DSP复习资料.docx
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DSP复习资料
第二章DSP核和DSP处理器的新发展
*2.1DSP核与DSP处理器实现高速运算的途径
硬件乘法器及乘加单元：
满足最常见的乘法及乘积累加的运算，实现卷积、向量和矩阵、傅
里叶变换等算法的运算。
通用CPU通过移位和加法运算实现，需多个时钟周期。
多个执行单元：
多个独立执行单元，并行处理。
如：
并行的多个MAC，ALU，移位器和数据地址发生器（DAG）。
高效的存储器访问：
支持单周期内实现从存储器中提取指令、数据样本及滤波器系数，要有良好的存储器宽度与访问速度，这也是采用哈佛结构的原因。
此外，DSP算法中的存储器访问具有很强的可预测性，方便为下一次运算做准备。
数据格式：
分为定点格式和浮点格式，在精度与其它要求之间达成平衡，满足需求。
零开销循环：
为高效循环提供专门支持，无需消耗任何始终周期进行循环。
数据流的线性I/O：
设置1个或多个专门的串口与并口，采用线性处理机制，使得数据传输不影响CPU的工作。
专门的指令集：
早期DSP指令集需要达成两个目标；最大限度使用硬件，提高效率；最小限度使用存储器，降低成本。
因此，DSP指令集允许在单个指令中并行完成多个操作，并且使用短指令。
使得DSP指令具有高度专门化、复杂且不规则的特点，但使得编写高效的汇编语言软件复杂化。
*2.2当前DSP处理器结构的发展趋势
传统的DSP处理器
于1980年代出现的传统DSP结构具有以下特点：
每个时钟周期执行一条指令，使用复杂的、多操作类型的指令；
往往包括操作一个乘法器或MAC（乘加器），一个ALU和若干个其他的执行单元；20~50MHz频率，低功耗与存储器的条件下提供不错能服务（光盘/硬盘驱动器等）。
增加了一些硬件，如桶形移位器、指令高速缓存（cache）、指令流水线、提供时钟频率等，工作在100~150MHz,保持在低功耗与能耗时，提供较好性能服务。
（无线通信，高速modem）.
强化的传统结构DSP处理器
在不提高时钟频率和不显著改变硬件的条件下改善性能：
在传统的DSP结构上增加并行的执行单元，如增加第二个或更多的乘法器和加法器等；伴随着指令集的扩展，以充分利用增加的硬件，并行更多的操作；
强化的传统结构DSP具有更宽的数据总线，以便在每个周期内为增加的执行单元提供数据；
还使用更宽的指令字，以便在单个指令内进行附加的并行操作；（见p.29图2.2.1）
并行结构
为了实现高性能与高效使用编译器的目的：
有别于传统结构DSP，并行性处理器使用非常简单的指令，即同时执行一组并行的指令，而不是一次执行一条指令；
简化指令的编写与执行，处理器在高时钟下运行；如TI公司1996年推出了TMS320C62xx
而传统结构的DSP的并行依靠复杂指令，即单个指令可对应多个操作，如TI的C5400，C5500系列等
并行执行多指令的处理器的结构又分为两类，即超长指令字（VLIW，VeryLongInstructionWord）和超标量（superscalar）结构；主要区别是并行执行的指令如何分组；
在VLIW结构中，将4~8条指令打包成一条很长的指令执行，代码产生工具决定哪些指令要并行执行，在汇编时才打包，执行时不改变分组；
超标量处理器则只打包2~4条指令，有专门的硬件来决定哪些指令将并行地执行，基于数据的关联与资源的情况进行决定，故其是动态决定并行操作。
较难准确预测给定程序的执行时间，故给实时处理带来严重问题。
在VLIW结构中，指令字很简单，但是采用更宽的指令字，由16bit变为32bit.有利于使用大量的规格统一的寄存器，也让指令组更加规则一致，进而提高性能与效率。
但简单指令会增加存储器的需求，提高成本。
一般来说，VLIW与超标量处理器的功耗更大，其应用目标是要求性能好，但对成本与功耗不敏感的移动基站等系统。
单指令多数据（SIMD）
单指令多数据（SIMD，SingleInstructionMultipleData）并不属于结构本身，作为一种结构技术，可以在任何结构中使用。
它通过使处理器并行地用不同的数据，执行多次同样的操作，来改善处理器的性能。
例如，SIMD乘法指令，可以在单周期内用不同的输入数据执行两次或多次乘法，但需要对存储器中数据做专门安排。
其它形式
高性能CPU：
扩展基于SIMD的指令集，将CPU的资源分为多个小的资源并行使用，提高性能。
如，一个具有64-bit数据总线、64-bit寄存器和64-bitALU的CPU，可以当成4个16-bit的数据总线、寄存器和ALU，也就可以同时执行4个16-bit的数据运算。
DSP/MCU的混合：
MCU有良好管理性能，DSP具有好的数据处理性能，满足既要控制又要使用DSP软件的应用。
例如，包含MCU核和DSP核的SoC，在其MCU里强化DSP功能，从而只使用一个处理器来取代原来的两个。
2.3新近推出的DSP核与DSP处理器
LUCENT和MOTOROLA联合开发的STARCORE,1998年开始研发，目前已到第三代SC3850，主要用于数据通信、移动通信和家庭影院。
ADI和INTEL联合开发的DSP核—Blackfin,组合了一个32bitRSIC（reducedinstructionsetcomputer）指令集和双16bitMAC功能，成为一种VLIW的媒体处理器。
TI新的系列DSP核C64+和C66X
ARM（AdvancedRISCMachines）核：
已经和DSP核密不可分，协同工作；同时，ARM的数字信号处理能力大幅度地提升。
Iphone/智能电话都在使用。
该公司只设计，不生产，占有90%市场份额。
2.4新近推出的多核DSP处理器
同构多核DSP处理器
所谓同构多核，是指在一个处理器芯片内，包含了多个同样结构的DSP核，有极高性能，应用于高性能要求场所。
如：
雷达、声纳、导引、LTE系统基站、大型医疗诊断设备。
Freescale基于StarCore的多核DSP处理器MCS8256，采用45nm工艺的高度集成的SoC，集成了6个SC3850核，每核运行于1GHz,整体达到6GHz,性能高功耗低。
TI基于C66x核的多核处理器TMS320C6678，是一种高性能定点/浮点DSP处理器，基于KeyStone多核体系构架，集成8核，累计到10GHz,有一套完整开发工具。
Qualcomm基于Scorpion核的Snapdragon处理器，Scorpion基于ARMv7结构，是一种超标量，双流程的机器，始于2005年，65nm工艺，1GHz.Snapdragon已成为许多先进智能手机的处理器。
Freescale基于ARM技术的i.MX系列应用处理器，其优化了性能与电池寿命之间的平衡，使用了基于ARM9、ARM11和ARMCortex-A8的核技术。
集成了DSP核的异构多核SoC处理器
以上介绍的是基于单核或者多核的ARM技术的SoC处理器。
基于ARM核和DSP核，被称为异构多核的SoC处理器，具有非常优越的性能，更早得到应用。
TI的OMAP（OpenMultimediaApplicationPlatform）处理器,已到第五代，包含处理器、套装软件和电源管理技术，主要应用于无线连接、电源管理、智能电话、移动设备。
TI应用于数字视频的DaVinci（达芬奇）技术，专注于数据视频处理，提供API，不用写DSP代码，包含数百种芯片的庞大体系。
第3章DSP的开发环境和工具
3.1集成开发环境CCS
CCS的功能
CCS的功能十分强大，它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且支持C/C++和汇编的混合编程，其主要功能如下：
①具有集成可视化代码编辑界面，用户可通过其界面直接编写C、汇编、.cmd文件等；
②含有集成代码生成工具，包括汇编器、优化C编译器、链接器等，将代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能集成到一个软件环境中；
③高性能编辑器支持汇编文件的动态语法加亮显示，使用户很容易阅读代码，发现语法错误；
④工程项目管理工具可对用户程序实行项目管理。
在生成目标程序和程序库的过程中，建立不同程序的跟踪信息，通过跟踪信息对不同的程序进行分类管理；
⑤基本调试工具有装入执行代码、查看寄存器、存储器、反汇编、变量窗口等功能，并支持C源代码级调试；⑥断点工具，能在调试程序的过程中，完成硬件断点、软件断点和条件断点的设置；
⑦探测点工具，可用于算法的仿真，数据的实时监视等；
⑧分析工具，包括模拟器和仿真器分析，可用于模拟和监视硬件的功能、评价代码执行的时钟；
⑨数据的图形显示工具，可以将运算结果用图形显示,包括显示时域/频域波形、眼图、星座图、图像等，并能进行自动刷新；
⑩提供GEL（GeneralExtensionLanguage）工具。
利用GEL扩展语言，用户可以编写自己的控制面板/菜单，设置GEL菜单选项，方便直观地修改变量，配置参数等；
⑪支持多DSP的调试；
⑫支持RTDX（Real-TimeDataEx-change）技术，可在不中断目标系统运行的情况下，实现DSP与其他应用程序的数据交换；
⑬提供DSP/BIOS工具，增强对代码的实时分析能力。
代码生成工具
每个DSP系列都提供代码生成工具
C编译器（Ccompiler）：
将C源程序代码编译成为320系列对应汇编语言源代码。
编译包中包括一个外壳程序（shellprogram）、一个优化器（optimizer）和一个内部列表公用程序（interlistutility）。
汇编器（assembler）：
将汇编语言源文件转变为基于公用目标文件格式（COFF）的机器语言目标文件。
连接器（linker）：
将目标文件连接起来产生一个可执行模块。
它能调整并解决外部符号参考。
连接器的输入是可重新定位的COFF目标文件和目标库文件。
归挡器（archiver）:
将一组文件归入一个归挡文件，也叫归档库。
另外，归档器允许通过删除、替代、提取或增加文件来调整库。
归档器最有用的应用之一是建立目标文件库。
助记符到代数语言的转换公用程序（mnemonic-to-algebraictranslatorutility）:
转换汇编语言源文件。
该程序接收含有助记符（MOV，ADD）的指令，并将其转换为代数指令，产生一个含有代数指令的汇编语言源文件。
运行支持库公用程序（runtime-supportutility）:
建立用户的C语言运行支持库。
标准运行支持库函数在rts.src里提供源代码，在rts.lib里提供目标代码。
运行支持库（runtime-supportlibrary）:
包含ANSI标准运行支持函数、编译器公用程序函数、浮点算术函数和被C54x编译器支持的C输入/输出函数。
绝对列表器（absolutelister）:
接收已经连接的目标文件作为输入，并产生.abs文件作为输出。
汇编.abs文件产生后含有绝对地址的列表。
十六进制转化公用程序（hexconversionutility）:
将COFF目标文件转化为TI-Tagged，ASCII-hex，Intel，Motorola-S，Tektronix等目标格式，从而可以将转化文件装载在可擦除程序存储器里。
TIDSP的调试器接收可执行的COFF文件作为输入，但大多可擦除存储器却不支持COFF文件。
同时该转换工具还可以自动生成BOOTLOADER程序所需要的引导信息。
交叉引用列表（Cross-ReferenceLister）:
用目标文件来产生一个交叉引用列表，列出符号、符号的定义、以及它们在已连接的源文件中的引用。
探针（probepoints）工具使用
在CCS环境下可以设置探针，探针实际上是一种特殊的断点。
当程序运行到探针位置时，CCS中断目标系统的DSP程序的运行，然后从与该探针连接的数据文件（存放在PC机）中读出数据或输出结果，当完成数据的传输后自动恢复目标系统的DSP程序的运行。
探针工具特别适用于算法的仿真。
探针工具可以运行在软仿真（Simulator）下。
探测点在算法开发过程中是一个有用的工具，可用来与PC主机进行数据通信。
利用探测点可以进行以下工作：
从PC主机的文件中，传输输入数据至目标系统的缓冲区，作为算法开发的模拟数据；
从目标系统的缓冲区中，输出数据至PC主机的文件中，以便进行数据分析；
更新窗口，例如图形、数据等。
图形工具的使用
CCS提供了多种绘图工具，能将内存中的数据以各种图形方式显示，帮助用户直观地了解数据的意义。
图形工具在数字信号处理中非常有用，可以从总体上分析处理前和处理后的数据，以观察程序运行的效果。
需要注意的是图形窗口只有在断点时才刷新，所以应增加断点，并使用Animate方式运行。
这样可以显示动画效果。
能提供的显示有：
时域/频域波形，眼图，星坐图，图象。
CCS提供了四大类共九种图形显示方式。
CCS提供有显示多种功能图形。
每一种功能都有相应的图形属性对话框，用来设置显示图形的各种参数。
打开图形属性对话框的方法：
在查看菜单“Tools”中，选择“Graph（图
形）”选项，弹出命令子菜单（Debug之后
才会出现）；子菜单中有六项图形命令。
选
择四项命令可以分别打开各自的图形属性
对话框。
选择SingleTime命令，打开的
对话框。
剖析工具（profilepoints）的使用
在CCS中，你可以利用代码剖析工具，计算代码执行了多少个机器时钟。
剖析工具报告的时钟个数是从前一个剖析点开始或程序起始处。
统计CPU执行某程序所用的时钟周期数、程序分支数、子程序调用数、中断发生次数等统计信息。
基本方法是在程序的适当位置设置断点（软断点或评价点），当程序执行通过断点时，收集并统计有关程序的执行信息。
用户通过统计信息评估其性能。
你可以使用鼠标右键单击某个行，选择“Breakpoint->ProfileControlPoint->ResumeProfiling”可以设置剖析点。
然后在“ProfileControlPoint”中选“PauseProfiling”。
剖析点是一种特殊的断点，是专门用来在程序的特殊位置获取评价信息。
在每个评价点上，CCS记录该剖析点命中次数以及距上次剖析点之间的指令周期数等信息。
与断点不同，CPU在通过剖析点统计数据后，继续执行程序。
♥CMD内存定位文件的使用
段的由来
与PC中的应用程序不同，TI的DSP应用程序是一段在固定地址运行的程序。
其在加载时，会写入到指定的存储器中。
由.cmd文件提供，包括系统中可用内存块；程序代码和数据将被安排到哪个内存中。
段的定义
为了有效利用DSP的内部或外部存储器，目标文件中的代码和数据被存放在不同的段中。
这些数据段或代码段在内存中可以是分开的，也可以是连续的。
在生成的OUT文件中包括三个缺省段：
.text，.data，.bss
段有两种基本的类型
已初始化的段：
包括数据和代码。
例如.text和.data段都是已初始化段。
在汇编语言中自己定义的用于存放代码的.sect段也是已初始化段。
未初始化的段：
是为未初始化数据保留的内存空间。
例如，.bss段是未初始化的，用于为变量保留空间。
在汇编语言中还可以使用.usect指令说明一个未初始化段
还可以在汇编语言中自己定义的用于存放代码的段，如.sect（代码），.usect、.buffer（数据）等
连接器如何使用段
汇编器和连接器允许创建、命名和连接已经命名的段。
连接器有两个与段有关的功能：
一个是在建立输出OUT文件时，连接器要使用OBJ目标文件中的段，合并输入段（当被连接的文件多于一个时）。
另一个是连接器为输出段选择存储器地址。
这些连接器可以根据用户提供的CMD定位文件，来安排段的实际地址。
这个CMD定位文件一般有两个部分：
MEMORY和SECTIONS。
在MEMORY中，主要说明目标系统中哪些存储器可以使用，它们的起始地址是多少，大小如何。
在SECTIONS部分中，主要完成段的具体地址的分配。
例如，我们将.text段存放在1800h开始的程序空间中，将.bss段存放在c00h开始的数据空间中，将.vect段存放在程序空间的200h开始的地方。
存储器指令（memorydirective）定义目标系统的存储器图。
用户可以给部分存储器命名，定义它的起始地址和长度。
段指令（sectionsdirective）告诉连接器如何将输入段合并到输出段中，及将这些输出段放在存储器的什么地方。
用户可以用连接器的SECTIONS指令指定子段，如不特别指定，子段将和同基段名的段合并在一起。
定位CMD文件可以包含参数
将连接器使用的参数添加到内存定位CMD文件中，这样整个连接器命令可以简化为（以C5000系列为例，使用LNK500）：
C:
\C54X\LNK500asmlnk.cmd
3.2DSP/BIOS的应用
DSP/BIOS的功能
DSP/BIOS是CCS提供的一套工具，用于支持系统实时分析。
它本身仅占用极少的CPU资源。
使用线程来管理程序，如硬件中断服务子程序，软件中断服务子程序，周期函数，idle函数等。
线程（thread）是操作系统能够进行运算调度的最小单位。
一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，是进程中的实际运作单位,一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。
提供多种分析工具，评估代码。
如图形化显示各个线程占用的CPU时间，代码执行时间统计，显示输出信息等。
可以修改各个线程的优先级。
CCS中的DSP/BIOS工具已经具有实时操作系统的很多功能特点，如任务的调度管理、任务间的同步和通讯、内存管理、实时时钟管理、中断服务管理等等。
DSP/BIOS（v5.4）以后的版本SYS/BIOS！
当然，你也可以不使用DSP/BIOS工具，而使用传统的汇编和C编写DSP应用程序。
DSP/BIOS应用程序的结构
DSP/BIOSAPI提供可伸缩的实时核，还提供了有优先级的多线程处理。
它是专为那些需要实现实时调度、同步以及通讯的应用程序而设计。
在一个包含DSP/BIOS内核的应用程序按优先级从低到高有四种主要线程：
不使用DSP/BIOS时的程序结构
DSP/BIOS应用程序的结构
DSP/BIOS的大小
对于C62x，最小需要程序存储空间的150字，数据存储空间575字。
以C6201为例:
占有的程序空间0.9%和数据空间3.5%
最多需要6500字，占C6201存储空间的20%。
所以多数应用中是可接受的。
DSP/BIOS的可裁减性：
只把直接或间接调用的模块和API连接到目标文件中
DSP/BIOS支持的平台
支持C5000和C6000，C2000的DSP:
支持的平台：
EVM,DSK,第三方开发的目标板,用户自己开发的板子和Simulator配置模板（Configurationtemplate）使用配置工具配置生成用户自己的.cdb文件
Simulator中使用DSP/BIOS片上时钟，CLKandPRDmodules；PinConnecttool配置中断管脚，仿真硬件中断。
DSP/BIOS提供的应用程序接口（API）模块
CLK模块：
用于片上的定时器管理，设置定时器中断的间隔时间。
HST模块：
用于实现主机与目标系统间数据的输入或输出。
HWI模块：
用于硬件中断管理，可设置相应的中断服务子程序。
IDL模块：
用于管理idle函数，该类函数具有最低优先级。
DSP/BIOS提供的模块
LOG模块：
用于事件的记录显示。
例如，你可以通过该API输出调试信息。
MEM模块：
用于定义目标系统的内存使用。
系统根据此信息自动产生.cmd文件。
PIP模块：
用于管道管理，可以实现线程间的数据交换。
PRD模块：
用于实现周期性的函数。
该类函数的执行频率可以由CLK模块或自己调用PRD_tick决定。
RTDX模块：
用于主机与DSP目标系统间的实时数据传递。
STS模块：
用于状态统计管理，你可以在CCS下查看这些统计参数。
SWI模块：
用于管理软件中断。
CCS将运行队列中的软件中断，并可以设置15个优先级，但都比硬件中断低。
第四章DSP方案工程实现
*4.4DSP最小系统设计（了解内容，没有PPT,见书）
4.6DSP中定点数和浮点数的运算（P228和实验）
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