DSP芯片原理与应用.pptx

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1、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学时课堂讲解基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的发展趋势理解高速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语言基本的编程能力和软件概念微机原理（x86）计算机结构的基本概念（指令、寄存器、总线、中断等）数字信号

2、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TMS320 DM642DSP原理与应用实践，电子工业出版社TMS320 DM642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的特点的特点 DSP的芯片分类的芯片分类 Add your text in here Add your text in here概述 DSP的发展历程

3、的发展历程主要内容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从通用处理器中分离出来，成为一类独立的微处理器1987年，TI推出第一代DSP芯片TMS320C10u5 MIPS(Million Instructions Per Second)u4K RAMu3微米工艺u55000个晶体管u汇编语言电子信息时代

4、的历史变迁电子信息时代的历史变迁20 世纪世纪 60 年代年代21 世纪世纪21 世纪初世纪初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整体半导体市场大型机大型机晶体管晶体管小型计算机小型计算机TTL/逻辑逻辑个人电脑个人电脑微处理器微处理器通信与娱乐通信与娱乐 DSP+模拟模拟20 世纪世纪 70 年代年代20 世纪世纪 80 年代年代20 世纪世纪 90 年代年代推出单芯推出单芯片数字信片数字信号处理器号处理器推出推出 Speak Spell 器器件件发明首款发明首款手持计算手持计算器器首款商用晶首款商用晶体管与首款体管与首款商用晶体管商用晶体管收音机收

5、音机演示了数字投影演示了数字投影显示系统，显示系统，DLP 技术于技术于 1998 年年获得了艾美奖获得了艾美奖于于 2004 年宣布推年宣布推出首款单出首款单芯片手机芯片手机20 世纪世纪 50 年代年代20 世纪世纪 60 年代年代20 世纪世纪 70 年代年代20 世纪世纪 80 年代年代20 世纪世纪 90 年代年代21 世纪世纪21 世纪初世纪初Jack Kilby 发明集发明集成电路并获成电路并获 2000 年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖 推出了达推出了达芬奇技术芬奇技术数字化应用数字化应用从从:音乐播放到到:收音机相机摄像机15万台万台/年年DVC IP-7PanasonicSV-

6、AV30NV-GX7K50万台万台/年年Sony DSC P seriesKodak DX4330Canon DSC A200100万台万台/年年Philips eXpaniumArchos Jukebox Multimedia 20Lyra Jukebox RD2820100万台万台/年年Perstel DR201数字化应用数字化应用从从:到到:70万台万台/年年80万台万台/年年New AV-Receiver using320DA61010万台万台/年年40万台万台/年年录像机电视电影/音乐厅汽车实时信号处理实时信号处理实时信号处理实时信号处理DSP芯片的特点对DSP内核的传统认识：MAC

7、（乘加）指令，一周期内完成多总线结构（哈佛结构）快速寻址（专用寻址寄存器）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冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构程序程序计数数

8、器器（PC）CPUCPU存存存存储储器器器器程序（指令）程序（指令）程序（指令）程序（指令）数据数据数据数据地址地址地址地址数据数据数据数据哈佛结构哈佛结构程序程序计数数器器（PC）CPUCPU数据存数据存数据存数据存储储器器器器存存存存储储器器器器地址地址地址地址数据数据数据数据地址地址地址地址数据数据数据数据专用寻址单元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CatchVLI

9、W（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(Million Instruction Per Second)按公式 S=J/(Ti10-6)计算，其中Ti为指令周期（单位ns），J为每周

10、期并行指令数MOPS：百万次操作/秒(Million Operation Per Second)MFLOPS:百万次浮点操作/秒(Million Float Operation Per Second)MBPS：百万位/秒(Million Bit Per Second)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数字控制数字控制数字控制数字控制TMS320C5000消费、便携类消费、便携类消费、便携类消费、便携类TMS320C6000通信基站、通信基站、通信基站、通信基站、数字图像处理数字图像处理数字图像处理数字图像处理控制优化控制优化低功耗低功耗

11、高性能高性能v 硬盘硬盘&采暖、通风空调采暖、通风空调v 电机控制电机控制v 家用电器家用电器v 变频电源控制变频电源控制v 手机手机v 便携式电子产品便携式电子产品v 生物识别生物识别v 电信和电信和VoIPv 无线基站无线基站v 视频流、视频会议视频流、视频会议v 视频安防监控视频安防监控v 医疗成像医疗成像Optical NetworkingControl of laser diodeTV screenDeflection of electron beam for small angle and sharp corner TV screenAutomotive EPS(electric

12、power steering system)Battery operated precision for steeringPrinterPrint head controlPaper path motor controlDigital Power SupplyProvides control,sensing,PFC,and other functions“Segway”Many new coolApplication to comeTire PressureLow cost pressure sensing based on tire rotation speed measurementC20

13、00系列系列DSPC2000系列系列DSPF2812/11/10内部结构内部结构Memory Bus 128Kw Flash+2Kw OTP4Kw Boot ROM18Kw RAMCode securityXINTF32-bitRegister FileReal-TimeJTAG32-bitTimers(3)150 MIPs C28xTM 32-bit DSP32x32-bitMultiplierR M WAtomicALU Interrupt ManagementEvent Mgr AEvent Mgr B12-Bit ADCWatchdogGPIOMcBSPCAN 2.0BSCI-UART

14、 ASCI-UART BSPIPeripheral Bus从片内从片内RAM 和和Flash 存储器上快速执行程序存储器上快速执行程序l100-120 MIPS（采用Flash加速技术）l150 MIPS（关键的代码在片上RAM中执行）存储器子系统存储器子系统事件管理器事件管理器超高速超高速12-位位ADCl12.5 MSPS采样率l双采样保持器，可以同时采样l自动通道排序器，无需CPU干预最多1次转换16通道控制口控制口多个标准通信口，简化与其他器件的接口多个标准通信口，简化与其他器件的接口Communications Portsl150MIPS（每秒执行1.5亿条指令）l单周期完成一条32

15、x32-位MAC(或2条16x16-位MAC)l极快的中断响应l单周期完成读-修改-写操作l与F24x/LF240 x源代码兼容高性能高性能 CPU(C28xTM内核内核)C5000系列系列DSP的应用的应用TI DSPs in 60%of all digital cell phonesTI DSPs chosen by 8 of top 10 internet consumer electronic manufacturersTI DSPs chosen by 7 of top 8 digital still camera manufacturersTI DSPs in 80%of IP p

16、hone designsTI has 80%of VoIP Gateway marketTI DSPs used in 8 of the top 10 wireless infrastructuresTMS320C5000Internal and externaltransfersSix channel DMA32KW DARAM 16KW ROMOn-Chip Memory176 TQFP 24x24mm 176*BGA 15x15mmPackageMaximum GPIO to meet system needs100MBps/50MBpsNo software overheadHardw

17、are UARTGlueless interfaceI2C InterfaceAllows inexpensive memory off chip16 KByte I-Cache3 Multi-channel Buffered Serial Ports128 Channels 100Mbps eachLow cost SDRAM&SBRAM,Asyn RAM support400 MBps bandwidth32-bit External Memory Interface(EMIF)C55xTM DSP CoreI-CacheAdvanced Power MgmtInstruction Buf

18、fer UnitIdleDomainRegisterBarrel Shifter40-bit ALUAdvancedEmulationTMS320C5502 200 MHz32 bit-EMIFDual MacAccumulatorsRegistersAddressUnitsPeripheralsClockGeneratorGPIO6 channelDMA3 McBSPsEnhancedHPIH/WUARTPeripherals BusI2CInterface2 Timers16-bitALUWatchdogProgram 32 bitsProgram 32 bits16 KW ROMData

19、 Read(3-16 bit)Data Write(2-16 bit)32 KW DARAM76 GPIO,8 Dedicated16-bit/8-bit Enhanced Host Port InterfaceC5000系列系列DSPC5502内部结构：极好的性能价格比内部结构：极好的性能价格比400MIPS,500MBps I/O,90mW,$9.95 in 10Ku DSL Modem Modem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宽带通信无线无线3G基站基站医疗成像医疗

20、成像C6000系列系列DSP应用领域应用领域TI C6000系列系列DSPTMS320DM642（数字媒体应用（数字媒体应用）内部结构）内部结构 C64xTM 32-位定点位定点DSP l4800MIPS(600MHz)l16KB L1P、16KB L1D、256KB L2 IIC总线总线 McASP：最多：最多16个立体声通道个立体声通道l32-位、66MHz、3.3Vl支持主从模式，符合PCI 2.2规范 PCI总线总线 10/100M以太网接口：以太网接口：EMAC+MDIOC64xTM DSP Core数据通路数据通路 1数据通路数据通路 2M2D2S2 L2寄存器堆寄存器堆 A寄存器

21、堆寄存器堆 B指令译码指令译码指令调度指令调度取指取指控制寄存器控制寄存器中中断断控控制制在线仿真在线仿真S1L1M1 D1定时器定时器 2定时器定时器 0定时器定时器 1TMS320DM642 DSPJTAGRTDXPLL节电逻辑L1D：数据：数据Cache2 维组关联型维组关联型Cache（16K字节）字节）L1P：程序：程序Cache直接映射型直接映射型Cache（16K字节）字节）L2 Cache/存存储储器器256K字字节节SRAM增增强强型型DMA控控制制器器64 通通道道EDMAEMIFA 64GPIO 16IICPCI-66或或HPI 32HPI16+EMAC/MDIO或或1个

22、个10-位位VP0和McBSP0或或McASP1个个20-位位VP0或2个个10-位位VP0或1个个10-位位VP1和McBSP1或或McASP1个个20-位位VP1或2个个10-位位VP1或2个个10-位位VP21个个20-位位VP2 3个双通道视频口个双通道视频口l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l具有视频滤波、水平缩放功能l可直接与视频器件无缝连接l支持BT656、数字TV格式（SDTV 和HDTV）、原始视频I/Ol每个视频口可支持8/10/16/20-位什么是什么是DaVinciDAVINCI技术是技术是TI推出的新一代视频、图像、语音和音推出的新一代视频、图像

23、、语音和音频解决方案的统称频解决方案的统称硬件上：采用硬件上：采用SOC技术，集成技术，集成TI的高性能的高性能DSP64X+内内核和高端的核和高端的ARM内核内核ARM：提供丰富的外设接口：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：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（基于软件上：提供了很多优化的多媒体编解码引擎（基于DSP/BIOS和和XDAIS），），API和应用程序框架（基于和应用程序框架（基于LINUX）便捷的集成开发环境）便捷的集成开发环境 TI的的Davinci处理器：处理器：TMS320DM64x、DM6

24、43x、DM644x、DM646x、DM3xxDaVinci技术面临的主要挑战和创新技术面临的主要挑战和创新 数字视频面临的挑战数字视频面临的挑战数字视频面临的挑战数字视频面临的挑战智能智能智能智能视频视频系系系系统统行行行行业业市市市市场预计场预计到到到到20112011年将超年将超年将超年将超过过9090亿亿美元，大幅度美元，大幅度美元，大幅度美元，大幅度增增增增长长主要主要主要主要归归功于市功于市功于市功于市场场对对安全需要不断上升，安全需要不断上升，安全需要不断上升，安全需要不断上升，以及技以及技以及技以及技术创术创新的不断新的不断新的不断新的不断发发展，特展，特展，特展，特别别是数字

25、化、是数字化、是数字化、是数字化、全面网全面网全面网全面网络络化的化的化的化的视频视频系系系系统统出出出出现现2006年，全球我年，全球我难过了了视频监控控产品增品增长迅猛，增迅猛，增幅达幅达41.9%，预计到到2010年市年市值超超过26亿美元美元视频监控与食品服务器市场增长迅速视频监控与食品服务器市场增长迅速监控控摄像像头芯片市芯片市场到到2011年达到年达到12.5亿美金，是美金，是2006年年5.25亿美金的美金的2倍多倍多视频市市场在今后五年内将翻在今后五年内将翻5倍倍TI DaVinci系列uH.264 BP D1 编码 u同时 H.264 BP CIF 编码 专用视频处理子系统

26、u后端集成 OSD，四个视频 DAC，24 位数字 RGB 输出=DM6446u前端图像缩放工具、影像处理引擎、16 位数字输入 Video Processing Subsystem视频处理子系统视频处理子系统外设外设后端后端ARM 子系统子系统DSP 子系统子系统视频影像协处理器(VICP)前端前端CCD 控制器控制器视频接口视频接口图像缩放工具图像缩放工具Histogram/3A预览预览屏幕菜单式屏幕菜单式调节调节(OSD)10b DAC10b DAC10b DAC10b DACEDMAATA/Compact FlashAsync EMIF/NAND/SmartMediaMMC/SDWat

27、chdogTimerPWMPWMPWMGeneral-PurposeTimerDDR2Controller(16b/32b)USB2.0PHYVLYNQEMACWithMDIO连接性连接性程序程序/数据存储数据存储SPIUARTUARTUARTI2CAudioSerialPort串行接口串行接口系统系统DM6443ARM926EJ-S 300 MHz CPUC64x+TM DSP 600 MHz Core资源交换中心资源交换中心(SCR)视频视频编码器编码器(VENC)/6针对视频进行优化的 TMS320C64x+DSP 600MHz uH.264 MPL3，30fps SD 解码 uVC1/WMV9 Full D1 SD 解码 uMPEG-2 MPML SD 解码 uMPEG-4 ASP Full D1 SD 解码 从从DM642向向DM648过渡过渡代代码可兼容可兼容THANK YOU!