dsp課程設(shè)計---dsp芯片簡介

1、<p><b>　　DSP課程設(shè)計</b></p><p>　　學 院 物理電子工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 電子科學與技術(shù) </p><p>　　年 級

2、 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　論文題目 DSP芯片簡介 </p><p>　　指導教師 職稱 副教授 </p><p>　　2012 年 0

3、1月 09日</p><p><b>　　DSP芯片簡介</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP)是一門涉及許多學科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學科。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理

4、技術(shù)應(yīng)運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強的實力。</p><p>　　1. DSP微處理器</p><p>　　DSP（digital signal processor）是

5、一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。 </p><p>　　1.1

6、DSP微處理器的主要特點</p><p>　　DSP微處理器（芯片）一般具有如下主要特點： </p><p>　?。?）在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法； </p><p>　?。?）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)； </p><p>　?。?）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問； </p&

7、gt;<p>　?。?）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持； </p><p>　　（5）快速的中斷處理和硬件I/O支持； </p><p>　?。?）具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器； </p><p>　　（7）可以并行執(zhí)行多個操作； </p><p>　?。?）支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行

8、。 </p><p>　　當然，與通用微處理器相比，DSP微處理器（芯片）的其他通用功能相對較弱些。 </p><p><b>　　1.2 DSP優(yōu)點</b></p><p>　　對元件值的容限不敏感，受溫度、環(huán)境等外部因素影響??； </p><p><b>　　容易實現(xiàn)集成；</b></p&

9、gt;<p>　　可以分時復(fù)用，共享處理器； </p><p>　　方便調(diào)整處理器的系數(shù)實現(xiàn)自適應(yīng)濾波； </p><p>　　可實現(xiàn)模擬處理不能實現(xiàn)的功能：線性相位、多抽樣率處理、級聯(lián)、易于存儲等； </p><p>　　可用于頻率非常低的信號。 </p><p><b>　　1.3 DSP缺點</b>&

10、lt;/p><p><b>　　需要模數(shù)轉(zhuǎn)換；</b></p><p>　　受采樣頻率的限制，處理頻率范圍有限；</p><p>　　數(shù)字系統(tǒng)由耗電的有源器件構(gòu)成，沒有無源設(shè)備可靠。</p><p>　　但是其優(yōu)點遠遠超過缺點。</p><p>　　2. DSP的開發(fā)工具</p><

11、;p>　　數(shù)字信號處理器（DSP）作為一種可編程專用芯片，是數(shù)字信號處理理論實用化過程的重要技術(shù)工具，在語音處理、圖像處理等技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但對于算法設(shè)計人員來講，利用匯編語言或C 語言進行DSP 功能開發(fā)，具有周期長、效率低的缺點，不利于算法驗證和產(chǎn)品的快速開發(fā)。由MathWorks 公司和TI 公司聯(lián)合開發(fā)的DSPMATLAB Link for CCS Development Tools（簡稱CCSLink）是MAT

12、LAB6.5 版本（Release13）中增加的一個全新的工具箱，它提供了MATLAB、CCS 和DSP 目標板的接口，利用此工具可以像操作MATLAB變量一樣來操作DSP 器件的存儲器和寄存器，使開發(fā)人員在MATLAB 環(huán)境下完成對DSP 的操作，從而極大地提高DSP 應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)進程。 </p><p>　　MATLAB 具有強大的分析、計算和可視化功能，利用MATLAB 提供的數(shù)十個專業(yè)工具箱，可以方便、

13、靈活地實現(xiàn)對自動控制、信號處理、通信系統(tǒng)等的算法分析和仿真，是算法設(shè)計人員和工程技術(shù)人員必不可少的軟件工具。 </p><p>　　3. DSP系統(tǒng)的設(shè)計過程</p><p>　　DSP系統(tǒng)的設(shè)計還沒有非常好的正規(guī)設(shè)計方法。 </p><p>　　在設(shè)計DSP系統(tǒng)之前，首先必須根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的目標確定系統(tǒng)的性能指標、信號處理的要求，通?？捎脭?shù)據(jù)流程圖、數(shù)學運算序列、正

14、式的符號或自然語言來描述。第二步是根據(jù)系統(tǒng)的要求進行高級語言的模擬。一般來說，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的最終目標， 需要對輸入的信號進行適當?shù)奶幚?，而處理方法的不同會導致不同的系統(tǒng)性能，要得到 最佳的系統(tǒng)性能，就必須在這一步確定最佳的處理方法，即數(shù)字信號處理的算法（Algo rithm），因此這一步也稱算法模擬階段。例如，語音壓縮編碼算法就是要在確定的壓縮比條件下，獲得最佳的合成語音。算法模擬所用的輸入數(shù)據(jù)是實際信號經(jīng)采集而獲得的，通常以計算機文件

15、的形式存儲為數(shù)據(jù)文件。如語音壓縮編碼算法模擬時所用的語音信號就是實際采集而獲得并存儲為計算機文件形式的語音數(shù)據(jù)文件。有些算法模擬時所用的輸入數(shù)據(jù)并不一定要是實際采集的信號數(shù)據(jù)，只要能夠驗證算法的可行性，輸入假設(shè)的數(shù)據(jù)也是可以的。</p><p>　　在完成第二步之后，接下來就可以設(shè)計實時DSP系統(tǒng)，實時DSP系統(tǒng)的設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面。硬件設(shè)計首先要根據(jù)系統(tǒng)運算量的大小、對運算精度的要求、系統(tǒng)成本限

16、制以及體積、功耗等要求選擇合適的DSP芯片。然后設(shè)計DSP芯片的外圍電路及其他電路。軟件設(shè)計和編程主要根據(jù)系統(tǒng)要求和所選的DSP芯片編寫相應(yīng)的DSP匯編程序，若系統(tǒng)運算量不大且有高級語言編譯器支持，也可用高級語言（如C語言）編程。由于現(xiàn)有的高級語言編譯器的效率還比不上手工編寫匯編語言的效率，因此在實際應(yīng)用系統(tǒng)中常常采用高級語言和匯編語言的混合編程方法，即在算法運算量大的地方，用手工編寫的方法編寫匯編語言，而運算量不大的地方則采用高級語言

17、。采用這種方法，既可縮短軟件開發(fā)的周期，提高程序的可讀性和可移植性，又能滿足系統(tǒng)實時運算的要求。DSP硬件和軟件設(shè)計完成后，就需要進行硬件和軟件的調(diào)試。軟件的調(diào)試一般借助于DSP開發(fā)工具，如軟件模擬器、DSP開發(fā)系統(tǒng)或仿真器等。調(diào)試DSP算法時一般采用比較實時結(jié)果與模擬結(jié)果的方法，如果實時程序和模擬程序的輸入相同，則兩者的輸出應(yīng)該一致。應(yīng)用系統(tǒng)的其他軟件可以根據(jù)實際情況進行調(diào)試。硬件調(diào)試一般</p><p>　　

18、系統(tǒng)的軟件和硬件分別調(diào)試完成后，就可以將軟件脫離開發(fā)系統(tǒng)而直接在應(yīng)用系統(tǒng)上運行。當然，DSP系統(tǒng)的開發(fā)，特別是軟件開發(fā)是一個需要反復(fù)進行的過程，雖然通過算法模擬基本上可以知道實時系統(tǒng)的性能，但實際上模擬環(huán)境不可能做到與實時系統(tǒng)環(huán)境完全一致，而且將模擬算法移植到實時系統(tǒng)時必須考慮算法是否能夠?qū)崟r運行的問題。如果算法運算量太大不能在硬件上實時運行，則必須重新修改或簡化算法。</p><p>　　4. DSP技術(shù)的應(yīng)用

19、</p><p>　　語音處理：語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強、語音郵件、語音儲存等。</p><p>　　圖像/圖形：二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像識別、動畫、機器人視覺、多媒體、電子地圖、圖像增強等。</p><p>　　軍事：保密通信、雷達處理、聲吶處理、導航、全球定位、跳頻電臺、搜索和反搜索等。</p><p>　　

20、儀器儀表：頻譜分析、函數(shù)發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、地震處理等。</p><p>　　自動控制：控制、深空作業(yè)、自動駕駛、機器人控制、磁盤控制等。</p><p>　　醫(yī)療：助聽、超聲設(shè)備、診斷工具、病人監(jiān)護、心電圖等。</p><p>　　家用電器：數(shù)字音響、數(shù)字電視、可視電話、音樂合成、音調(diào)控制、玩具與游戲等。</p><p>　　生物醫(yī)學信號處理舉

21、例：</p><p>　　CT：計算機X射線斷層攝影裝置。（其中發(fā)明頭顱CT英國EMI公司的豪斯菲爾德獲諾貝爾獎。） </p><p>　　CAT：計算機X射線空間重建裝置。出現(xiàn)全身掃描，心臟活動立體圖形，腦腫瘤異物，人體軀干圖像重建。</p><p>　　5. 基于DSP的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)</p><p>　　傳統(tǒng)的視頻監(jiān)視系統(tǒng)是簡單的非智

22、能閉路電視（CCTV）系統(tǒng)，其缺點十分明顯。這樣的系統(tǒng)或者需要安保人員實時監(jiān)視畫面以捕捉關(guān)鍵事件，或者需要在事后對視頻記錄進行回放并進行人工分析。耗時耗力，成本高而效率低。近幾年，DSP在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)方面的應(yīng)用不斷完善，正在逐漸取代傳統(tǒng)的模擬非智能系統(tǒng)。 </p><p>　　iSuppli公司2006年的一份分析報告曾指出，IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)市場到2010年將增長近十倍。IP監(jiān)控的創(chuàng)新技術(shù)之一是“智能攝像機”

23、，它擁有強大的數(shù)字信號處理器，能探測威脅并觸發(fā)自動響應(yīng)?？梢?，DSP芯片是智能監(jiān)控的核心。 </p><p>　　6. 基于DSP的語音實時變速系統(tǒng)</p><p>　　在外語多媒體教學中，要求對語速進行快慢控制，以適應(yīng)不同程度學生的需求。然而，傳統(tǒng)的語音變速產(chǎn)品往往在教師改變語速的同時，也改變了原說話者的語調(diào)，不能達到教學的真正目的。因此，語音變速系統(tǒng)應(yīng)當具備調(diào)整語速的同時，還需要保證原

24、說話者語調(diào)保持不變的特點?；贒SP（TMS320C5409）的語音實時變速系統(tǒng)能夠任意調(diào)整語音語速，達到外語多媒體教學的需求。</p><p>　　7. DSP發(fā)展軌跡</p><p>　　DSP產(chǎn)業(yè)在約40年的歷程中經(jīng)歷了三個階段：第一階段，DSP意味著數(shù)字信號處理，并作為一個新的理論體系廣為流行。隨著這個時代的成熟，DSP進入了發(fā)展的第二階段，在這個階段，DSP代表數(shù)字信號處理器，這

25、些DSP器件使我們生活的許多方面都發(fā)生了巨大的變化。接下來又催生了第三階段，這是一個賦能（enablement）的時期，我們將看到DSP理論和DSP架構(gòu)都被嵌入到SoC類產(chǎn)品中?！钡谝浑A段，DSP意味著數(shù)字信號處理。80年代開始了第二個階段，DSP從概念走向了產(chǎn)品，TMS32010所實現(xiàn)的出色性能和特性備受業(yè)界關(guān)注。方進先生在一篇文章中提到，新興的DSP業(yè)務(wù)同時也承擔著巨大的風險，究竟向哪里拓展是生死攸關(guān)的問題。當設(shè)計師努力使DSP處理

26、器每MIPS成本降到了適合于商用的低于10美元范圍時，DSP在軍事、工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用中不斷獲得成功。到1991年，TI推出價格可與16位微處理器不相上下的DSP芯片，首次實現(xiàn)批量單價低于5美元，但所能提供的性能卻是其5至10倍。到90年代，多家公司躋身DSP領(lǐng)域與TI進行市場競爭。TI首家提供可定制 DSP——cDSP，cDSP 基于內(nèi)核 DSP的設(shè)計可使DS</p><p>　　8. DSP未來發(fā)展</p&

27、gt;<p>　　數(shù)字信號處理器的內(nèi)核結(jié)構(gòu)進一步改善，多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重數(shù)據(jù)（SIMD）、特大指令字組（VLIM）將在新的高性能處理器中將占主導地位，如Analog Devices的 ADSP-2116x。</p><p>　　8.1 DSP 和微處理器的融合</p><p>　　微處理器是低成本的，主要執(zhí)行智能定向控制任務(wù)的通用處理器能很好執(zhí)行智能控制任務(wù)，但是數(shù)字信號

28、處理功能很差。而DSP的功能正好與之相反。在許多應(yīng)用中均需要同時具有智能控制和數(shù)字信號處理兩種功能，如數(shù)字蜂窩電話就需要監(jiān)測和聲音處理功能。因此，把DSP和微處理器結(jié)合起來，用單一芯片的處理器實現(xiàn)這兩種功能，將加速個人通信機、智能電話、無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的開發(fā)，同時簡化設(shè)計，減小PCB體積，降低功耗和整個系統(tǒng)的成本。例如，有多個處理器的Motorola公司的DSP5665x，有協(xié)處理器功能的Massan公司FILU-200，把MCU功能擴展成

29、DSP和MCU功能的TI公司的TMS320C27xx以及Hitachi公司的SH-DSP，都是DSP和MCU融合在一起的產(chǎn)品?；ヂ?lián)網(wǎng)和多媒體的應(yīng)用需要將進一步加速這一融合過程。</p><p>　　8.2 DSP 和高檔CPU的融合</p><p>　　大多數(shù)高檔GPP如Pentium 和PowerPC都是SIMD指令組的超標量結(jié)構(gòu)，速度很快。LSI Logic 公司的LSI401Z采用高

30、檔CPU的分支預(yù)示和動態(tài)緩沖技術(shù)，結(jié)構(gòu)規(guī)范，利于編程，不用擔心指令排隊，使得性能大幅度提高。Intel公司涉足數(shù)字信號處理器領(lǐng)域?qū)铀龠@種融合。</p><p>　　8.3 DSP 和SOC的融合</p><p>　　SOC(System-On-Chip）是指把一個系統(tǒng)集成在一塊芯片上。這個系統(tǒng)包括DSP 和系統(tǒng)接口軟件等。比如Virata公司購買了LSI Logic公司的ZSP400處

31、理器內(nèi)核使用許可證，將其與系統(tǒng)軟件如USB、10BASET、以太網(wǎng)、UART、GPIO、HDLC等一起集成在芯片上，應(yīng)用在xDSL上，得到了很好的經(jīng)濟效益。因此，SOC芯片近幾年銷售很好，由1998年的1.6億片猛增至1999年的3.45億片。1999年，約39%的SOC產(chǎn)品應(yīng)用于通訊系統(tǒng)。今后幾年，SOC將以每年31%的平均速度增長，到2004年將達到13億片。毋庸置疑，SOC將成為市場中越來越耀眼的明星。</p>&l

32、t;p>　　8.4 DSP 和FPGA的融合</p><p>　　FPGA是現(xiàn)場編程門陣列器件。它和DSP集成在一塊芯片上，可實現(xiàn)寬帶信號處理，大大提高信號處理速度。據(jù)報道，Xilinx公司的Virtex-II FPGA對快速傅立葉變換（FFT）的處理可提高30倍以上。它的芯片中有自由的FPGA可供編程。Xilinx公司開發(fā)出一種稱作Turbo卷積編譯碼器的高性能內(nèi)核。設(shè)計者可以在FPGA中集成一個或多個T