseXpaniumArchosJukeboxMultimedia20Lyra™JukeboxRD2820>100万台/年PerstelDR201数字化应用从:到:>70万台/年>80万台/年NewAV-Receiverusing

320DA610>10万台/年>40万台/年录像机电视电影/音乐厅汽车实时信号处理DSP芯片的特点对DSP内核的传统认识：MAC〔乘加〕指令，一周期内完成多总线结构〔哈佛结构〕快速寻址〔专用寻址存放器〕零耗循环〔硬件循环控制器〕片内集成存储器和I/O运行时间可预测算术单元硬件乘法器通用微处理器内通过微程序实现的乘法操作往往需要100多个时钟周期，非常费时。因此在DSP内部设有专门的硬件乘法器。多功能单元为进一步提高速度，可以在CPU内设置多个并行操作的功能单元〔ALU、乘法器和地址产生器〕。如C6000的CPU内部有8个功能单元，包括2个乘法器和6个ALU。针对MAC乘加运算，多数DSP的乘法和加法都支持在1个时钟周期内同时完成一次乘法和加法操作多总线结构冯诺依曼哈佛结构冯·诺依曼体系结构程序计数器〔PC〕CPU存储器程序〔指令〕数据地址数据哈佛结构程序计数器〔PC〕CPU数据存储器存储器地址数据地址数据专用寻址单元DSP面向的是数据密集型应用，伴随着频繁的数据访问，数据地址的计算时间也线性增长。DSP用专门的地址产生器，用于支持地址运算，地址计算不需要额外占用CPU时间。DSP的地址产生器一般都支持间接寻址，而且有些DSP还能支持位反寻址不断引入的技术越来越长的流水线CatchVLIW〔超长指令结构〕SIMD〔单指令多重数据〕MIMD〔多指令数据流〕流水处理一条指令分成几个子操作可并行处理多条指令流水线深度：2----6级片内存储器现代微处理器内部一般都集成有高速缓存，但是片内一般不设有存储程序的ROM和存储数据的RAM。这是因为通用微处理器的程序一般都很大，片内存储器不会给处理器性能带来明显改善。DSP算法的特点就是需要大量的简单运算，相应地其程序也比较短小。存放在DSP片内可以减少指令的传输时间。DSP性能指标MIPS：百万条指令/秒(MillionInstructionPerSecond)按公式S=J/(Ti×10-6)计算，其中Ti为指令周期〔单位ns〕，J为每周期并行指令数MOPS：百万次操作/秒(MillionOperationPerSecond)MFLOPS:百万次浮点操作/秒(MillionFloatOperationPerSecond)MBPS：百万位/秒(MillionBitPerSecond)MBPS用于衡量DSPs的数据传输能力德州仪器〔TI〕的三大DSP系列TMS320C2000™数字控制TMS320C5000™消费、便携类TMS320C6000™通信基站、数字图像处理控制优化低功耗高性能硬盘&采暖、通风空调电机控制家用电器变频电源控制手机便携式电子产品生物识别电信和VoIP无线基站视频流、视频会议视频安防／监控医疗成像OpticalNetworkingControloflaserdiodeTVscreenDeflectionofelectronbeamforsmallangleandsharpcornerTVscreenAutomotive–EPS(electricpowersteeringsystem)

BatteryoperatedprecisionforsteeringPrinterPrintheadcontrolPaperpathmotorcontrolDigitalPowerSupplyProvidescontrol,sensing,PFC,andotherfunctions“Segway”ManynewcoolApplicationtocomeTirePressureLowcostpressuresensingbasedontirerotationspeedmeasurementC2000系列DSPC2000系列DSPF2812/11/10内部结构MemoryBus128KwFlash+2KwOTP4KwBootROM18KwRAMCodesecurityXINTF32-bitRegisterFileReal-TimeJTAG32-bit

Timers(3)150MIPsC28xTM32-bitDSP32x32-bit

MultiplierR

M

WAtomicALUInterruptManagementEventMgrAEventMgrB12-BitADCWatchdogGPIOMcBSPCAN2.0BSCI-UARTASCI-UARTBSPIPeripheralBus从片内RAM和Flash存储器上快速执行程序100-120MIPS〔采用Flash加速技术〕150MIPS〔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ADC12.5MSPS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CommunicationsPorts150MIPS〔每秒执行1.5亿条指令〕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/LF240x源代码兼容高性能CPU(C28xTM内核)C5000系列DSP的应用TIDSPsin60%

ofalldigital

cellphonesTIDSPschosenby

8oftop10internetconsumerelectronicmanufacturersTIDSPschosen

by7oftop8

digitalstill

cameramanufacturersTIDSPsin80%ofIPphonedesignsTIhas80%ofVoIPGatewaymarketTIDSPsusedin8

ofthetop10wirelessinfrastructuresTMS320C5000Internalandexternal

transfersSixchannelDMA32KWDARAM

16KWROMOn-ChipMemory176TQFP24x24mm176µ*BGA15x15mmPackageMaximumGPIOtomeetsystemneeds100MBps/50MBpsNosoftwareoverheadHardwareUARTGluelessinterfaceI2CInterfaceAllowsinexpensivememoryoffchip16KByteI-Cache3Multi-channelBufferedSerialPorts128Channels100MbpseachLowcostSDRAM&SBRAM,AsynRAMsupport400MBpsbandwidth32-bitExternalMemoryInterface

(EMIF)C55xTM

DSPCoreI-CacheAdvancedPowerMgmtInstructionBufferUnitIdle

Domain

RegisterBarrelShifter40-bit

ALUAdvancedEmulationTMS320C5502@200MHz32bit-EMIFDual

MacAccumulatorsRegistersAddress

UnitsPeripheralsClock

GeneratorGPIO6channelDMA3McBSPsEnhancedHPIH/W

UARTPeripheralsBusI2CInterface2Timers16-bit

ALUWatchdogProgram32bitsProgram32bits16KWROMDataRead(3-16bit)DataWrite(2-16bit)32KWDARAM76GPIO,8Dedicated16-bit/8-bitEnhancedHostPortInterfaceC5000系列DSPC5502内部结构：极好的性能／价格比

400MIPS,500MBpsI/O,90mW,@$9.95in10Ku

DSLModemModem池基站收发器无线局域网区域用户交换机语音识别多媒体网关专业音频设备网络照相机机器视角安全认证工业扫描仪高速打印机高级加密器宽带通信无线3G基站医疗成像C6000系列DSP应用领域TIC6000系列DSPTMS320DM642〔数字媒体应用〕内部结构

C64xTM

32-位定点DSP4800MIPS(600MHz)

16KBL1P、16KBL1D、256KBL2

IIC总线

McASP：最多16个立体声通道32-位、66MHz、3.3V支持主／从模式，符合PCI2.2规范

PCI总线

10/100M以太网接口：EMAC+MDIOC64xTMDSPCore数据通路1数据通路2M2D2S2L2存放器堆A存放器堆B指令译码指令调度取指控制存放器中断控制在线仿真S1L1M1D1定时器2定时器0定时器1TMS320DM642DSPJTAGRTDXPLL节电逻辑L1D：数据Cache2维组关联型Cache〔16K字节〕L1P：程序Cache直接映射型Cache〔16K字节〕L2Cache/存储器256K字节SRAM增强型DMA控制器64通道EDMAEMIFA

64GPIO16IICPCI-66或HPI32HPI16+EMAC/MDIO或或1个10-位VP0和McBSP0或McASP1个20-位VP0或2个10-位VP0或1个10-位VP1和McBSP1或McASP1个20-位VP1或2个10-位VP1或2个10-位VP21个20-位VP2

3个双通道视频口每个视频口有2个视频通道，并可由软件配置为输入或输出口具有视频滤波、水平缩放功能可直接与视频器件无缝连接支持BT656、数字TV格式（SDTV和HDTV）、原始视频I/O每个视频口可支持8/10/16/20-位什么是DaVinciDAVINCI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、DM3xxDaVinci技术面临的主要挑战和创新数字视频面临的挑战智能视频系统行业市场预计到2011年将超过90亿美元，大幅度增长主要归功于市场对平安需要不断上升，以及技术创新的不断开展，特别是数字化、全面网络化的视频系统出现2006年，全球我难过了视频监控产品增长迅猛，增幅达41.9%，预计到2010年市值超过26亿美元视频监控与食品效劳器市场增长迅速监控摄像头芯片市场到2011年到达12.5亿美金，是2006年5.25亿美金的2倍多视频市场在今后五年内将翻5倍TIDaVinci系列H.264BPD1编码

同时

H.264B