信號處理課件第14章數(shù)字信號處理的硬件實(shí)現(xiàn)

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1、第14章數(shù)字信號處理的硬件實(shí)現(xiàn)一、概述二、DSP的特點(diǎn)三、DSP的發(fā)展四、DSP的開發(fā)五、DSP的應(yīng)用一、概述DigitalSignalProcessing(DSP)：一門新的學(xué)科：研究信號分析與處理的理論和各種算法DigitalSignalProcessor(DSP)：數(shù)字信號處理器：將數(shù)字信號處理的理論用于實(shí)際。(教學(xué),科研,開發(fā)的前期)DSP軟件包MATLABSignalProcessingToolBoxCPU,MCU,DSP將信號處理的理論用于實(shí)際，即是“實(shí)現(xiàn)”：軟件實(shí)現(xiàn):硬件實(shí)現(xiàn):有可能“實(shí)時實(shí)現(xiàn)”：所謂“實(shí)時（R

2、eal-Time）實(shí)現(xiàn)”，是指一個實(shí)際的系統(tǒng)在人們聽覺，視覺或按任務(wù)要求所允許的時間范圍內(nèi)能及時地完成對輸入信號的處理并將其輸出。例如，我們每天使用的手機(jī)，將要普及的數(shù)字電視等，都是實(shí)時的數(shù)字信號處理系統(tǒng)。要想在極短的時間內(nèi)完成對信號的處理，一方面需要快速的算法、高效的編程，另一方面，則需要高性能的硬件支持。數(shù)字信號處理器（DSP）即是為實(shí)時實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理任務(wù)而特殊設(shè)計(jì)的高性能的一類CPU。嚴(yán)格地說，“實(shí)時實(shí)現(xiàn)”是指，一個系統(tǒng)在每一個抽樣間隔內(nèi)都能完成全部所需要的計(jì)算任務(wù)，即：ProcessingTimeWaitingTi

3、meSampleTimenn+1如果WaitingTime?0則認(rèn)為該系統(tǒng)可以實(shí)時實(shí)現(xiàn)。例如，階次的FIR濾波器，其輸入輸出關(guān)系是假定要處理的信號的抽樣頻率為200KHz，那么，該系統(tǒng)要在50內(nèi)，至少要完成100次乘法，99次加法，才談得上“實(shí)時實(shí)現(xiàn)”。CPU的類型：1.通用型CPU（GPP）；2.單片機(jī)（MCU）；3.DSP；4.嵌入式系統(tǒng)；5.ASIC；6.FPGA通用處理器（GPP）：8-bitApple（6502），NECPC-8000（Z80）8086/286/386/486/Pentium/PentiumII/P

4、entiumIIIPowerPc64-bitCPU（SUNSparc，DECAlpha,HP）事務(wù)密集型處理機(jī)制馮.諾依曼結(jié)構(gòu)：統(tǒng)一的程序和數(shù)據(jù)空間采取各種方法提高計(jì)算速度：單片機(jī)（MCU):控制密集型處理機(jī)制。4bit、8bit單片機(jī)多應(yīng)用于玩具、家電及工業(yè)控制；16bit單片機(jī)除控制功能外，還有較強(qiáng)的信息處理的能力。但實(shí)時處理較困難。INTELMCS/48/51/96（98）MOTOROLAHCS05/011數(shù)字信號處理器（DSP）：運(yùn)算密集型處理機(jī)制。最有可能實(shí)時實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)算的器件！二、數(shù)字信號處理器的特點(diǎn)1.哈佛結(jié)構(gòu)

5、，且是多總線結(jié)構(gòu)；HarvardArchitectureVon-NeumannArchitecture取指令和取數(shù)據(jù)分時進(jìn)行；取指令和取數(shù)據(jù)同時進(jìn)行；在DSP中，廣泛采取多總線制，以便同時讀取幾個數(shù)據(jù)，提高了運(yùn)算的速度，如C54芯片：UsingmultiplebusesC54的多總線結(jié)構(gòu)：3個數(shù)據(jù)總線(CB,DB,EB)1個程序總線(PB)4個地址總線(PAB,CAB,DAB,EAB)高級多總線結(jié)構(gòu)2.“流水線（pipeline）式”的指令執(zhí)行實(shí)際上，DSP中采用多級流水線結(jié)構(gòu)3.具有硬件乘法器是DSP最突出的特點(diǎn)，從而大大

6、提高了運(yùn)算速度。數(shù)字信號處理中最常用的運(yùn)算：乘法累加1011x11101011x1110HardwareMicrocode1001101000001011.1011..1011...10011010Cycle1Cycle2Cycle3Cycle4Cycle5例如，4－bit無符號數(shù)相乘：一步一步執(zhí)行一步執(zhí)行例如：C54中的硬件乘法器高性能的DSP提供了“并行（parallel）”工作的能力。所謂并行，是指多個DSP，或DSP內(nèi)部的多個單元同時在完成一個共同的任務(wù)；5.片上存儲器：(OnchipMemory);專用尋址單元：(

7、AddressingLogic)它們與ALU并行工作;所有這些設(shè)置，都是為了提高運(yùn)行速度；6.為方便數(shù)據(jù)的讀、寫及與片外設(shè)備的通信，DSP上一般都集成有DMA、串行通信口、定時器及中斷處理器等，具有和不同速度存儲器相連接的硬件和軟件的等待功能；7.高的時鐘速度，極快的運(yùn)算能力：MFLOPS：百萬次浮點(diǎn)操作/秒MOPS：百萬次操作/秒MIPS：百萬條指令/秒Others：MAC、InstructionCycleTimeTMS320C64系列的DSP最大時鐘速度可達(dá)600MHz，因此，時鐘周期僅為1.67ns,其運(yùn)算能力可達(dá)48

8、00MIPS；該系列特別適用于圖像處理、三維成像、多媒體及其它高速運(yùn)算的場合。TMS320C6201DSP時鐘：200MHz，運(yùn)算能力：1600MIPS。1024點(diǎn)的FFT，僅需要70us;部分DSP芯片上有片上的A/D及脈寬調(diào)制通道（PWM），這一類DSP除了有強(qiáng)的運(yùn)算能力外，還有著很好