DSP技术期末报告

DSP技术期末报告班级：姓名：学号：成绩：日期：DSP技术期末报告摘要本文主要内容包括，结合DSP芯片的多总线结构论述DSP的流水执行机制，介绍了DSP技术在不同领域的应用并且与其他的一些技术手段对比分析了其优势劣势。一、结合DSP芯片的多总线结构论述DSP的流水执行机制数字信号处理器DSP(DigitalSignalProcessing)是一种运算密集型处理器，采用哈佛结构设计，即数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在不同的空间，允许取指令和执行指令完全重叠。而且，DSP芯片内部嵌有硬件乘法器、累加器等功能单元，采用流水线结构，具有良好的并行特性。然而，在DSP算法中存在大量的循环操作，要提高系统的并行性，就必须发掘循环中各循环体之间的指令级并行性(InstructionLevelParallelism，简称ILP)。目前，在这方面己经提出的技术有循环展开和软件流水等。其中，循环展开是通过多次复制循环体和调整循环中止代码，从而优化ILP和增大指令调度的作用范围。这种方法有两个缺点：(1)指令调度不能越过新的循环体，在产生的代码中就会有过多的注满与清空流水线的部分，效率不高；(2)展开次数不易确定，太少并行度不够，太多会导致代码长度过大。而软件流水则避免了这些问题。[1]（1）DSP内部采用了多总线结构，这样可以保证在一个机器周期内多次访问程序空间和数据空间。在TMS320C54x内部有P、C、D、E四种16位总线，每种总线又包括地址总线和数据总线，可以在一个机器周期内从程序存储器取1条指令、从数据存储器读2个操作数或向数据存储器写1个操作数。⑴程序总线PB，1条程序总线用于传送取自程序存储器的指令代码和立即操作数。⑵数据总线CB、DB和EB，将内部各单元连接在一起。其中CB和DB传送读自数据存储器的操作数，EB传送写到存储器的数据。⑶地址总线PAB、CAB、DAB和EAB，用于传送执行指令所需的地址。程序读：PAB、PB、EB；程序写：PAB、EB；单数据读：DAB、DB；双数据读：CAB、DAB、CB、DB；长数据读：CABhw、DABlw、CB、DB；单数据写：EAB、EB；数据读/数据写：DAB、EAB、DB、EB；双数据读/系数读：PAB、CAB、DAB、PB、CB、DB；外设读：DAB、DB；外设写：EAB、EB。（2）软件流水描述。图1描述了一个软件流水循环。图中A、B、C、D和E表示一个循环体中的各条指令，II(InitiationInterval)称为启动间距，表示相邻两个循环体的启动时刻差。在循环中，一个周期最多可以并行执行5次操作。软件流水过程可以分为三个阶段[2]，图中阴影部分称为循环核心期(LoopKernelPhase)，核心期前面执行的过程称为流水循环起始期(PipelinedLoopPrologPhase)，核心期后面执行的过程称为流水循环结尾期(PipelinedLoopEpilogPhase)。在起始期，每时钟周期启动一个新的循环体，流水渐渐满起来。在核心期中，所有的5个阶段并行执行，流水已满，达到了最大的并行度。在结尾期，每时钟周期结束一个循环体。从以上描述中，我们可以看出软件流水方法的原理：一个单重循环调度(平坦调度，flatschedule)被划分为(在时间上)长度相等的d段，称作级数(stagecount，SC)。每隔II时间启动一个新的循环体，经过(d-1)×II时间后，有d个相继的循环体同时在执行，且依次位于对应循环体的第d段、第d-1段、…、第1段中。此后，软件流水进入循环核心期，即每隔II时间就有一个循环体流出，同时有一个新的循环体进入流水，使得每II时间段中执行的代码保持不变,循环体中的所有操作都在同时执行。所以，循环核心期也构成了一个稳态。（3）软件流水调度技术目前，针对软件流水己经提出了一系列的调度算法，主要包括模调(ModuloScheduling)、核心识别(KernelRecognition)及增强流水线调度(EnhancedPipelineScheduling，EPS)等三类。根据适用范围，这些算法可以分为直线型流水算法和复杂流水算法。直线流水算法仅适用于单循环结构，而复杂流水算法允许循环体中包含分支结构以及嵌套循环。按调度方式不同，又可分为限定性流水算法和通用型流水算法。限定型流水算法要求循环安放时，每次重复相同的调度方案和启动间隔，而通用流水算法则没有这种限制。[3]二、DSP技术在不同应用领域的优劣势。（与其他的一些技术手段对比来分析）图1(a)单循环源代码(b)单循环软件流水（1）DSP芯片DSP又叫数字信号处理器。顾名思义DSP主要用于数字信号处理领域。非常适合高密度。重复运算及大数据容量的信号处理。现在已经广泛应用于通信、便携式计算机和便携式仪表、雷达、图像、航空、家用电器、医疗设备等领域。常见的手机、数字电视和数码相机都离不开DSP。DSP用于手机和基站中为移动通信的发展做出重要贡献。将在2.5G和3G中扮演重要角色。可以说DSP已经融入到生活的方方面面。DSP技术在数据通信、汽车电子、图像处理以及声音处理等领域应用广泛。（a）数字化移动电话数字移动电话可划为两大类：高速移动电话和低速移动电话。而无论是高速移动电话还是低速移动电话，都要用至少1个DSP，因此，高速发展的数字化移动电话急需极为大量的DSP器件。（b）数据调制解调器数字信号处理器的传统应用领域之一，就是调制解调器。调制解调器是联系通信与多媒体信息处理系统的纽带。利用PC机通过调制解调器经由电话线路，实现拨号连接Internet是最简便的访问形式。由于Internet用户急剧增加，由PC机上利用浏览程序调用活动图像信息量增大，就需要使用数据传送速度更高的调制解调器。这就意味，在高速调制解调器里需要更高性能的DSP器件。（c）磁盘／光盘控制器需求多种信息存储媒体产品的迅速发展，诸如磁盘存储器、CD－ROM和DVD（DigitalVersatileDisk）－ROM的纷纷上市。今日的磁盘驱动器HDD，存储容量已相当可观，大型HDD姑且不谈，就连普通PC机的HDD的存储容量也远在1GB以上，小型HDD向高密度、高存储容量和高速存取方向发展，其控制器必须具备高精度和高速响应特性，它所用的DSP性能也是今非昔比，高速DSP是必不可少的关键性器件。（d）图形图像处理需求DVD里应用的活动图像压缩／解压缩用MPEG2编码／译码器，同时也广泛地应用于视频点播VOD、高品位有线电视和卫星广播等诸多领域。这些领域应用的DSP应该具备更高的处理速度和功能。而且，活动图像压缩／解压技术也日新月异，例如，DCT变换域编码很难提高压缩比与重构图像质量，于是出现了对以视觉感知特性为指导的小波分析图像压缩方法。新的算法出现，要求相应的高性能DSP。（e）汽车电子系统及其它应用领域汽车电子系统日益兴旺发达，诸如装设红外线和毫米波雷达，将需用DSP进行分析。利用摄像机拍摄的图像数据需要经过DSP处理，才能在驾驶系统里显示出来，供驾驶人员参考。因此，DSP在汽车电子领域的应用也必然会越来越广泛。（f）声音处理。声音数字压缩技术早已开始应用，其中以脉冲编码调制(PCM)的方法最普遍。由于其只能压缩50%数字，不足以应付未来计算机应用。而DSP技术已经在音效应用中得到广泛采用，例如应用于多媒体音效卡。而高质量、高速度的声音处理技术，就需要更多高性能DSP的应用。(g)DSP在机器人控制中的应用目前，由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步，使得机器人的研究在高水平上进行，同时也对机器人控制系统的性能提出了更高的要求。随着机器人控制系统对实时性、数据量和计算要求的不断提高，采用高速、高性能的DSP将成为主要的控制方式。将DSP应用于机器人的控制系统，充分利用DSP实时运算速度快的特点，这是当前发展的趋势。尤其是随着数字信号芯片速度的不断提高，并易于构成并行处理网络，可大大提高控系统的性能。[4]DSP相对于一般微处理器作了很大的扩充和增强,主要是:1)修正的哈佛结构,多总线技术以及流水线结构。将程序与数据存储器分开，使用多总线，取指令和取数据以及流水线技术同时进行,这使得速度有了较大的提高。2)硬件乘法器以及特殊指令。这是区别于一般微处理器的重要标志。一般微处理器用软件实现乘法，逐条执行指令，速度慢。而DSP依靠硬件乘法器单周期完成乘法运算，而且还具有专门的信号处理指令，如TM320系列的FIRS.LMS,MACD指令等。(2)单片机单片机是集成了CPU,ROM,RAM和I/O口的微型计算机。它有很强的接口性能,非常适合于工业控制,因此又叫微控制器(MCU)。它与通用处理器不同,它是以工业测控对象、环境、接口等特点出发,向着增强控制功能,提高工业环境下的可靠性、灵活方便地构成应用计算机系统的界面接口的方向发展。所以,单片机有着自己的特点。2.1品种齐全,型号多样自从INTEL推出51系列单片机,许多公司对它做出改进,发展成为增强型51系列,而且新的单片机类型也不断涌现。如MOTOROLA和PHILIPS均有几十个系列,几百种产品。CPU从8,16,32到64位,多采用RISC技术,片上I/O非常丰富,有的单片机集成有A/D,/看门狗0,PWM,显示驱动,函数发生器,键盘控制等,它们的价格也高低不等,这样极大地满足了开发者的选择自由。2.2低电压和低功耗随着超大规模集成电路的发展,NMOS工艺单片机被CMOS代替,并开始向HMOS过渡。供电电压由5V降到3V,2V甚至到1V,工作电流由mA降至LA,这在便携式产品中大有用武之地。(3)EDA技术当今电子系统的复杂性在不断增加,而电子产品的更新换代越来越快,传统的设计方法难以适应。随着计算机技术的发展,ECAD在某种程度上减轻了设计人员的工作压力,但其智能化、自动化水平仍不尽人意。于是EDA技术作为一种全新的技术诞生了。它正改变着数字系统和设计方法。EDA(即ElectronicDesignAutomation)即电子设计自动化,它是以计算机为工具,在EDA软件平台上,对用硬件描述语言HDL完成的设计文件自动地逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真,直至对于特定目标芯片进行适配编译、逻辑影射和编程下载等。设计者只需用HDL语言完成系统功能的描述,借助EDA工具就可得到设计结果,将编译后的代码下载到目标芯片就可在硬件上实现。这里的目标芯片就是PLD(FPGA/CPLD)。FPGA/CPLD是EDA技术的物质基础,这两者是分不开的。EDA技术作为一种现代电子系统开发方式,具有两方面特点。3.1修改软件程序即可改变硬件由于FPGA/CPLD可以通过软件编程对该硬件的结构和工作方式进行重构,修改软件程序就相当于改变了硬件。软件可以使用自顶向下的设计方案,而且可以多个人分工并行工作,这些年来IP核产业的崛起,将若干软核结合起来就可以构成一个完整的系统,这一切极大地缩短了开发周期和上市时间,有利于在激烈的市场竞争中抢占先机。3.2速度快,可靠性高。MCU和DSP都是通过串行执行指令来实现特定功能,不可避免低速,而FPGA/CPLD则可实现硬件上的并行工作,在实时测控和高速应用领域前景广阔;另一方面,FPGA/CPLD器件在功能开发上是软件实现的,但物理机制却和纯硬件电路一样,十分可靠。而MCU和DSP芯片在强干扰条件下,尤其是强电磁干扰下,很可能越出正常的工作流程,出现PC跑飞现象。EDA高可靠性正好克服了它们这一先天不足。(4)综合应用单片机,DSP和FPGA/CPLD各具特色,满足了不同需要,已经成为数字时代的核心动力。为了充分发挥它们的优势,三者结合成为一个新的发展趋势。4.1MCU与DSP的结合。MCU价格底,能很好地完成通信和智能控制的任务,但信号处理能力差。DSP恰好相反。把两者结合,能满足同时需要智能控制和数字信号处理的场合,如蜂窝电话,无绳网络产品等,这有利于减小体积,降低功耗和成本。4.2DSP和FPGA