DSP的实现II硬件实现

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第九章数字信号处理的实现 点此编辑标题内容VisualIdentificationSystem1概述2DSP简介3DSP的开发4DSP的应用DigitalSignalProcessor 9.1概述数字信号处理的实现方法：通用可编程数字信号处理器件（DSPs）实现专用DSP芯片实现在通用计算机上用软件实现；通用单片机（MCU）实现； 通用处理器（GPP）：8-bitApple（6502），NECPC-8000（Z80）8086/286/386/486/Pentium/PentiumII/PentiumIIIPowerPc64-bitCPU（SUNSparc，DECAlpha,HP）事务密集型处理机制高时钟频率、高速总线等冯.诺依曼结构：统一的程序和数据空间采取各种方法提高计算速度： 控制密集型处理机制单片机（MCU):INTELMCS/48/51/96（98）MOTOROLAHCS05/0114bit、8bit单片机多应用于玩具、家电及工业控制；16bit单片机除控制功能外，还有较强的信息处理的能力。但实时处理较困难。例如：电脑洗衣机，倒车雷达（富士通） 硬件电路设计 CPU用于产生驱动超声波传感器发射的控制信号、检测回波信号、测量超声波往返时间、计算汽车与障碍物之间的距离、显示测量距离以及驱动蜂鸣器报警。为了测量汽车尾部与障碍物之间的最小距离，必须在汽车尾部安装多个超声波传感器（本方案安装4个），测量时巡回检测各个探头与障碍物之间的距离，以各距离的最小值作为最终测量距离。为了提高测量距离，必须利用功率放大电路为超声波传感器提供足够的能量。由于超声波在空气中传输会有一定的能量损耗，而且发射出去的超声波只有一小部分能够反射回来并被超声波传感器所接收，超声波传感器接收到的信号极其微弱，而且形状不规则。为了便于CPU对信号的识别，在信号进入CPU之前必须对其进行放大、整形。硬件电路设计 测量板实物 显示板实物 数字信号处理器（DSP）：最有可能实时实现复杂运算的器件！运算密集型处理机制 9.2DSP简介1.哈佛结构，且是多总线结构；VenNeumannHarvard 2.“流水线（pipeline）式”的指令执行； 3.独立的乘法器和加法器,保证在一个时钟周期内可同时完成相乘和累加两个运算；数字信号处理中最常用的运算：乘法累加一条指令完成 4.高性能的DSP提供了“并行（parallel）”工作的能力。所谓并行，是指多个DSP，或DSP内部的多个单元同时在完成一个共同的任务；5.片上存储器：(OnchipMemory);专用寻址单元：(AddressingLogic)与ALU并行工作;所有这些设置，都是为了提高运行速度； 7.高的时钟速度，极快的运算能力；MIPS：百万条指令/秒6.为方便数据的读、写及与片外设备的通信，DSP上一般都集成有DMA、串行通信口、定时器及中断处理器等，具有和不同速度存储器相连接的硬件和软件的等待功能； TMS320C64系列的DSP最大时钟速度可达600MHz，因此，时钟周期仅为1.67ns,其运算能力可达4800MIPS；TMS320C6201DSP时钟：200MHz，运算能力：1600MIPS。1024点的FFT，尽需要70us;该系列特别适用于图像处理、三维成像、多媒体及其它高速运算的场合。 8.部分DSP芯片上有片上的A/D及脉宽调制通道（PWM），这一类DSP除了有强的运算能力外，还有着很好的控制能力；总之，先进周密的硬件设计、方便完整的指令系统、配套的开发工具以及高速、实时信号处理市场的巨大需要，从而使DSP微处理器在飞速发展的计算机领域中异军突起。目前，数字信号处理器的硬件、软件及第三方（ThirdParty)的相关产品，已形成一个巨大的产业。 TexasInstruments:TMS320C2000TMS320C5000TMS320C6000TMS320C3000AnalogDevices:ADSP-21xxTigerSharcDSPSHARCDSPMotorola:DSP560xxDSP563xxDSP566xxDSP568xxDSP-16XXDSP-16XXXLucent: 实验项目：DSP技术与应用、EDA课程设计、微机综合设计、毕业设计、学科竞赛培训等。 TI当前三大主流DSP产品： 名称时钟(MHz)RAM(字)Flash(字)PWM通道数12-bitA/D通道数定时器串行口核电压(伏)IO电压(伏)F281015018K64K16163CAN,McBSP,SPI,2SCIs1.83.3F281215018K128K16163CAN,McBSP,SPI,2SCIs1.83.3TMS320C28X系列性能一览表McBSP：多通道缓冲串行接口，SPI：串行外设接口，SCI：串行通信接口 名称时钟(MHz)MIPSRAM(字)ROM(字)DMA（Chan）定时器串行口核电压(伏)I/O电压(伏)LC541-6666665K28K123.33.3LC542-50505010K2K123.33.3LC543-50505010K2K123.33.3LC545A-6666666K48K123.33.3LC546A-6666666K48K123.33.3LC549-80808032K16K133.33.3UC5409-80808032K16K6/Ext131.81.8-3.6VC5401-5050508K4K6/Int221.83.3VC5402-10010010016K4K6/Int221.83.3VC5409A-16016016032K16K6/Ext131.63.3VC5416-160160160128K16K6/Ext131.63.3VC5420-200100200192KN/A12/Int261.83.3VC5421-200100200256K4K12/Ext261.83.3VC5441-532133532640K24-Chan4121.53.3TMS320C54X系列性能一览表 名称时钟(MHz)MIPSRAM(字)ROM(字)DMA（Chan）定时器串行口HPI核电压(伏)I/O电压(伏)VC5502-20020040032K16K6-ChInt/Ext33McBSPs,I2C,UARTUHPI(16/8)1.53.3VC5509-200200400128K32K6-ChInt/Ext23McBSPs,I2C,MS,MMC/SDEHPI(16)1.52.5-3.6VC5510-160160320160K16K6-ChInt/Ext23McBSPsEHPI(16)1.63.3VC5510-200200400160K16K6-ChInt/Ext23McBSPsEHPI(16)1.63.3TMS320C55X系列部分产品性能一览表 名称周期(ns)数据/程序贮量(bits)DMA外部存储接口HostPort/Exp.Bus/PCI核电压(伏)C6201-2005512K/512K4(1)32-bitHPI16-bit1.8C6202-25041M/2M4(1)32-bitExp.Bus32-bit1.8C6203-3003.334M/3M4(1)32-bitExp.Bus32-bit1.5C6204-2005512K/512K4(1)32-bitExp.Bus32-bit1.5C6205-2005512K/512K4(1)32-bitPCI32-bit1.5C6211-1506.732KbL1DDataCache;32KbL1PProgramCache;512KbL2Cache16(EDMA)(1)32-bitHPI16-bit1.8TMS320C62X系列性能一览表 名称周期(ns)数据/程序贮量(bits)DMA外部存储接口HostPort/Exp.Bus/PCI核电压(伏)C6701-1676512K/512K4(1)32-bit(1)16-bitHPI1.9C6711B-1506.732KbitsL1DDataCache;32KbitsL1PProgramCache;512KbitsL2Cache16(EDMA)(1)32-bit(1)16-bitHPI1.8C6712-1001032KbitsL1DDataCache;32KbitsL1PProgramCache;512KbitsL2Cache16(EDMA)(1)16-bitN/A1.8TMS320C67X系列性能一览表 名称周期(ns)数据/程序贮量(bits)DMA外部存储接口HostPort/Exp.Bus/PCI定时器核电压(伏)I/O电压(伏)C6414-6001.67128KbL1DDataCache;128KbL1PProgramCache;8MbL2Cache64-ch(1)16-bit,(1)64-bit(1)32/16-bitHPI(3)32-bit1.43.3C6415-6001.67128KbL1DDataCache;128KbL1PProgramCache;8MbL2Cache64-ch(1)16-bit,(1)64-bit(1)32/16-bitHPI(1)32-bitPCI(3)32-bit1.43.3C6416-6001.67128KbL1DDataCache;128KbL1PProgramCache;8MbL2Cache64-ch(1)16-bit,(1)64-bit(1)32/16-bitHPI,(1)32-bitPCI(3)32-bit1.43.3TMS320C64X系列性能一览表 C28X系列DSP 1．C28X系列是32bit定点DSP；2．时钟可达150MHz，运算能力也可高达400MIPS；3．片上RAM最大可达18K字，FLASH最大可达128K字；C28X的特点： 4.片上集成的A/D转换器是12bit,为16通道，脉宽调制器也均为16通道；5.片上有加法器、乘法器、各种寄存器，除了通用的定时器外，还有监视定时器，并具有JTAG仿真接口；C28X被广泛应用于电机的调速控制、不间断电源（UPS）、电源逆变、机器人控制等。电机的变频调速已广泛应用于各类家用电器及其它工业产品，因此，C2000系列的DSP被定位于量大面广的工业产品。 2006TI中国DSP设计大赛获奖作品基于TMS320F2812的内燃机调速控制系统 10KW井地电位监测系统10KW发射机接收机上位机 曲阜圣阳电源智能无功补偿柜现场运行电力系统有源滤波器课题组在十几个工矿企业进行过类似整改项目，攀钢，首钢，云南，骆驼蓄电池，×××舰，以满足功率因数的要求。 C54的特点：C54X采用多总线结构。内部共有8组总线，1组为程序总线，3组数据总线，4组为地址总线。PB：程序总线，连接程序存储器；PAB：程序地址总线；CB、DB、EB：三组数据总线，连接到，CPU、数据存储器等。CB和DB传送从数据存储器读出的数，EB传送写入到数据存储器的数；PCB、PDB、PEB:三组数据总线对应的地址总线。C54X利用两个辅助寄存器单元（ARAU0,ARAU1）在单个周期内产生两个数据存储器的地址。 C55X系列是和C64X系列在2000年初同时推出的最新DSP产品。C55也是16bit的定点DSP，在软件上也和C54兼容。C55的最大特点是在提高DSP能力的同时进一步降低功耗。C55的功耗可低至0.05mW/MIPS,该系列第一个产品C5510的时钟为160MHz，运算能力为320MIPS，功耗约为80mW,比当时具有同样运算能力的DSP的功耗降低了一半。尽管其内核的供电也和C5402那样为1.8V，I/O口为3.3V，但C55在设计上采取了一系列措施。其中最主要的是其先进的自动电源管理技术。该芯片的CPU对所有的外围设备、存储器阵列、CPU的各个单元进行连续的监视，暂时不工作的部分则停止对其供电。 TI公司将其C5000系列DSP定位于通信领域的应用，特别是便携式通信工具的应用。C5402，特别是C55X的推出，对于手机、寻呼机、数字相机、个人数字助理（PDA）是非常合适的。随着生物医学工程学科的发展，DSP也正在大步跨入医疗仪器行业。高性能、便携式医疗仪器将是C5000系列的用武之地。 C6X的特点：C62X和C67X于1997年推出，C64和C55系列于2000年推出。C6000系列使用了一种全新的结构－VelociTI结构。VelociTI结构是一种高效的、先进的VLIW（very-long-instruction-word）结构，能够方便的应用于多通道、多功能的系统中。1.C62X是32bit定点DSP，支持8/16/32位数据运算；C67X是32bit浮点DSP，但它具有单精度（32位）和双精度（64位）IEEE浮点操作的硬件支持； 2.C6000的核心具有2组、共8个功能单元。由于C6000系列DSP的指令集都是基于寄存器操作的，因此核心中提供了2个独立的寄存器文件（RegisterFile）A和B，每个寄存器文件都包含有16个32位的寄存器，每个寄存器文件都有一条独立的数据总线与数据存储器相连接，因此都能独立地从寄存器文件读取/存储数据。正是这种结构使得该系列的DSP可以实现8个功能单元的并行工作，从而能在单指令周期内同时执行8条指令。 3.由于C62X每个周期可执行8条32位的并行指令，因此，在200MHz时钟频率时，其运算能力可达1600MIPS。在这种速度下，完成1024点的FFT，只需要60多微秒；对C67X，在166MHz时钟频率时，对单精度（32bit）运算，其运算能力为1000MFLOS(每秒百万次浮点运算)，对双精度运算（64bit）；运算速度为250MFLOPS；内部主要结构： 1．两个16位乘法器，六个32/40bit的ALU，32个32位的寄存器；2.32位,4G的寻址空间。支持8、16和32位数据；3.1Mbits的片上内存;对C6203，数据程序RAM达4Mbit,4.5路直接数据存储（DMA)5.C67X支持16×16、32×32位的乘法操作，分别得到32位或64位结果。6.采用0.18um工艺，采用352脚的BGA（BallGridArray）封装； TMS320C64X是TI公司最高性能的DSP，目前已推出及正在计划推出的有C6414、C6415和C6416三个系列，每个系列的时钟频率又有400M、500和600MHz三种,运算能力分别可达3200/4000/4800MIPS,比C62X系列又提高了近十倍，但是功耗仅是C62X的1/3，但是在软件上和C62X系列完全兼容。C6000系列DSP可广泛应用于超高速、大容量实时信号处理的场合，如现代通信系统中的中心交换机、高速调制解调器、无线基站、多功能无线个人数字助理（PDA），高速图象处理、压缩及三维图象处理，高速智能网络等。 开发步骤：算法研究与仿真（MATLAB,C,汇编）；DSP选型及外围芯片；系统硬件设计、仿真；系统软件开发；系统软件加载、调试。9.3DSP的开发 随着DSP芯片性能的提升，运行在每一颗DSP芯片上的软件也变得越来越复杂。现在，软件系统的开发与调试工作会占据整个系统开发大约80%的工作量，远远超过了硬件系统设计与开发所耗费的时间。在这种情况下，软件开发工具的重要性就凸现出来。选择一个优秀的软件开发工具将大大加快整个开发的进度。DSP软件开发及工具 集成开发环境CCS：高度集成的软件开发和调试环境，它将DSP源代码的编辑、目标代码的生成、调试和分析都打包在一个环境中提供给用户，基本涵盖了DSP软件开发的每一个环节。包括：1．代码生成工具（C、汇编的编译、连接）2．指令集仿真器（Simulator）3．实时的基础软件（DSP/BIOS）；4．主机和目标机之间的实时数据交换；5．实时分析和数据可视化 CCS工作界面 DSP硬件系统集成与开发所谓“系统集成”是指设计者根据实际任务的需要，设计出一个以DSP为核心的目标系统（或目标板），在该系统上集成了必需的元器件，如时钟、扩展RAM及ROM、通信口、A/D及D/A，如果该系统要完成的功能比较复杂，那么还会集成更多的元器件，如多DSP、控制逻辑器件等。可以设想，要成功地设计出这么一个系统，作为设计者应该： 1.掌握所用DSP的原理，了解其片上资源；2．学会使用该DSP：程序”Load”，程序运行（地址分配，设置中断等），使用CCS,结果的“显示”，。3.学会扩展外部设备，如RAM、ROM等；4.对所用DSP及配置的外部器件进行评估，看其能否实时实现预计的任务；5.设计目标系统的PCB板，对该目标系统进行全面的调试。需要功能强大的调试工具，将目标板和PC机连接起来，以实现系统的全面调试和最后将程序代码写入DSP的EPROM中。 DSPStarterKits 电信应用要求操作各种各样的数据、语音、电话和连接功能的处理能力。基于DSP的远程数据收集、因特网连接、电话协处理以及语音频带处理、客户端电话应用等。9.4DSP典型应用电信 应用市场终端市场DSP平台电信基础设备TMS320C54xDSP电信基础设备TMS320C64xDSP电信客户端无线TMS320C55xDSP电信客户端无线OMAP处理器 应用市场数字音频高性能TMS320C55x™DSP数字音频高性能TMS320C67x™DSP数字音频个人音频TMS320C54x™DSP数字音频个人音频TMS320C55x™DSP数字音频个人音频OMAP™处理器数字音频便携式音频TMS320C54x™DSP数字音频便携式音频TMS320C55x™DSP数字音频便携式音频OMAP™处理器终端市场DSP平台数字音频 数字视频DVDPlayerDVD数码相机数字摄像机便携式媒体播放器(PMP)数字机顶盒流媒体监视IP视频节点基于IP的视频会议终端应用市场终端市场DSP平台视频和影像基础设备TMS320C64x™DSP视频和影像基础设备TMS320DM64x™DSP视频和影像客户端TMS320C55x™DSP视频和影像客户端TMS320DM64x™DSP视频和影像便携式TMS320C55x™DSP视频和影像便携式OMAP™Processors 医疗仪器耳背式耳道式耳内式完全耳内式心电Holter DSP的应用——生物特征识别技术基于生物特征的身份鉴别技术是利用人本身所拥有的生物特征来判别人的身份。常用的生物特征包括指纹、掌纹、虹膜、脸像、声音等。这些生物特征具有“人各有异、终生不变、随身携带”三个特点 虹膜识别系统示意图 B:BILLION http://www.ti.comhttp://www.ti.com.cn有关DSP的详细内容，请访问： 答疑：5月6日周二下午2:00~5:00考试：开卷5月6日周三上午7:45~9:453教－504