实时数字信号处理技术 概述

本章内容 1. 实时系统的概念 2. 数字信号处理的概念 3. 数字信号处理器（DSPs） 4. 本课程的主要内容

实时系统的概念 实时系统：及时（timely） （1）定义：工作（任务）在一个时限(deadline)内完成 （2）是否必须在时限内？ 不一定。飞行器控制(Y),视频游戏(N) （3）超过时限的代价：放弃任务？ 飞行器，drop；视频会议，no drop。 （4）我们都需要工作在一个有限的时间内完成；所以，实时的要求是“绝对”的。

实时系统的概念 实时概念的重新定义： A real-time system includes embedded system that control 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.

实时系统的概念 实时概念的重新定义(续): These are called hard real-time systems. There is another category called(not surprisingly) soft 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.

实时系统的概念 实时概念的重新定义(续) : In general, a real-time system is one in which a substantial fraction of the design effort goes into making sure that deadlines are met.

实时系统的例子 a 100-tap FIR filter is performed in real-time if the DSP can perform and complete the following operation between two samples:

实时系统的例子 We can say that we have a real-time application if: Processing Time Waiting Time Sample Time n n+1 We can say that we have a real-time application if: Waiting Time  0

如何满足系统实时性要求 1. 提高处理速度 单CPU的处理能力： 主频，多处理单元 多核CPU处理：计算机体系结构 多CPU并行处理：计算机网络 2. 提高数据输入输出速度： ADC, DAC, CPU间高速IO技术 3. 实时任务调度： 实时操作系统(RTOS): 处理时间可预测，各任务尽量满足时限 DSPs的特点－面向实时系统应用

数字信号处理 信号处理的实质是对信号进行变换。 信号处理的目的是获取信号中包含的有用信息，并用更直观的方式进行表达。 数字信号处理就是用数字的方法对信号进行变换，以获取有用信息。 20世纪60年代，数字信号处理随着数字电子计算机的发展而发展起来的。 1975, 奥本海默《数字信号处理》 1999, 第二版

典型的数字信号处理算法 --乘法累加 The Sum of Products (SOP) is the key element in most DSP algorithms:

数字信号处理的应用 通信 72％ 计算机 12％ 军品 4％工业 3％仪器 2％消费类 2％办公自动化 2％

Why DSP? --数字信号处理的优势 可程控：修改方便 稳定性好： 可重复性好： 抗干扰性能好：0/1电平之间的容限大 实现自适应算法： 系统特性随输入信号的改变而改变 功耗小 系统开发快，价格低

DSP的缺点 --模拟信号处理的不可替代性 自然界的信号绝大多数是模拟信号 高频信号不能被数字化处理的原因 ADC不够快 The application can be too complex to be performed in real-time.

数字信号处理器的历史 DSP历史： 实时系统对数据处理的要求促进DSP的出现和发展； 70年代末，第一片DSP出现，Intel2920 ，然后是Upd7720 。 第一代DSP的标志是TMS32010，其它代表还有AMD2900、NEC7720。 80年代末，DSP开始高速发展，DSP器件内部使用流水线，并行指令和多核结构

Texas Instruments （德州仪器）公司 Agere,即Lucent Technologies（朗讯技术）公司 DSPs的四大厂商 Texas Instruments （德州仪器）公司 Agere,即Lucent Technologies（朗讯技术）公司 Analog Devies（模拟设备）公司 Motorola（摩托罗拉）公司 大约还有80家DSPs产商

世界DSPs的格局 Agere

DSPs的特点 大量的数据处理。带来多处理单元和多数据链路。 其CPU结构的特点一般有 1．运算能力强，在单指令周期类完成乘加运算。（靠并行实现） 2．采用哈佛结构和流水线技术。 3. 专用寻址单元：芯片具有满足数字信号算法特殊要求的寻址方式和硬件。 4．数据交换能力高。 5．多处理单元，支持并行处理指令等 6. 丰富的外设和大量的片内memory

冯.诺依曼结构和哈佛结构 程序/数据 存储器 CPU 冯.诺依曼结构 程序 存储器 CPU 数据 哈佛结构 数据密集型算法

硬件乘法器和乘法累加指令MAC 针对乘加运算，多数DSPs的乘法器和ALU都支持在一个周期内同时完成一次乘法和一次加法操作。

片内存储器

独立的IO总线和其控制器 ADSP SHARC 2106x

专用寻址单元 DSPs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。 8086作一次加法需要3个周期，但是计算一次地址却需要5~12个周期。 DSPs通常都有支持地址计算的算术单元——地址产生器。地址产生器与ALU并行工作，因此地址的计算不再额外占用CPU时间。 由于有些算法通常需要一次从存储器中取两个操作数，DSPs内的地址产生器一般也有两个。

流水线 流水线并行提高程序执行效率

DSPs的指标 IO数据率 处理能力：MIPS,MFLOPS 片内存储容量，cache 其它片上资源： 中断，DMA，timer，串口 IO接口：memory接口，总线接口

DSPs 的综合评价指标 BDTI (Berkeley Design Technology Inc.)提出一种使用核心算法和应用测试的方法. 核心算法是构成多数数字信号处理系统的基本模块, 包括：FFT，向量加，向量点积，滤波器，控制（转移、压栈、出栈、位操作）

如何选择DSP处理器 数据格式：定点/浮点 数据宽度：16bit/32bit 速度：MIPS, MFLOPS 存储器安排：一个MAC需要一个指令周期读一个指令字和2个数据字 开发配套工具的完善：CCS 多片互连能力：SHARC link口 功耗和电源管理：休眠/等待模式 成本

本课程内容 一. DSP技术概述 二. C6000 体系结构和汇编语言 三. TI DSP开发工具-CCS 四. C6000 C 运行时环境 五. 嵌入式实时系统软件开发与调试 六. C6000程序的优化 七. TI的实时操作系统：DSP/BIOS 八. C6000 DSPs系统的设计 九. C6000 DSPs板极设计