dsp原理及应用概论课件.ppt
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- dsp 原理 应用 概论 课件
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1、可编辑ppt1DSPDSP原理及应用原理及应用电子信息科学与技术教研室电子信息科学与技术教研室Principle&Application of DSP可编辑ppt2本课程的要求本课程的要求 考勤:考勤:严禁旷课、迟到,随机点名,无故旷课达严禁旷课、迟到,随机点名,无故旷课达30%,取消期末考资格;迟到、早退三次算一次旷课。取消期末考资格;迟到、早退三次算一次旷课。有事提前请假,点名后补假条无效;有事提前请假,点名后补假条无效;作业:作业:每人准备一个笔记本,作业本每人准备一个笔记本,作业本,不能用单页纸,不能用单页纸,学期末作业本就是一本复习提纲。学期末作业本就是一本复习提纲。按时完成作业按时
2、完成作业,严禁抄袭,发现者不论是抄袭者还是,严禁抄袭,发现者不论是抄袭者还是被抄者,全部按未交作业处理。被抄者,全部按未交作业处理。未按时交作业者未按时交作业者:晚:晚4个小时,成绩扣除个小时,成绩扣除5%,晚,晚12个个小时,扣除小时,扣除30%,晚,晚24小时,成绩扣除小时,成绩扣除60%,晚,晚48小小时,成绩为时,成绩为0。总成绩总成绩=考试成绩考试成绩*0.7+作业实验作业实验*0.2+考勤考勤*0.1可编辑ppt3有关本课程学习的几点建议有关本课程学习的几点建议 本课程的前期基础课程本课程的前期基础课程数字电路、微机原理、单片机原理及应用、数字信数字电路、微机原理、单片机原理及应用
3、、数字信号处理号处理本课程是一门实践性、应用性很强的学科,本课程是一门实践性、应用性很强的学科,对于课程的理解主要在于课下的功课。对于课程的理解主要在于课下的功课。硬件硬件/软件同样重要、不可偏废软件同样重要、不可偏废 硬件是系统的基础硬件是系统的基础,软件是系统的灵魂软件是系统的灵魂可编辑ppt4课堂授课时间分配课堂授课时间分配:(40学时学时)CH1 概述概述 4 CH2 TMS320VC33结构结构 6 CH3 存储器和高速缓冲器存储器和高速缓冲器 2 CH4 外围外围 6 CH5 数据格式和浮点运算数据格式和浮点运算 2 CH6 寻址方式寻址方式 6 CH7 汇编语言指令汇编语言指令
4、4 CH8 流水线操作流水线操作 2 CH9 公共目标文件公共目标文件 2 CH10 十六进制转换与引导十六进制转换与引导 2 CH11 硬件应用硬件应用 2 复习答疑复习答疑 2可编辑ppt5基本内容和要求:基本内容和要求:1了解数字信号处理技术和数字信号处理器的概念了解数字信号处理技术和数字信号处理器的概念2理解可编程理解可编程DSP芯片的基本结构;芯片的基本结构;3了解了解DSP芯片与其他微处理器的优缺点;芯片与其他微处理器的优缺点;4理解理解DSP系统的基本组成及设计步骤;系统的基本组成及设计步骤;5掌握掌握DSP系统中的系统中的DSP芯片的选择原则;芯片的选择原则;6掌握描述掌握描述
5、DSP运算速度的指标;运算速度的指标;7.了解了解DSP技术新的发展动态、芯片型号及应用领域。技术新的发展动态、芯片型号及应用领域。可编辑ppt61.3 DSP1.3 DSP开发开发1.1 DSP1.1 DSP系统概述系统概述1.2 DSP1.2 DSP芯片芯片可编辑ppt71.1 DSP1.1 DSP系统概述系统概述DSPDSP系统系统模拟系统模拟系统数字信号数字信号模拟信号模拟信号运算过程运算过程强调控制强调控制实时处理实时处理FPGA/CPLDDSP芯片模拟器件可编辑ppt8 DSP的基本概念 信号:一个或多个自变量的函数。信号:一个或多个自变量的函数。自变量:时间、距离、温度、压力自变
6、量:时间、距离、温度、压力 对应信号维数对应信号维数信号的分类:模拟信号信号的分类:模拟信号 时域离散信号时域离散信号 数字信号数字信号可编辑ppt9DSP(Digital Signal Processing)也就是我们常说的数字信号处理,它是利用计算机或专用处理设备,以数字形式对信号进行采集,变换,滤波,估值,增强,压缩,识别等处理,以得到符合人们需要的信号形式。DSP的含义数字信号处理(Digital Signal Processing)数字信号处理的理论和算法数字信号处理器(Digital Signal Processor)实现数字信号处理算法的微处理器芯片可编辑ppt10DSP的基本概
7、念 l一个典型的数字信号处理系统抗混叠滤波A/D微处理器平滑滤波D/Ax(t)x(n)y(n)y(t)微处理器是数字微处理器是数字信号处理系统的核信号处理系统的核心部件,心部件,通常采用通常采用DSP芯片芯片,也可采,也可采用其它处理器芯片用其它处理器芯片 A/D与与D/A转换器建立转换器建立起了数字世界与现实模拟起了数字世界与现实模拟世界之间的桥梁。世界之间的桥梁。可编辑ppt11)1(.)1()()()(11010LnxhnxhnxhinxhnyLLiil一个典型的数字信号处理算法FIR滤波器 乘与累加(乘与累加(MACMAC)是数字信号处理是数字信号处理中的典型计算中的典型计算可编辑pp
8、t12l数字信号处理系统中 微处理器的选择u通用微型计算机(PC机)u普通单片机(如MCS-51、96系列等)u专用集成电路(ASIC)uDSP处理器 优点:编程容易,便于实现优点:编程容易,便于实现缺点:速度慢、成本高、体缺点:速度慢、成本高、体积大,难以进行实时信号处积大,难以进行实时信号处理和嵌入式应用理和嵌入式应用优点:成本低廉优点:成本低廉缺点:性能差、缺点:性能差、速度慢速度慢优点:速度高、大规模生产成本优点:速度高、大规模生产成本低;低;缺点:开发成本高、通用性差。缺点:开发成本高、通用性差。针对数字信号处理的要求而设计,是数字信号针对数字信号处理的要求而设计,是数字信号处理系统
9、设计中采用的主流芯片。处理系统设计中采用的主流芯片。优点:灵活、高速、便于嵌入式应用优点:灵活、高速、便于嵌入式应用可编辑ppt13DSPDSP系统的特点系统的特点 1.1.精度高,速度快精度高,速度快模拟网络元件模拟网络元件(R R、L L、C C等)等)精度精度1010-3-3模拟网络系统模拟网络系统难难数字系统数字系统1616位字长位字长DSPDSP、D/AD/A精度精度1010-5-5可编辑ppt142.2.可靠性强可靠性强,稳定性好稳定性好放大器放大器A放大器放大器B计算机计算机A计算机计算机BA、B结果结果可能不同可能不同A、B结果结果果相同果相同只要误差不超过只要误差不超过0、1
10、判决电平判决电平可编辑ppt153.3.集成度高集成度高 DSPDSP系统系统表面贴装表面贴装ASICASIC芯片芯片DSPDSPCPLDCPLDFPGAFPGA开发开发压缩体积压缩体积降低成本降低成本可编辑ppt164.4.接口方便接口方便 以现代数字技术为基础的系统或设备都是兼以现代数字技术为基础的系统或设备都是兼容的,系统接口方便。容的,系统接口方便。5.5.灵活性好灵活性好 DSPDSP系统系统DSPDSPCPLDCPLDFPGAFPGA可编程可编程可编程可编程可编程可编程不同的功能不同的功能硬件更简单硬件更简单DSPDSP系统开发系统开发周期大大缩短周期大大缩短可编辑ppt176.6
11、.保密性好保密性好 DSPDSP系统系统DSPDSPCPLDCPLDFPGAFPGA可编可编程程可编可编程程保密保密性好性好隐蔽内部总线地址变化隐蔽内部总线地址变化做成做成ASICASIC保密保密性能性能几乎几乎无懈无懈可击可击可编辑ppt187.7.时分复用时分复用 信号的采样信号的采样频率与频率与DSPDSP系系统的运算速统的运算速度相比较低度相比较低的场合。的场合。系统系统n n信道信道1 1信道信道2 2信道信道n n实时性要求不实时性要求不高的场合。高的场合。应应用用场场合合DSPDSP系统系统系统系统2 2系统系统1 1可编辑ppt192.2 DSP芯片芯片一、DSP芯片的特点二、
12、DSP芯片的发展历程三、DSP芯片的基本结构四、DSP芯片的分类五、DSP芯片的选择六、DSP芯片的应用可编辑ppt20一 DSP芯片的特点(1)(1)采用哈佛结构,程序和数据存储空间分开,可以同时采用哈佛结构,程序和数据存储空间分开,可以同时访问指令和数据;访问指令和数据;(2)(2)具有专用硬件乘法器,可在一个指令周期内完成一次具有专用硬件乘法器,可在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法;乘法和一次加法;(3)(3)支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行叠执行;(4)(4)精度高,精度高,1616位的字长,动态范围位的字长,动态范
13、围96DB96DB,3232位浮点数,位浮点数,动态范围动态范围1536DB;1536DB;(5)(5)指令丰富,适合于指令丰富,适合于FIRFIR,IIRIIR,FFTFFT;(6)(6)片内具有快速片内具有快速 RAMRAM,通常可通过独立的数据总线在两,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问;块中同时访问;(7)(7)可以并行执行多个操作;特殊的可以并行执行多个操作;特殊的DSPDSP指令。指令。(8)(8)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。可编辑ppt21二、DSP芯片的发展历程l发展历史u诞生于20世纪70年代末1978年,AMI公司生
14、产出第一片DSP芯片S2811 1979年,美国Intel公司推出商用可编程器件DSP芯片Intel2920 可编辑ppt221980年,日本NEC公司推出PD7720,第一片具有乘法器的商用DSP芯片1982年,TI公司成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17日本Hitachi公司第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片1983年,日本Fujitsu公司推出的MB8764,指令周期为120ns,具有双内部总线,使数据吞吐量发生了一个大的飞跃1984年,AT&T公司推出DSP32,是较早的具备较高性能的浮点DSP
15、芯片可编辑ppt23硬件结构:更适合数字信号处理的要求,能进行硬件乘法和单指令滤波处理,其单指令周期为ns。如:TI公司的TMS320C20和TMS320C30,CMOS制造工艺,存储容量和运算速度成倍提高,为语音处理、图像处理技术的发展奠定了基础。主要器件有:TI公司的TMS320C20、30、40、50系列,Motorola公司的DSP5600、9600系列,AT&T公司的DSP32等。可编辑ppt24信号处理能力更加完善,而且使系统开发更加方便、程序编辑调试更加灵活、功耗进一步降低、成本不断下降 各种通用外设集成到片上,大大地提高了数字信号处理能力 DSP运算速度可达到单指令周期10ns
16、左右,可在Windows 下用C语言编程,使用方便灵活广泛应用:通信、计算机领域,并渗透到日常消费领域可编辑ppt25l DSP芯片的 发展现状u制造工艺u存储器容量 u内部结构 u运算速度 u高度集成化 u运算精度和动态范围 u开发工具 具有较完善的软件和硬件开发工具,如:软件仿真具有较完善的软件和硬件开发工具,如:软件仿真器器SimulatorSimulator、在线仿真器、在线仿真器EmulatorEmulator、C C编译器和集编译器和集成开发环境成开发环境CCSCCS等,给开发应用带来很大方便。等,给开发应用带来很大方便。CCSCCS是是TITI公司针对本公司的公司针对本公司的DS
17、PDSP产品开发的集成开发环境。产品开发的集成开发环境。它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能,而且支持能,而且支持C/C+C/C+和汇编的混合编程。开放式的结和汇编的混合编程。开放式的结构允许外扩用户自身的模块。构允许外扩用户自身的模块。普遍采用普遍采用0.25m0.25m或或0.18m0.18m亚微米的亚微米的CMOSCMOS工艺。引脚从原来的工艺。引脚从原来的4040个增加到个增加到200200个以上,个以上,需要设计的外围电路越来越少,成本、体需要设计的外围电路越来越少,成本、体积和功耗不断下降。积和功耗不断下降。芯片的片内程序和数据
18、存储器可达到几十芯片的片内程序和数据存储器可达到几十K K字,字,而片外程序存储器和数据存储器可达到而片外程序存储器和数据存储器可达到16M16M4848位和位和4G4G4040位以上。位以上。芯片内部均采用多总线、多处理单元和多级流芯片内部均采用多总线、多处理单元和多级流水线结构,加上完善的接口功能,使水线结构,加上完善的接口功能,使DSPDSP的系的系统功能、数据处理能力和与外部设备的通信功统功能、数据处理能力和与外部设备的通信功能都有了很大的提高。能都有了很大的提高。指令周期从指令周期从400ns400ns缩短到缩短到10ns10ns以下,其相应的速以下,其相应的速度从度从2.5MIPS
19、2.5MIPS提高到提高到2000MIPS2000MIPS以上。如以上。如TMS320C6201TMS320C6201执行一次执行一次10241024点复数点复数FFTFFT运算的时运算的时间只有间只有66uS66uS。集滤波、集滤波、A/DA/D、D/AD/A、ROMROM、RAMRAM和和DSPDSP内核于一体的内核于一体的模拟混合式模拟混合式DSPDSP芯片已有较大的发展和应用。芯片已有较大的发展和应用。DSPDSP的字长从的字长从8 8位已增加到位已增加到6464位,累加器的长度也位,累加器的长度也增加到增加到4040位,从而提高了运算精度。同时,采用位,从而提高了运算精度。同时,采用
20、超长字指令字(超长字指令字(VLIWVLIW)结构和高性能的浮点运算,)结构和高性能的浮点运算,扩大了数据处理的动态范围。扩大了数据处理的动态范围。可编辑ppt26l DSP技术的发展趋势 uDSP的内核结构将进一步改善uDSP和微控制器的融合 uDSP和高档CPU的融合 uDSP 和FPGA的融合 u实时操作系统RTOS与DSP的结合 uDSP的并行处理结构 u功耗越来越低 可编辑ppt27三 DSP芯片的基本结构 哈佛结构;哈佛结构;Von Neumann-Von Neumann-冯冯.诺依曼诺依曼 Harvard Harvard 哈佛哈佛 Von Neumann:Von Neumann:
21、数据、代码共享内存空间数据、代码共享内存空间 数据、代码共享内存总线数据、代码共享内存总线 Example:IntelExample:Intels x86 Pentium Processor familys x86 Pentium Processor family Harvard:Harvard:数据、代码独立存储空间数据、代码独立存储空间 数据、代码独立存储总线数据、代码独立存储总线 Improve Improve Harvard:Harvard:允许数据存放在程序存储器中,并被算术运算指令直接使用允许数据存放在程序存储器中,并被算术运算指令直接使用增强了芯片的灵活性增强了芯片的灵活性 指令
22、存储在高速缓冲器中,当执行此指令时,不需要再从存指令存储在高速缓冲器中,当执行此指令时,不需要再从存储器中读取指令,节约了一个指令周期的时间储器中读取指令,节约了一个指令周期的时间可编辑ppt28(2)(2)流水线流水线 TMS320系列处理器的流水线深度从2-6级不等,也就是说,处理器可以并行处理2-6条指令,每条指令处于流水线上的不同阶段。例如在一个三级流水线操作中,取指,译码和执行操作可以独立地处理,这可使指令执行能够完全重叠。这样就增强了处理器的处理能力。可编辑ppt29(3)(3)专用硬件乘法器专用硬件乘法器 在一般形式的FIR滤波器中,乘法是DSP的重要组成部分。在TMS320系列
23、中,由于具有专用的硬件乘法器,乘法可以在一个指令周期内完成。这样可以大量降低FIR的计算时间。可编辑ppt30(4)(4)特殊特殊DSPDSP指令指令;在TMS320系列中有一些特殊的DSP指令,它们在一个指令周期内用一条指令就可以实现普通需要几条指令才可以实现功能,如MAC指令,它可以在一个指令周期中完成一次乘法和一次加法运算。这样即节省了时间,又提高了编程的灵活性。并行、跳转、延迟指令可编辑ppt31四 DSP芯片的分类 定点和浮点 定点:结构简单、速度快、精度低,动态范围小 TI:C1X、C2X、C5X Motorola:MC56000 AD:ADSP21xx 浮点:数据动态范围大,运算
24、精度高,实时性好 TI:C3X、C4X、C8X Motorola:MC96001 AT&T:DSP32/32C可编辑ppt32四 DSP芯片的分类 通用和专用 通用普通DSP芯片 TI:TMS320系列 专用特定DSP芯片,数字滤波、卷积和FFT Motorola:DSP56200可编辑ppt33四 DSP芯片的分类 静态和一致性(工作时钟和指令类型)静态在时钟频率范围内任何时钟频率上,DSP均 正常工作,除速度外,性能不变。TI:TMS320C2x 一致性多种DSP处理器的指令系统和相应的机器代码及引脚结构相互兼容。TI:TMS320C54x可编辑ppt34五 DSP芯片的选择设计设计DSP
25、DSP应用系统,选择应用系统,选择DSPDSP芯片是非常芯片是非常重要的一个环节。重要的一个环节。只有选定了只有选定了DSPDSP芯片才能进一步设计其外芯片才能进一步设计其外围电路及系统的其它电路。围电路及系统的其它电路。选择原则:选择原则:根据实际应用系统需要、应根据实际应用系统需要、应用场合、目的,用场合、目的,选择满足所需功能、成本低、选择满足所需功能、成本低、耗电小、使用方便、有技术支持、升级方便耗电小、使用方便、有技术支持、升级方便的芯片。的芯片。可编辑ppt351 1TITI公司的公司的DSPDSP芯片芯片 TITI公司常用的公司常用的DSPDSP芯片可以归纳为三大系列:芯片可以归
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