DSP (Digital Signal Processing) DSP(Digital Signal Processor) & TMS 320F28335의 구조

Signal 자연계에 존재하는 모든 정보전달의 수단 신호의 공학적 표현 물소리, 바람소리, 새소리 짐승소리,불,연기,봉화… 한 개 이상의 독립변수를 수학적으로 표시한 함수로써, 시스템의 입력 데이터로 들어가는 입력신호와 시스템의 출력에서 나오는 출력신호의 유기적 결합

Digital Signal DSP: Digital Signal Processing DSP의 목적 DSP의 응용분야 Signal restoration Signal analysis System identification Information extraction DSP의 응용분야 영상처리 계측/제어 음성/음향 군사용/통신 생체의학 Algorithms and Methods Filter Design : FIR, IIR Signal Analysis : FFT, DFT, PSD, Correlation, Cepstrum Servo system Design : PID control Telecommunication : OFDM, QPSK, QAM, PAM Video signal processing : DCT, JPEG, MPEG,H.261,H.264

Digital Signal Processing Convolution 주어진 입력에 응답하는 출력신호를 구하는 시스템 해석 법을 컨벌루션 이라고 한다 .입력 임펄스 신호에 대해 출력신호를 얻기 위한 연산이며 다음 수식의 근거하여 연산을 수행한다. h[n] n 1 0.7 0.3 2 x[n] n 2 1 -1 0.5 3 y[n] n 2 0.3 -1 1 3 4 5 2.4 0.1 0.05 0.15

Digital Signal Processing Digital Filter

DSP (Digital Signal Processor) 디지털 신호의 정보 (Digital Data)를 효율적으로 처리하는 장치 디지털 신호 고속 처리 LSI (Large Scale Integrated) Chip A Digital Signal Processor (DSP) is a specialized microprocessor designed specifically for digital signal processing, generally in real time.

디지털신호처리 => PC or DS Processor ? 현재 PC의 빠른 처리 능력으로 신호처리에 관한 Processor의 사용이 모호 DS Processor 와 PC 와 비교 PC 용으로 많은 언어처리 소프트웨어나 디버거(Debugger)를 저가로 사용 할 수 있으나, DS Processor는 전용 소프트웨어로 매우 고가 DS Processor는 빠른 연산속도를 제외하고는 Display를 비롯한 모든 기능면에서 PC에 뒤떨어짐 Multimedia 정보처리를 위하여 Display의 역할이 중요하지만 DS Processor는 상당히 미약 가격, 전력소모, 크기로 생각한다면 DS Processor가 월등히 유리 현재 User들의 욕구를 충족시키기 위해 연산처리는 DS Processor가 담당하고, 그 외에는 범용 CPU가 담당하는 시스템의 구현이 필요 DS Processor 사용에 신중한 선택이 필요 => Application 에 따라서

Pentium Chip & DSP Chip Pentium Chip DSP Chip 범용 프로세서 (General Purpose Processor : GPP) 매우 큰 메모리를 관리할 수 있다 Windows XP Or 7 와 같은 범용 대용량 운영체제를 탑재 게임기부터 산업용 PC까지 범용으로 사용 DSP Chip 특별한 작업 및 응용분야 (휴대폰, MP3, motor control etc.) 실시간 시스템 (Real Time System : RTS) 정해진 시스템의 결과를 출력하는 시스템 (Embedded System) Hard Real Time System 정해진 시간 내에 작업의 결과가 절대적으로 출력되어야 하는 시스템 핵 발전소 제어시스템, 인공위성, 전투기 제어시스템 Soft Real Time System 정해진 범위를 넘는 시간 지연이 발생하더라도 시스템의 에러가 되지 않는 경우 ( 휴대전화) 실시간 운영체제 (Real Time Operation System : RTOS) Embedded System 운영체제

Digital Signal Processor (I) DSP (Digital Signal Processor) Chip의 구조적 특징 각종 DSP 알고리즘은 충분한 시간이 주어진다면 범용 마이크로 프로세서(microprocessor)를 이용해서라도 충분히 구현할 수 있다. 대부분의 DSP응용 분야들에서는 가능한 실시간 또는 매우 빠른 시간 내에 많은 양의 데이터를 처리하거나 계산해야 할 필요가 있다. DSP Chip은 이러한 목적에 맞게 설계되었기 때문에 범용 마이크로 프로세서와는 다른 구조를 가짐. 고속 하드웨어 승산기를 내장하고 있어 한 cycle내에서 MAC (Multiplication and Accumulation) 연산을 처리 Data 와 Instruction을 동시에 가져다가 처리하기 위해 Data bus (Memory) 와 Program bus (Memory)가 따로 갖고 있는 하바드 구조 (Havard Architecture)를 채용 반복적인 연산을 행하기 위해 loop control 이나 circular buffer control기능이 내장 두 개 이상의 operand를 동시에 가져올 수 있도록 multiple bus 구조를 가지고 있어서 한 cycle 내에서 여러 연산을 동시에 수행

Digital Signal Processor (2) Microprocessor 와 DSP (Digital Signal Processor) Chip의 차이 - 설계방법의 차이 : DSP는 구조가 디지털 신호처리에 최적화된 디바이스 - 마이크로 프로세서는 컴퓨터의 중심적인 지휘자로서 컴퓨터의 각 구성 요소 (마우스, 키보드, 하드디스크 등)의 제어를 하고 있다. 동시에 막대한 디지털 신호처리를 한다는 것은 무리로 막대한 양의 신호처리인 경우 DSP가 필요하다. 고속처리성능강화 소프트웨어 호환성희생 범용 마이크로 프로세서 (연산 및 데이터 처리용) RISC 프로세서 (고성능 워크스테이션) I/O 제어기능 강화 시스템 저가격화 연산처리성능강화 일부 기능 축소 마이크로 콘트롤러 (기기 제어용) DSP (실시간 디지털 신호처리용) I/O 제어기능 강화 시스템 저가격화

RISC 와 CISC Microprocessor 분류의 대표적인 기준 RISC (Reduced Instruction Set Computer) 명령어 체계가 대폭 단순화된 컴퓨터 구조 => 명령어 축약 형 Processor 매우 빠른 속도 때문에 Workstation 이나 대형 서버와 같은 컴퓨터에 사용 DSP Chip 구조에 많이 채용 Apple PowerPC (Power Optimized with Enhanced RISC PC) 의 CPU 채용 TMS320C3X, TMS320C6000 CISC (Complex Instructions Set Computer) 연산에 필요한 거의 모든 명령어를 탑재한 Processor Processor 내부구조가 매우 복잡하고 고속으로 작동되는 Processor를 만들기 어려움 많은 명령어를 내장하여 프로그램을 짜기가 편리하고 CPU를 보다 세밀하게 다룰 수 있으며 하위 호환성을 갖게 되어 다양한 환경에서도 제 기능을 발휘할 수 있다. Intel x86 계열 및 AMD CPU등에 채용 TMS320C5000, TMS320C24XX

Digital Signal Processor (3) 마이크로프로세서에서 고속처리 기법 단순한 고속화 기술 시스템 클럭 증가 마이크로 프로그램이나 명령처리회로 개선 메모리 액세스 관련기술 캐시메모리 사용 (주로 32비트 마이크로 프로세서부터) 데이터 버스 폭 증대 (Pentium에서 사용) 하바드 구조, 수정된 하바드 구조 구조 기술 파이프라인 처리(주로 16비트 마이크로 프로세서부터 사용) RISC (Reduced Instruction Set Computer)화 (주로 32비트 마이크로 프로세서부터 사용) 병렬처리 DSP 에서는 이러한 고속화 기법 중에서 데이터 버스 폭 증대를 제외한 거의 모두를 사용하고 있음.

Digital Signal Processor (4) 하바드 구조 (Havard Architecture) 프로그램 메모리에서 명령코드를 인출하는 동작과 명령 실행 중에 오퍼랜드 데이터를 읽고/쓰는 동작을 각각 별개의 버스로 사용 1클럭으로 1명령어 처리 고속 명령처리 가능 : 대부분 RISC 프로세스 및 DSP에서 채택 단점 : 외부의 핀 수가 매우 많아진다 파이프라인 처리 (Pipeline) 하나의 명령을 여러 개의 실행단계로 나누고, 이를 CPU의 각각 다른 부분에서 순차적으로 처리 결과적으로 여는 순간에는 여러 개의 명령이 CPU 내부에서 동시에 실행됨 고속 명령처리 가능 : 대부분의 RISC 프로세서와 DSP에서 채택

Digital Signal Processor (5) DSP Chip의 분류 범용 DSP : 주로 구성이 단순하게 DSP Core 만으로 이루어짐 ASDSP (Application Specific DSP) : DSP Core에 특정분야에 적합한 I/O 기능이나 제어프로그램 내장 범용 DSP 모델의 시장이 활성화되면서 이것이 ASDSP로 변화하는 경향이 있음 고정소수점 방식 : 정수데이터만 직접적으로 처리가능 부동소수점 방식 : 부동소수점 데이터를 직접 처리 가능

Digital Signal Processor (6) DSP의 발전 과정 1979년 AT&T의 벨 연구소에서 최초의 DSP인 DSP1 개발 1983년 TI (Texas Instruments) 사가 TMS32010을 최초로 상업적으로 사용을 개시 1980년대 : DSP의 고유기능에 충실하게 발전 I/O 기능을 최소화한 범용 DSP, 연산성능 향상에 주력 TI사의 TMS320C2X/5X 계열, AD (Analog Devices) 사 ADSP-21XX계열, Motorola사의 DSP56XX 계열 1990년대 전반 : 부동소수점 방식 DSP 증가 TI사의 TMS320C3X 계열, AD사의 ADSP-210XX 계열, Motorola사의 DSP960XX 계열 1990년대 후반 : DSP의 전용화 내지는 ASDSP화, 멀티프로세서 기능강화, 고성능화 비디오 처리용 : TI사의 TMS320C8X 계열 (1개의 RISC + 4개의 DSP) 통신용 : TI사의 TMS320C54X 계열 전동기 제어용 : TI사의 TMS320C24X 계열 (A/D, 로터리 엔코더, PWM, PLL) 초고성능화 : TI사의 TMS320C62XX 계열, TMS320C67XX 계열

Digital Signal Processor (7) DSP 발전동향 및 전망 범용 DSP 에서 전용 DSP로 병렬처리 또는 멀티프로세서 기능 통신기능 강화 초 고성능화 200MHz/2000MIPS 이상까지 실용화, 대용량 메모리 내장 저 전압화로 소비전력 감소 5.0V 에서 3.3V, 2.5V, 1.8V로 우수한 소프트웨어 개발 Tool 지원

Digital Signal Processor (8) 일반적으로 A/D converter에 의해 디지털화된 데이터는 PC등에 입력되어 계산처리 (계산 및 컴파일링 문제) => 처리속도의 문제 전용하드웨어의 구현의 문제점 => LSI화를 위한 하드웨어 구조복잡 신호처리전용 Chip의 등장 (Digital Signal Processor) 고속연산기능 : 승 가산(sum of product)연산처리가 고속으로 가능 LSI화된 축척용 프로그램 (Stored program)용 가능 DSP 문제점 통상적인 CPU에 비해 개발환경이 특수 Chip maker에 따른 다른 개발환경 물론, DS Processor는 실시간 신호처리의 핵심이지만 최근 생산된 PC 만으로 충분한 역할이 가능 (?) => Embedded System

Digital Signal Processor Board

TMS320F28X System 구조

DSPLab II Introduction Signal and system Basic of Digital Signal processing TI Chip Develop method DSP algorithms (time domain ,frequency domain)

Block Diagram 2 7 10 3 4 5 6 9 1 8 13 11 12 Introduction 1.DSP Module 28335 2.DC Motor,3.Uart communication,4,Osiloscope 5.Audio Codec 6.DAC 7,BLDC motor 8.voice recorder 9.Gignal Generator 10.BIO ECG 11.Sensor 12.GPIO 13.Expansion etc Emulator

Design software Introduction Analog signal oscilloscope Code composer studio v3.3 C language Real time analysis Stand alone system (Flash download )

DSC DSC: TMS320F28335 특징: TMS320F28x system 고성능 32bit CPU 향상된 RISC 아키텍쳐(16MIPS @ 16Mhz) IEEE-754 32bit 부동소수점 연산방식 3개의 32비트 CPU 타이머 Information extraction 16채널 12bit ADC 2개의 CAN, 3개의 SCI(UART), 2개의 McBSP, SPI, I2C 시리얼 인터페이스 18개의 PWM Outputs 내장 메모리의 Programing과 On-Chip Debug를 위한 JTAG (IEEE Standard 1149.1) 지원 프로그램 가능한 88개의 I/O

TMS320F28x system DSC TMS320F28335 의 내부구조 및 메모리 구조

DSP (Digital Signal Processor) Chipset (I) TMS320C2X 16-bit 고정 소수점방식의 범용 DSP, 효율이 좋아짐, 모터 및 전원 제어 TMS320C2XX : TMS320C2X 시리즈에 특별한 I/O 기능을 추가한 ASDSP (Application Specific DSP) TMS320C24X : 전동기의 Motion Control 분야에 적합, 모터와 필터의 최적화 가능, CPU, I/O, 기억장치 등을 한 개의 Chip에 내장 => 부품의 최소화 및 Layout의 최적화 가능 TMS320C3X TMS320C5X 1X 나 2X 시리즈를 더욱 고성능으로 설계한 모델 20-, 25-, 35-, 50-ns instruction cycle time Zero-overhead context switching 빠른 bit manipulation을 위한 PLU (Parallel Logic Unit) Up to 32K words on-chip memory Delayed branch, call and return instructions Software wait-state generation

DSP (Digital Signal Processor) Chipset (II) TMS320C6X 초고성능의 DSP TMS320C62X 32-bit 고정 소수점 방식 사이클당 8개까지의 명령을 수행하여 200MHz에서 1600MIPS의 처리속도를 냄 352핀 TMS320C62X/67X/64X 67X => 32/64-bit 부동소수점 방식 TMS320C8X MVP (Multimedia Video Processor) 4개의 32-bit 부동소수점 방식의 DSP와 1개의 32-bit RISC 마이크로 프로세스를 1개의 소자에 함께 내장 DSP Core와 RISC 마스터 프로세서 사이에 Transfer Controller 내장 2개의 Video Controller 내장 비디오 신호처리에 성능이 좋음 설계의 어려움 => DSP 와 Processor의 Task를 분리하여 설계

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