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第1章 数字信号处理简介1

1.1 何谓数字信号处理1

1.2 DSP的优势2

1.3 DSP系统2

1.3.1 模数转换3

1.3.2 奈奎斯特准则4

1.3.3 数模转换6

1.4 DSP的应用6

1.5 低功耗DSP应用8

1.6 总结9

第2章 实时系统与嵌入式系统概述11

2.1 实时系统11

2.1.1 软实时和硬实时系统11

2.1.2 实时系统和分时系统的区别11

2.1.3 DSP系统是硬实时系统12

2.1.4 实时事件特征13

2.2 高效运行和运行环境14

2.3 实时系统设计的挑战14

2.3.1 响应时间15

2.3.2 从故障中恢复15

2.4 分布式和多处理器构架16

2.4.1 系统初始化16

2.4.2 处理器接口16

2.4.3 负载分配16

2.4.4 集中的资源分配和管理16

2.5 嵌入式系统17

2.6 总结18

第3章 嵌入式DSP系统开发生命周期概述20

3.1 嵌入式系统20

3.2 嵌入式DSP系统的生命周期20

3.2.1 步骤1：研究系统的整体需求20

3.2.2 步骤2：选择系统所需的硬件组件21

3.2.3 硬件门电路22

3.2.4 软件可编程22

3.2.5 通用处理器22

3.2.6 微控制器23

3.3 FPGA解决方案23

3.4 一个通用的信号处理解决方案27

3.5 DSP加速决策28

3.6 DSP处理的模型32

3.6.1 输入／输出选择33

3.6.2 计算DSP性能34

3.6.3 DSP软件36

3.7 代码的调整和优化37

3.8 典型的DSP开发流程38

3.9 总结43

第4章 可编程DSP体系结构44

4.1 可编程DSP体系结构的共性44

4.2 内存体系结构48

4.2.1 内存访问宽度49

4.2.2 对齐问题49

4.3 数据操作49

第5章 FPGA在无线通信中的应用51

5.1 概述51

5.1.1 空间复用的MIMO系统52

5.1.2 Flex-Sphere检测器53

5.1.3 改良实数分解排序55

5.1.4 软件无线电手机可配置检测器的FPGA设计56

5.1.5 改良实值分解58

5.1.6 MT=3的Xilinx FPGA实现结果58

5.1.7 MT=4的Xilinx.FPGA实现结果59

5.1.8 仿真结果59

5.2 针对WiMAX的波束成形61

5.2.1 在宽带系统中的波束成形61

5.2.2 波束成形系统的计算要求和性能63

5.2.3 使用WARPLab的波束成形实验65

5.2.4 实验设置及结果67

5.3 总结69

参考文献69

第6章 DSP软硬件协同72

6.1 概述72

6.2 嵌入式设计中的FPGA72

6.3 ASIC与FPGA74

6.4 软件可编程数字信号处理75

6.5 通用型嵌入式内核76

6.6 总结76

6.6.1 架构76

6.6.2 以应用为导向的设计77

参考文献77

第7章 DSP算法概述78

7.1 DSP应用78

7.2 信号与系统78

7.2.1 DSP系统79

7.2.2 混叠79

7.3 基本的DSP系统80

7.4 频率分析81

7.4.1 卷积81

7.4.2 相关性82

7.4.3 FIR滤波器设计82

7.4.4 加窗83

7.5 算法实现：DSP架构85

7.5.1 数字格式86

7.5.2 溢出和饱和86

7.6 FIR滤波器的实现86

7.6.1 利用片上RAM88

7.6.2 特别的乘积累加指令88

7.6.3 块滤波88

7.6.4 分离的程序和数据总线88

7.6.5 零开销循环89

7.6.6 循环缓冲器89

7.7 系统问题90

7.8 总结90

第8章 复杂DSP应用的高层次设计工具91

8.1 高层次综合设计方法91

8.2 高层次设计工具92

8.3 Catapult C92

8.3.1 PICO94

8.3.2 System Generator95

8.4 案例分析96

8.5 使用PICO的LDPC译码器设计案例96

8.6 使用Catapult C的矩阵乘法器设计案例99

8.7 使用System Generator的QR分解设计实例101

8.8 总结104

参考文献104

第9章 DSP软件优化：DSP系统的基准测试和性能分析107

9.1 概述107

9.2 编写测试框架107

9.3 隔离DSP内核函数110

9.3.1 提防激进的编译工具110

9.3.2 灵活放置代码111

9.4 真实系统行为的建模111

9.4.1 缓存带来的影响111

9.4.2 内存延迟带来的影响112

9.5 系统方面的影响112

9.6 多核／多设备环境下的执行情况112

9.7 分析测试方法带来的额外开销113

9.7.1 排除无关事项114

9.7.2 中断114

9.7.3 基准测试中运行的库函数114

9.7.4 使用仿真工具测试114

9.7.5 基于硬件模块的测试115

9.7.6 性能分析结果116

9.7.7 如何解读获取的测试结果116

第10章 DSP软件优化：高级语言和编程模型117

10.1 汇编语言117

10.2 带内联函数和编译指示的C编程语言118

10.2.1 C语言编写的FIR滤波器119

10.2.2 内联函数119

10.2.3 编译指令121

10.3 嵌入式C语言122

10.4 C＋＋语言在嵌入式系统中的应用122

10.5 自动矢量化编译技术123

10.5.1 MATLAB、Labview和类FFT-W的生成器套件124

10.5.2 MATLAB和本地编译的代码124

10.5.3 本地代码到MATLAB和硅片上的仿真125

第11章 优化DSP软件：代码优化126

11.1 优化过程126

11.2 使用开发工具126

11.2.1 编译器优化126

11.2.2 编译器基本配置127

11.2.3 启用优化127

11.2.4 其他的优化配置128

11.2.5 使用分析器128

11.2.6 分析生成的汇编代码129

11.3 背景知识：理解DSP架构129

11.4 基本C语言优化技巧130

11.5 用内联函数发挥DSP特性131

11.6 指针和内存访问135

11.6.1 确保对齐方式135

11.6.2 restrict和指针别名136

11.7 循环137

11.8 硬件循环138

11.9 其他的提示和技巧139

11.9.1 内存争用139

11.9.2 使用未对齐访问139

11.9.3 访问缓存139

11.9.4 嵌入小函数139

11.9.5 使用供应商DSP库139

11.10 一般的循环转换139

11.11 循环展开140

11.11.1 背景知识140

11.11.2 实现140

11.12 多重采样140

11.12.1 背景知识140

11.12.2 实现过程141

11.12.3 实现141

11.13 部分求和141

11.13.1 背景知识141

11.13.2 实现过程142

11.13.3 实现142

11.14 软件流水化143

11.14.1 背景知识143

11.14.2 实现143

11.15 优化技巧的应用示例：互相关144

11.15.1 创建144

11.15.2 原始实现方案144

11.15.3 步骤1：用内联函数执行小数计算并指定循环计数145

11.15.4 步骤2：指定数据对齐方式并修改成多重采样146

11.15.5 步骤3：汇编语言优化148

第12章 DSP优化：内存优化151

12.1 概述151

12.2 代码量优化151

12.2.1 编译器标记和标记挖掘151

12.2.2 针对ISA的代码量与性能权衡152

12.2.3 针对代码量优化调整ABI153

12.2.4 告诫购买者：编译器优化与代码量互不相关160

12.3 内存布局优化161

12.3.1 内存优化概述161

12.3.2 集中优化工作162

12.3.3 向量化和动态代码计算比例162

12.3.4 数据结构、数据结构数组及其混合164

12.3.5 针对内存性能的循环优化166

12.3.6 数据对齐方式的连锁效应166

12.3.7 选择合适的数据类型会获得丰厚回报166

第13章 针对功耗的软件优化168

13.1 概述168

13.2 了解功耗168

13.3 测量功耗171

13.3.1 使用电表测量功率171

13.3.2 使用霍尔传感器型IC测量功率171

13.3.3 稳压器模块电源IC172

13.4 分析应用程序的功耗173

13.5 降低功耗174

13.6 时钟和电压控制177

13.7 优化数据流182

13.7.1 优化内存访问以降低功耗182

13.7.2 DDR概述183

13.7.3 通过优化DDR数据流来降低功率185

13.8 外设／通信的使用193

13.8.1 数据的DMA和CPU的对比195

13.8.2 算法优化197

13.8.3 递归消除200

13.9 总结202

参考文献203

第14章 DSP操作系统204

14.1 概述204

14.2 DSP操作系统基础204

14.3 实时性205

14.4 多核208

14.5 内存管理213

14.5.1 内存分配213

14.5.2 虚拟内存和内存保护213

14.6 网络214

14.6.1 处理器间通信214

14.6.2 网络互联216

14.7 调度217

14.7.1 参考模型217

14.7.2 抢占式调度与非抢占式调度218

14.7.3 阻塞作业与非阻塞作业218

14.7.4 协作式调度218

14.7.5 调度类型219

14.7.6 调度时的多核考虑219

14.7.7 离线调度及其可能的实现219

14.7.8 在线调度（基于优先级的调度）224

14.7.9 静态优先级调度224

14.7.10 动态优先级调度226

14.7.11 离线调度与在线调度的比较227

14.7.12 优先级反转227

14.8 DSP OS辅助工具229

14.9 总结231

参考文献232

第15章 DSP软件开发管理234

15.1 概述234

15.2 开发DSP应用面对的挑战234

15.3 DSP开发流程235

15.3.1 概念和规范定义阶段235

15.3.2 DSP算法标准和指导原则236

15.3.3 高级系统设计和工程性能237

15.3.4 软件开发238

15.3.5 系统创建、集成和测试238

15.3.6 工厂和现场测试238

15.4 DSP系统的设计挑战238

15.5 DSP高级设计工具239

15.6 DSP工具箱239

15.7 DSP的主机开发工具240

15.8 通用数据流实例242

15.9 代码调整及优化246

15.9.1 典型DSP开发流程246

15.9.2 新手入门248

15.10 总结248

第16章 DSP多核软件开发251

16.1 概述251

16.2 多核编程模型252

16.2.1 多个单核系统252

16.2.2 真正的多核系统254

16.3 移植向导255

16.3.1 设计上的考虑255

16.3.2 MJPEG案例分析256

16.3.3 实现细节259

16.4 总结262

第17章 DSP应用程序的开发与调试263

17.1 集成开发环境概述263

17.2 新建项目263

17.3 多核DSP环境下进行编译与链接267

17.3.1 DSP SDOS操作系统267

17.3.2 应用程序内存映射268

17.3.3 应用程序的编译器配置270

17.3.4 应用程序的链接器配置274

17.4 在多核DSP上执行和调试应用程序277

17.4.1 创建新连接277

17.4.2 建立运行配置279

17.4.3 调试器使用280

17.5 使用软件和硬件专用资源跟踪与剖析多核应用程序285

17.5.1 软件分析设置286

17.5.2 跟踪287

17.5.3 重要的代码288

17.5.4 代码覆盖289

17.5.5 性能290

案例分析294

案例分析1 LTE基带软件设计294

案例分析2 DSP在医疗器械上的应用346

案例分析3 VoIP DSP软件系统365

案例分析4 嵌入式DSP应用系统软件性能401

案例分析5 定义嵌入式系统的行为412

案例分析6 DSP在软件无线电领域的应用421