1、實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù) 概述田黎育本章內(nèi)容1. 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的概念2. 數(shù)字信號(hào)處理的概念3. 數(shù)字信號(hào)處理器（DSPs）4. 本課程的主要內(nèi)容實(shí)時(shí)系統(tǒng)的概念實(shí)時(shí)系統(tǒng)：及時(shí)（timely）（1）定義：工作（任務(wù)）在一個(gè)時(shí)限(deadline)內(nèi)完成（2）是否必須在時(shí)限內(nèi)？ 不一定。飛行器控制(Y),視頻游戲(N)（3）超過時(shí)限的代價(jià)：放棄任務(wù)？ 飛行器，drop；視頻會(huì)議，no drop。（4）我們都需要工作在一個(gè)有限的時(shí)間內(nèi)完成；所以，實(shí)時(shí)的要求是“絕對”的。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的概念實(shí)時(shí)概念的重新定義：A real-time system includes embedded system that cont

2、rol things like aircraft, nuclear reactor, chemical power plants, jet engines, and other objects where Something Very Bad will happen if the computer does not deliver its output in time. 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的概念實(shí)時(shí)概念的重新定義(續(xù)):These are called hard real-time systems. There is another category called(not surprisingly) s

3、oft real-time systems, which are systems such as multimedia, where nothing catastrophic happens if some deadline are missed, but where the performance will be degraded below what is generally considered acceptable. 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的概念實(shí)時(shí)概念的重新定義(續(xù)) :In general, a real-time system is one in which a substantial fra

4、ction of the design effort goes into making sure that deadlines are met. 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的例子a 100-tap FIR filter is performed in real-time if the DSP can perform and complete the following operation between two samples:實(shí)時(shí)系統(tǒng)的例子We can say that we have a real-time application if: Waiting Time 0Processing TimeWaiti

5、ng TimeSample Timenn+1如何滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求1. 提高處理速度單CPU的處理能力：主頻，多處理單元多核CPU處理：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)多CPU并行處理：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)2. 提高數(shù)據(jù)輸入輸出速度：ADC, DAC, CPU間高速IO技術(shù)3. 實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS): 處理時(shí)間可預(yù)測，各任務(wù)盡量滿足時(shí)限D(zhuǎn)SPs的特點(diǎn)面向?qū)崟r(shí)系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理信號(hào)處理的實(shí)質(zhì)是對信號(hào)進(jìn)行變換。信號(hào)處理的目的是獲取信號(hào)中包含的有用信息，并用更直觀的方式進(jìn)行表達(dá)。數(shù)字信號(hào)處理就是用數(shù)字的方法對信號(hào)進(jìn)行變換，以獲取有用信息。 20世紀(jì)60年代，數(shù)字信號(hào)處理隨著數(shù)字電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展起來的。

6、1975, 奧本海默數(shù)字信號(hào)處理1999, 第二版典型的數(shù)字信號(hào)處理算法-乘法累加The Sum of Products (SOP) is the key element in most DSP algorithms:數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用通信 72 計(jì)算機(jī) 12 軍品 4工業(yè) 3儀器 2消費(fèi)類 2辦公自動(dòng)化 2Why DSP?-數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)勢可程控：修改方便穩(wěn)定性好：可重復(fù)性好：抗干擾性能好：0/1電平之間的容限大實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)算法：系統(tǒng)特性隨輸入信號(hào)的改變而改變功耗小系統(tǒng)開發(fā)快，價(jià)格低DSP的缺點(diǎn) -模擬信號(hào)處理的不可替代性自然界的信號(hào)絕大多數(shù)是模擬信號(hào)高頻信號(hào)不能被數(shù)字化處理的原因ADC不夠

7、快The application can be too complex to be performed in real-time.數(shù)字信號(hào)處理器的歷史DSP歷史：實(shí)時(shí)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理的要求促進(jìn)DSP的出現(xiàn)和發(fā)展；70年代末，第一片DSP出現(xiàn)，Intel2920 ，然后是Upd7720 。第一代DSP的標(biāo)志是TMS32010，其它代表還有AMD2900、NEC7720。80年代末，DSP開始高速發(fā)展，DSP器件內(nèi)部使用流水線，并行指令和多核結(jié)構(gòu) DSPs的四大廠商Texas Instruments （德州儀器）公司Agere,即Lucent Technologies（朗訊技術(shù)）公司Analog D

8、evies（模擬設(shè)備）公司Motorola（摩托羅拉）公司大約還有80家DSPs產(chǎn)商 世界DSPs的格局AgereDSPs的特點(diǎn)大量的數(shù)據(jù)處理。帶來多處理單元和多數(shù)據(jù)鏈路。其CPU結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)一般有1運(yùn)算能力強(qiáng)，在單指令周期類完成乘加運(yùn)算。（靠并行實(shí)現(xiàn)）2采用哈佛結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)。3. 專用尋址單元：芯片具有滿足數(shù)字信號(hào)算法特殊要求的尋址方式和硬件。4數(shù)據(jù)交換能力高。5多處理單元，支持并行處理指令等6. 豐富的外設(shè)和大量的片內(nèi)memory馮.諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)程序存儲(chǔ)器CPU數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器CPU馮.諾依曼結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)密集型算法硬件乘法器和乘法累加指令MAC針對乘加運(yùn)算，多數(shù)DS

9、Ps的乘法器和ALU都支持在一個(gè)周期內(nèi)同時(shí)完成一次乘法和一次加法操作。 片內(nèi)存儲(chǔ)器獨(dú)立的IO總線和其控制器ADSP SHARC 2106x專用尋址單元DSPs面向的是數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用，伴隨著頻繁的數(shù)據(jù)訪問，數(shù)據(jù)地址的計(jì)算時(shí)間也線性增長。 8086作一次加法需要3個(gè)周期，但是計(jì)算一次地址卻需要512個(gè)周期。 DSPs通常都有支持地址計(jì)算的算術(shù)單元地址產(chǎn)生器。地址產(chǎn)生器與ALU并行工作，因此地址的計(jì)算不再額外占用CPU時(shí)間。 由于有些算法通常需要一次從存儲(chǔ)器中取兩個(gè)操作數(shù)，DSPs內(nèi)的地址產(chǎn)生器一般也有兩個(gè)。 流水線流水線并行提高程序執(zhí)行效率DSPs的指標(biāo)IO數(shù)據(jù)率處理能力：MIPS,MFLOPS片

10、內(nèi)存儲(chǔ)容量，cache其它片上資源：中斷，DMA，timer，串口IO接口：memory接口，總線接口DSPs 的綜合評價(jià)指標(biāo)BDTI (Berkeley Design Technology Inc.)提出一種使用核心算法和應(yīng)用測試的方法. 核心算法是構(gòu)成多數(shù)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的基本模塊, 包括：FFT，向量加，向量點(diǎn)積，濾波器，控制（轉(zhuǎn)移、壓棧、出棧、位操作）如何選擇DSP處理器數(shù)據(jù)格式：定點(diǎn)/浮點(diǎn)數(shù)據(jù)寬度：16bit/32bit速度：MIPS, MFLOPS存儲(chǔ)器安排：一個(gè)MAC需要一個(gè)指令周期讀一個(gè)指令字和2個(gè)數(shù)據(jù)字開發(fā)配套工具的完善：CCS多片互連能力：SHARC link口功耗和電源管理