Микропроцессоры — это универсальные цифровые микросхемы, в которых вычислительный блок под управлением программы может выполнять различные действия. В результате все микропроцессоры позволяют обменять свое предельное быстродействие на сложность реализуемого алгоритма. Место микропроцессоров в классификации цифровых устройств приведено на рисунке 1.
Однако при создании цифровых устройств на микропроцессорах особенности решаемой задачи накладываются на архитектуру конкретного класса микропроцессоров. Рассмотрим основные задачи, которые приходится решать при обработке сигналов (вне зависимости от аналоговой или цифровой реализации схемы):
Последние три пункта из перечисленных видов цифровой обработки сигналов осуществляются на низкой частоте, поэтому обычно для их реализации требуется небольшая часть производительности процессора. Наибольшая производительность требуется при обработке высокочастотных сигналов. Это обусловлено малым временем между соседними отсчетами сигнала. За один и тот же промежуток времени требуется большее количество простых операций.
Теперь рассмотрим две первые задачи. При для выполнения операции требуется одна команда двоичного суммирования. Операция переноса спектра входного сигнала на заданную частоту требует операцию умножения и операцию формирования очередного отсчета синусоидальной функции. Это означает, что данная операция потребует большей производительности процессора по сравнению с предыдущей операцией обработки сигналов. Теперь сравним операцию суммирования и операцию умножения. При умножении двух чисел требуется вычислить несколько частных произведений и просуммировать их. позволяет выполнять операцию умножения за один машинный цикл процессора, поэтому наличие аппаратного умножителя является неотъемлемой чертой сигнальных процессоров.
Теперь проанализируем процесс фильтрации сигналов. При реализации частотных фильтров во временной области приходится осуществлять операцию свёртки. Типовая схема цифрового фильтра приведена на рисунке 2.
Из рисунка явно прослеживается последовательность одинаковых участков алгоритма. Многократно приходится умножать цифровой отсчет сигнала на коэфициент фильтра и суммировать результат с предыдущей суммой. При этом следует отметить такую особенность сумматора, как большая разрядность. Для 16-разрядного сигнального процессора разрядность чисел на выходе умножителя будет равна тридцатидвум разрядам. При суммировании нескольких чисел тоже увеличивается разрядность результата. При суммировании 256 одинаковых чисел значение результата увеличится в 256 раз, что соответствует увеличению разрядности числа на восемь разрядов (2 8 =256). Поэтому разрядность сумматора в 16-разрядном сигнальном процессоре будет равна сорока разрядам (32+8=40).
В результате мы сформировали еще одно требование к сигнальному процессору. Сигнальный процессор должен содержать в своем составе не просто аппаратный умножитель, а умножитель-накопитель данных (MAC). Причем операция умножения-накопления должна выполняться за один машинный цикл микропроцессора. Хотелось бы отметить тот факт, что операция умножения-накопления является составной частью не только алгоритма фильтрации, но и (половина базового алгоритма "бабочка")
Теперь поговорим еще об одном методе увеличения быстродействия сигнального процессора. В обычном процессоре применяется одношинная структура операционного блока процессора. В сигнальном процессоре применяется как минимум . Это позволяет одновременно подавать на вход арифметико-логического устройства или умножителя-накопителя два операнда и записывать результат в оперативное запоминающее устройство.
Еще одной важной особенностью микропроцессоров является способ организации циклического выполнения программы (операция умножения-накопления MAC при реализации цифрового фильтра или операция "бабочка" при реализации быстрого преобразования Фурье должны повторяться заданное количество раз). В вычислительном микропроцессоре для организации цикла используется особая переменная — параметр цикла. В конце цикла эта переменная сравнивается с заданным значением (обычно с нулем) и осуществляется переход на начало цикла. В результате алгоритм фильтрации будет выглядеть следующим образом:
В сигнальных процессорах организация цикла и формирование очередного адреса коэффициента и отсчета фильтра осуществляется аппаратно, поэтому не требует дополнительного времени. Все указанные особенности позволяют увеличить быстродействие сигнального процессора, не увеличивая его тактовую частоту, в результате алгоритмическое быстродействие сигнального процессора при выполнении операций обработки сигналов многократно превосходит быстродействие вычислительного микропроцессора . Перечислим отличительные свойства сигнального процессора:
Литература:
Вместе со статьей "Особенности сигнальных процессоров" читают:
В начало
ПЛАН ЛЕКЦИИ
1. Общая структура цифровой обработки сигналов
2. Структура процессоров цифровой обработки сигналов
3. Основные показатели процессоров цифровой обработки сигналов
4. Основные производители сигнальных процессоров
5. Аппаратная реализация
1. Общая структура цифровой обработки сигналов
Цифровые процессоры обработки сигналов (ЦПОС) или их равнозначное название – цифровые сигнальные процессоры (ЦСП или просто сигнальные процессоры), англоязычное сокращение – DSP (Digital Signal Processor ), предназначены для реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС) и систем управления в реальном времени.
Схема цифровой обработки аналоговых сигналов.
Кодер формирует последовательность чисел, соответствующую обрабатываемому аналоговому сигналу.
Декодер по принятому сигналу формирует аналоговый сигнал, то есть производит преобразования, обратные происходившим в кодере.
На вход системы поступает ограниченный по длительности сигнал x (t ). В силу конечной длительности сигнала его спектр бесконечен.
Аналого-цифровое преобразование осуществляется в два этапа: дискретизации по времени и квантования по уровню.
Дискретизация – это процедура взятия мгновенных значений сигнала x (t ) через равные промежутки времени Т. Мгновенные значения x (n Т) называются выборками, время Т – период дискретизации, а n - указывает порядковый номер отсчета. Чем чаще брать отсчеты, тем меньше период дискретизации Т, тем точнее последовательность отсчетов x (n Т) будет изображать исходный сигнал x (t ).
Период дискретизации Т определяет частоту дискретизации:
f д =;Т =
Из формул видно, что чем меньше Т,тем выше частота дискретизации f д ,а чем выше частота дискретизации, тем труднее вычислителю выполнять большое количество операций над отсчетами в темпе их поступления на переработку и тем сложнее должно быть устройство. Таким образом, точность представления сигнала требует увеличивать f д ,а стремление сделать вычислитель как можно боде простым приводит к желанию понизить f д.
Однако существует ограничениена минимальное значение f д : для полного восстановления сигнала по его отсчетам x (n Т) нужно, чтобы частота дискретизации f д была, как минимум, в два раза больше наивысшей частоты F в в спектре передаваемого сигнала x (t ).
f д ≥ 2F в; Т ≤
Отсюда следует, что при бесконечном спектре, когда F → ∞, дискретизация невозможна.
Тем не менее, в спектре любого конечного сигнала есть такие высшие составляющие, которые, начиная с некоторой верхней частоты f в, имеют незначительные амплитуды, и потому ими можно пренебречь без заметного искажения самого сигнала. Значение f в определяется конкретным типом сигнала и решаемой задачей. Например: для стандартного телефонного сигнала f в = 3,4 кГц, минимальная стандартная частота его дискретизации f д = 8 кГц. Ограничение спектра до частоты F = f в осуществляется фильтром нижних частот ФНЧ.
Квантование отсчетов по уровням (квантование) – производится с целью формирования последовательности чисел: весь диапазон изменения величины отсчетов разбивается на некоторое количество дискретных уровней, и каждому отсчету по определенному правилу присваивается значение одного из двух ближайших уровней квантования, между которыми оказывается данный отсчет. В результате получается последовательность чисел x (n Т) = x (n ), представляемых в двоичном коде. Количество уровней определяется разрядностью АЦП. Например: Если разрядность АЦП = 3, то всего можно иметь к = 2 3 = 8 уровней квантования, а минимальное значение отсчета равно 0 (000), а максимальное значение отсчета равно 7 (111). Ясно, что квантованный отсчет отличается от выборки x (n Т). Это отличие выражается ошибкой квантования:
,
которая тем больше, чем меньше разрядность АЦП.
После АЦП последовательность x (n Т) = x (n ) поступает на сигнальный процессор (СП), который по заданному алгоритму каждому отсчету x (n ) ставит в однозначное соответствие выходной отсчет y (n Т) = y (n ).
Количество операций (умножений, сложений и т.д.) для получения одного отсчета может исчисляться тысячами, поэтому сигнальный процессор должен работать на более высокой частоте F г, чтобы успеть произвести все необходимые действия до поступления очередного отсчета x (n ), то есть какой бы сложности не был алгоритм, время переработки t пер не должно превышать периода дискретизации T :
t пер ≤ T
Но это может быть обеспечено лишь в случае, когда тактовая частота f T вычислителя существенно превышает частоту дискретизации f д :
f д << f T
Именно при этих условиях возможна работа вычислителя в реальном времени, то есть в темпе поступления входных отсчетов.
Полученные выходные отсчеты с сигнального процессора подаются на ЦАП, а затем на сглаживающий фильтр нижних частот, который преобразует их в аналоговый непрерывный сигнал y (t ).
Основные задачи (алгоритмы) сигнальных процессоров:
1.)Цифровая фильтрация
Цифровая фильтрация – это селекция по частоте, то есть какие то частоты пропускать, а какие то нет. За цифровой фильтрацией стоит Z- преобразование, свертка.
2.) Спектроскопи
Спектроскопия – это совокупность методов обработки цифровых сигналов, которые позволяют в сигнале найти все частотные составляющие сигнала - не выделяя и не искажая их. Здесь производится ДПФ (дискретное преобразование Фурье) и БПФ (быстрое преобразование Фурье).
3.) Идентификация сигналов
Идентификация сигналов – это выделение сигналов на фоне частот и помех для того, чтобы удостовериться, что это сигнал, а не помеха. Здесь производится корреляционный анализ.
Корреляция – это степень совпадения двух функций.
4.) Модуляция и демодуляция.
За модуляцией и демодуляцией стоит аппаратное, математическое преобразование Гильберта.
Пример: демодуляция однополосного сигнала, который получается выделением одной из боковых полос амплитудно-модулированного сигнала. Результатом демодуляции является низкочастотный сигнал, представляющий собой огибающую узкополосного сигнала. Демодулированный сигнал x (n ) можно представить в комплексном виде:
;;, где
Мнимый сигнал;
x (n ) – вещественный сигнал;
s (n ) – огибающая сигнала x (n ).
Из формул видно, что x (n ) инаходятся в квадратуре относительно друг друга, то есть их фазы отличаются на π /2. Следовательно, необходимо иметь фазовращатель на π /2. Такие сигналы называются сопряженными по Гильберту, а устройство, формирующее пару сопряженных сигналов, называется цифровым преобразователем Гильберта (ЦПГ), который позволяет организовать вычисление огибающей s (n ) сигнала x (n ).
5) Сжатие, растяжение, перенос спектра
За сжатием, растяжением, переносом спектра стоит то же самое преобразование Гильберта. Считаются одним из модификаций модуляции и демодуляции.
Вычисления алгоритмов цифровой обработки сигналов сводятся к виду в реальном масштабе времени , когда время выполнения операций полностью прогнозируемо:
, где n
= 0, 1, 2, … , N
-1
x ( n ) – отсчеты воздействия;
y ( n ) – отсчеты реакции;
b к - вещественные коэффициенты, полностью определяющие свойства цифровых фильтров;
x ( n -к) - отсчеты воздействия, задержанные на к периодов дискретизации T .
Фильтр, описываемый данным выражением, называется нерекурсивным , или КИХ-фильтром (фильтром с конечной импульсной характеристикой).
Пример : Нужно сделать дискретизацию за определенное время, а не вообще. Пусть частота дискретизации f д = 48 кГц (округлим до 50 кГц). Нужно сделать дискретизацию за 20 мкс. Возьмем N = 5 и распишем формулу:
y 0 = b 0 x ( 0 - 0) + b 1 x (0 - 1) + b 2 x (0 - 2) + b 3 x (0 - 3) + b 4 x (0 - 4) = b 0 x 0 + b 1 x - 1 + b 2 x - 2 + b 3 x - 3 + b 4 x – 4
y 1 = b 0 x ( 1 - 0) + b 1 x (1 - 1) + b 2 x (1 - 2) + b 3 x (1 - 3) + b 4 x (1 - 4) = b 0 x 1 + b 1 x 0 + b 2 x - 1 + b 3 x - 2 + b 4 x – 3
y 2 = b 0 x ( 2 - 0) + b 1 x (2 - 1) + b 2 x (2 - 2) + b 3 x (2 - 3) + b 4 x (2 - 4) = b 0 x 2 + b 1 x 1 + b 2 x 0 + b 3 x - 1 + b 4 x – 2
y 3 = b 0 x ( 3 - 0) + b 1 x (3 - 1) + b 2 x (3 - 2) + b 3 x (3 - 3) + b 4 x (3 - 4) = b 0 x 3 + b 1 x 2 + b 2 x 1 + b 3 x 0 + b 4 x – 1
y 4 = b 0 x ( 4 - 0) + b 1 x (4 - 1) + b 2 x (4 - 2) + b 3 x (4 - 3) + b 4 x (4 - 4) = b 0 x 4 + b 1 x 3 + b 2 x 2 + b 3 x 1 + b 4 x 0
y 5 = записывается как y 0.
Примечание: x 0 – это отсчет показания АЦП в данный момент времени. Если отсчет показания АЦП с отрицательным знаком, то это означает, что отсчет – предшествующий. Для вычисления y 0 нужно использовать текущее показание АЦП и четыре предшествующих ему показаний, а для вычисления y 1 нужно использовать x 1 и четыре предшествующих ему показаний и т.д.
2. Структура процессоров цифровой обработки сигналов
Базовой операцией цифровой обработки сигналов является операция умножения и добавление (накопление) результата умножения. Устройство комбинированного сложения и умножения часто обозначают при описаниях мнемоникой МАС (Multiplier-Adder Combination ).Для того чтобы работать с высокой производительностью, процессор должен выполнять операцию МАС за один цикл (такт) работы процессора. Это должно выполняться аппаратно, а не программно. Отсчеты сигнала, коэффициенты фильтра и команды программы хранятся в памяти. Для выполнения операции требуется произвести три выборки из памяти – команды и двух сомножителей. Следовательно, для работы с высокой производительностью эти три выборки необходимо произвести за один такт работы процессора. При этом подразумевается, что результат операции остается в устройстве выполнения операции (в центральном процессорном устройстве), а не помещается в память. В более общем случае, нужна еще операция записи результата в память, т.е. необходимы четыре обращения к памяти за цикл. Таким образом, производительность процессора, прежде всего, определяется возможностями обмена данными между центральным процессорным устройством и памятью процессора и организацией их взаимодействия.
В процессорах цифровой обработки сигналов должна быть гарвардская архитектура с раздельными шинами данных и команд. Благодаря этому, можно будет одновременно производить операции обращения к различным устройствам памяти, т.е. синхронно выбирать команду из памяти программ и сомножитель из памяти данных. Память данных должна состоять из двух частей (традиционно они называются: памятью x и памятью y ). Для хранения отсчетов сигнала используется, например, память x , а для хранения коэффициентов – память y .
Таким образом, в процессорах Motorola для того, чтобы можно было произвести две выборки операндов за один такт, увеличивается количество независимых модулей памяти и количество шин для передачи данных. Процессоры имеют три банка (модуля) памяти для трех выборок за один такт и соответствующее количество шин. Проблемы с быстродействием могут возникнуть в случае нехватки внутренней памяти. По внешним шинам можно осуществить только одно обращение к памяти за такт.
В цифровых процессорах обработки сигналов используют специализированные устройства генерации адреса (УГА), которые формируют адреса данных, извлекаемых из памяти данных. УГА функционируют параллельно с другими модулями и позволяют одновременно с выполнением операций в АЛУ вычислять адреса операндов для следующей команды.
Циклические процессы, т.е. повторение одиночных команд и их блоков, занимают значительное место среди алгоритмов цифровой обработки сигналов. Обычная организация циклов программным образом требует использования команд формирования и проверки условий окончания циклов, которые должны выполняться при каждом прохождении «тела» цикла. На выполнение этих команд затрагивается время. Поэтому должен быть аппаратный счетчик циклов. В ПЦОС используются устройства, которые позволяют организовать циклы с «нулевыми потерями» времени на организацию (проверку условий окончания).
В процессорах Motorola используется команда цикла DO ,которая работает с регистрами начала и конца цикла (LC и LA ).
Гарвардская архитектура автоматически открывает многоступенчатый конвейер (от 3 до 11 ступеней конвейера). В базовом варианте: три ступени конвейера.
Базовый вариант: Motorola DSP 56 000 = 560 = 56К, где К = 000
Номер Процессор
сериив этой серии
3. Основные показатели процессоров цифровой обработки сигналов
1.) Способ представления данных.
По этому показателю все процессоры цифровой обработки сигналов делятся на :
1.1. Процессоры с фиксированной запятой (ФЗ) или процессоры с фиксированной точкой (ФТ ).
1.2. Процессоры с плавающей запятой (ПЗ) или процессоры с плавающей точкой (ПТ).
Наиболее распространены процессоры с фиксированной запятой или процессоры с фиксированной точкой - они стоятво всех телефонах.
В процессорах с плавающей запятой данные представляются в виде мантиссы или порядка. Процессоры с плавающей запятой значительно более сложные и наиболее дорогие (в несколько сотен долларов).
2.) Разрядность представления данных.
Для процессоров с фиксированной точкой разрядность равна 16 (у большинства сигнальных процессоров) или равна 24 (у фирмы Motorola).
Для процессоров с плавающей точкой разрядность равна 32 (из них порядок представляется8 разрядами, мантисса 23 разрядами, а знак 1 разрядом).
У процессоров с плавающей точкой большой диапазон представления чисел (мантиссу откидываем) с учетом знака: от 2 −128 до 2 127 .
Диапазон представления чисел устанавливает границы между минимально и максимально допустимыми значениями, представляемыми в заданном формате и коде.
Динамический диапазон (ДД):
ДД = |max значение | / |min значение ≠ 0 |
Динамический диапазон в децибелах равен:
20 lg (ДД ) = 20 lg (| max значение | / | min значение ≠ 0 |)
Динамический диапазон сигналов, с которыми могут без искажений работать процессоры, у процессоров с фиксированной точкой значительно уже (на несколько десятичных порядков). При относительно простых алгоритмах обработки это может быть неважно, т.к. динамический диапазон реальных входных сигналов чаще всего меньше, чем допускает DSP, однако в некоторых случаях возможно возникновение ошибок переполнения при выполнении программы. Это приводит к принципиально неустранимым нелинейным искажениям выходного сигнала, аналогичным искажениям из-за ограничения в аналоговых схемах.
3) Производительность
Одна из самых частых ошибок разработчика - отождествление тактовой частоты и быстродействия, что в большинстве случаев неправильно. Очень часто скорость работы DSP указывают в MIPS (миллионах инструкций в секунду). Это наиболее просто измеряемый параметр. Производительность нормальных процессоров – это несколько десятков MIPS.
Однако проблема сравнения скорости различных DSP состоит в том, что процессоры
имеют различные системы команд, и для выполнения одного и того же алгоритма разными процессорами требуется разное число этих команд. Кроме того, иногда для выполнения различных команд одним процессором требуется различное количество тактов синхронизации. В результате процессор со скоростью 1000 MIPS вполне может оказаться в разы медленнее процессора со скоростью 300 MIPS, особенно при различной их разрядности.
Одно из решений этой проблемы - сравнивать процессоры по скорости выполнения
определенных операций, например, операции умножения с накоплением (MAC). Скорость
выполнения таких операций критична для алгоритмов, использующих цифровую
фильтрацию, корреляцию и преобразования Фурье. К сожалению, такая оценка также не
дает полной информации о реальном быстродействии процессора.
Наиболее точной является оценка скорости исполнения определенных алгоритмов -
например, КИХ и БИХ - фильтрации, однако это требует разработки соответствующих программ и тщательного анализа результатов тестирования.
Существуют компании, занимающиеся анализом и сравнением процессоров по основным характеристикам, в том числе и по скорости. Лидером среди таких компаний является BDTI(Berkeley Design Technology, Inc ).
4. Основные производители сигнальных процессоров
1.) Фирма Texas Instruments (TI ) занимает около 48 % рынка ПЦОС. Именно она выпустила в 1982 г . первый ПЦОС, который имел коммерческий успех. ПЦОС TMS32010 использовался в игре Speak and Spell ("Скажи и произнеси по буквам"), а также в говорящей кукле по имени Джули . Все процессоры цифровой обработки сигналов фирмы Texas Instruments идут под маркой: TMS3200xxx.
3.)Фирма Motorola. Серии: DSP560xx
DSP 561xx Процессоры с фиксированной точкой.
DSP 563xx
DSP 566xx
DSP 568xx
В нашей стране также производятся сигнальные процессоры, правда они несколько уступают зарубежным аналогам, но они есть. Например: в настоящее время научно-исследовательский институт электронной техники («НИИЭТ») серийно выпускает 16-разрядные процессоры ЦОС с фиксированной запятой М1867ВМ x с производительностью 5 MIPS.
5. Аппаратная реализация
Процессор цифровой обработки сигналов разбивается на две части: операционный блок и блок управления.
Операционныйблок
Блок управления операцией.
На входные регистры x 0 , x 1 , y 0 , y 1 из памяти поступают данные и передаются на МАС или АЛУ, которые могут использоваться как отдельно, так и в паре. Если нужно использовать данные двойной длины, то, как правило, используют 16 разрядов. Результат выполнения операции из аккумулятора А или В передаётся в память данных через сдвигатель - выходной.
Распределение нагрузки между МАС и АЛУ: 62 команды в базовом варианте, из них: 61 - АЛУ и 1 - МАС.
МАС выполняется в 1000 раз чаще, чем все другие команды и, именно он определяет скорость быстродействия.
Рис. Схема блока МАС
В блоке МАС после умножения первое суммирование происходит с нулём, а далее после каждого умножения происходит суммирование с каждым значением аккумулятора. Аккумуляторов всегда два или более.
Сдвигатель позволяет производить сдвиги при передаче и загрузке операндов без использования дополнительных команд.
Если в процессорах фирмы Motorola (в базовом варианте Motorola DSP 560xx ) разрядность слова равна 24, то длина расширенного слова составляет: 24 + 24 + 8 = 56 битов, где 8 разрядов отводится на расширение данных.
Если в процессорах фирмы Motorola разрядность слова равна 16, то длина расширенного слова составляет: 16 + 16 + 8 = 40 битов, где 8 разрядов отводится на расширение данных.
Пример представления целых чисел в форматах двойное и расширенное слово аккумулятора длиной 56 битов в процессорах DSP560xx фирмы Motorola:
Примечание:
На рисунке расширение EXT заполнено нулями – значением 47-го знакового бита.
Представление целых чисел в формате с ФТ в форматах двойное и расширенное слово предполагает следующее функциональное распределение битов:
1.) Старший бит MSB старшего слова MSP используется:
· как знаковый при представлении целых чисел со знаком ; значение MSB = 0 соответствует положительному знаку, а MSB = 1 - отрицательному знаку; ноль считается положительным; остальные биты являются значащими;
· как старший значащий при представлении беззнаковых чисел; беззнаковыми называются целые числа, имеющие положительный знак по умолчанию.
2.) Все биты, кроме знакового, считаются значащими ; они выравниваются по правому краю формата, т.е. младший бит LSB соответствует младшему разряду целого двоичного числа.
3.) При представлении целых чисел со знаком в формате «расширенное слово» в расширении EXT происходит расширение знака ; это означает, что все биты EXT автоматически заполняются значением старшего знакового бита MSB слова MSP : LSP .
4.) При представлении целых беззнаковых чисел в формате «расширенное слово» все биты EXT обнуляются.
Процессоры цифровой обработки сигналов представляют собой класс специализированных микропроцессоров, предназначенных для решения задачцифровой обработки сигналов (ЦОС), к которым относятся обработка звуковых сигналов, обработка изображений, распознавание речи, распознавание образов, цифровая фильтрация, спектральный анализ и др.
Часто в литературе такие микропроцессоры называются цифровыми сигнальными процессорами (ЦСП), илиDSP(Digital Signal Processors).
Первые процессоры этого класса появились в конце 1970-х годов. Требования практики, связанные с широким развитием мобильной беспроводной связи, стационарных систем широкополосной связи, использованием цифровой обработки сигналов в бытовой аудио- и видеотехнике и устройствах компьютерной периферии, с одной стороны и колоссальный прогресс электронной промышленности с другой привели к тому, что к настоящему времени производительность ЦСП возросла до сотен миллионов операций в секунду, а цена упала более чем на 90 % и даже для самых мощных процессоров составляет в настоящее время менее $20. Низкая потребляемая мощность (менее 1 Вт на максимальной частоте работы процессора) обеспечивает их широкое использование в различных встраиваемых устройствах от бытовой электроники до бортовых систем специального назначения.
Цифровая обработка сигналов - это арифметическая обработка последовательности значений амплитуд сигнала, получаемых через равные промежутки времени. Главное, что отличает эту информацию, - она необязательно заносится в память и поэтому может оказаться недоступной в будущем. Следовательно, обрабатывать ее нужно в реальном масштабе времени (РМВ).
К основным особенностям цифровой обработки сигналов, которые во многом определяют архитектуру процессоровDSP, относятся:
поточный характер обработки больших объемов данных в РМВ;
обеспечение возможности интенсивного обмена с внешними устройствами.
Для эффективной реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов необходима аппаратная поддержка базовых операций ЦОС. Поэтому рассмотрим вначале принципы цифровой обработки сигналов, оказы вающие особое влияние на архитектуру ЦСП.
Любой аналоговый сигнал можно представить в виде характеристик -либо амплитуда-время, либо частота-амплитуда. Для перехода от одной формы представления к другой используется преобразование Фурье . Операции, выполняющие это преобразование, являются базовыми вцифровой обработке сигналов .
Преобразование Фурье представляет собой в общем случае работу с некоторой непрерывной функцией. С непрерывным преобразованием Фурье удобно работать в теории, но на практике мы обычно имеем дело с дискретными данными. Для обработки звуковых и видеосигналов в компьютере они сначала преобразуются в цифровую форму и представляются в виде некоторого набора отсчетов частот и амплитуд, производимых через определенные промежутки времени (период дискретизации). Поэтому здесь стоит говорить не об интегральном, а одискретном преобразовании Фурье (ДПФ).
Пусть дана конечная последовательность чисел x 0 ,x 1 ,x 2 , ..., x N-1 (в общем случае комплексных).Дискретноеgj преобразование Фурье заключается в поиске другой последовательностиX 0 , X 1 , X 2 , ..., X N-1 , элементы которой вычисляются по формуле:
В общем случае гармоническое колебание, которое имеет вид, пред ставленный на рис. 16.1, описывается следующим выражением:
Рис. 16.1. Общий вид гармонического колебания
где- круговая частота сигнала. Данное выражение будем называть гармоникой.
Преобразуем последнее выражение к виду:
Разложим каждое комплексное число X k из выражения обратного преобразования Фурье (16.2) на мнимую и действительную составляющие, а экспоненту - по формуле Эйлера на синус и косинус действительного аргумента. Получим:
Рассмотрим теперь функцию x = f(t), представляющую собой некоторое звуковое или какое-либо иное колебание. Пусть это колебание описано графиком на временном интервале(рис. 16.2).
Для обработки этого сигнала в компьютере нужно выполнить его дискретизацию. С этой целью временной интервал делится на N-1 частей
Рис. 16.2. Дискретизация гармонической функции
и сохраняются значения функции x 0 ,x 1 ,x 2 , ..., x N-1 для N точек на границах интервалов.
В результате прямого дискретного преобразования Фурье могут быть получены N значений для X k согласно (16.1).
Если теперь применить обратное дискретное преобразование Фурье , то получится исходная последовательность{x n }. Исходная последовательность состояла из действительных чисел, а последовательность{X k }в общем случае комплексная. Если приравнять нулю ее мнимую часть, то получим:
Сопоставив эту формулу с формулами (16.4) и (16.6) для гармоники, увидим, что выражение (16.8) представляет собой сумму из N гармонических колебаний разной частоты, фазы и амплитуды. То есть физический смысл дискретного преобразования Фурье состоит в том, чтобы представить некоторый дискретный сигнал в виде суммы гармоник. Параметры каждой гармоники вычисляются прямым преобразованием Фурье, а сумма гармоник - обратным.
Теперь, например, операция "фильтр нижних частот", которая "вырезает" из сигнала все частоты выше некоторой заданной, может просто обнулить коэффициенты, соответствующие частотам, которые необходимо удалить. Затем, после обработки, выполняется обратное преобразование.
Особенности цифровой обработки сигналов рассмотрим на примере алгоритма нерекурсивной фильтрации. Структура устройства, реализую щего данный алгоритм, показана нарис. 16.3.
Рис. 16.3. Схема работы нерекурсивного фильтра
Обработка заключается в формировании выходного сигнала Y[k]по значениямN последних входных отсчетовx[k], которые поступают на вход устройства через определенный интервал времениТ. Принятые отсчеты сохраняются в ячейках циклического буфера. При приеме очередного отсчета содержимое всех ячеек буфера переписывается в соседнюю позицию, самый старый отсчет покидает буфер, а новый записывается в его младшую ячейку.
Аналитически алгоритм работы нерекурсивного фильтра записыва ется как:
|
|
где a i - коэффициенты, определяемые типом фильтра.
Отсчеты с выходов элементов буфера поступают на умножители, на вторые входы которых поступают коэффициенты a i . Результаты произведений складываются и формируют отсчет выходного сигналаY[k], после чего содержимое буфера сдвигается на 1 позицию и цикл работы фильтра повторяется. Выходной сигналY[k]должен быть вычислен до поступления следующего входного сигнала, то есть за интервал T. В этом заключается суть работы устройства в реальном масштабе времени. Интервал времениT задается частотой дискретизации, которая определяется областьюприменения фильтра. По следствию из теоремы Котельникова в дискретном сигнале период, соответствующий наивысшей представимой частоте, соответствует двум периодам дискретизации. При обработке звукового сигнала частоту дискретизации можно принять в 40 кГц. В этом случае если необходимо реализовать цифровой нерекурсивный фильтр 50-го порядка, то за время в 1/40 кГц = 25 мкс должно быть выполнено 50 умножений и 50 накоплений результатов умножения. Для обработки видеосигнала интервал времени, за который должны быть выполнены эти действия, будет на несколько порядков меньше.
Если выполнять ДПФ входной последовательности напрямую, строго по исходной формуле, то потребуется много времени. Посчитав по определению (N раз суммировать N слагаемых), получаем величину порядкаN 2 .
Тем не менее, можно обойтись существенно меньшим числом операций.
Наиболее популярным из алгоритмов ускоренного вычисления ДПФ является метод Кули-Тьюки (Cooley-Tukey), позволяющий вычислить ДПФ для числа отсчетов N = 2kза время порядкаN*log 2 N (отсюда и название -быстрое преобразование Фурье , БПФ, или в английском вариантеFFT - Fast Fourier TRansformation). Основная идея этого метода заключается в рекурсивном разбиении массива чисел на два подмассива и сведении вычисления ДПФ от целого массива к вычислению ДПФ от подмассивов в отдельности. При этом процесс разбиения исходного массива на подмассивы проводится по методу побитовой обратной сортировки (bit-reversal sortINg).
Сначала входной массив делится на две подмассива - с четными и нечетными номерами. Каждый из подмассивов перенумеровывается и снова делится на два подмассива - с четными и нечетными номерами. Эта сортировка продолжается до тех пор, пока размер каждого подмассива не достигнет 2 элементов. В результате (что можно показать математически) номер каждого исходного элемента в двоичной системе переворачивается. То есть, например, для однобайтных номеров двоичный номер 00000011 станет номером 110000000, номер 01010101 - номером 10101010.
Существуют алгоритмы БПФ для случаев, когда N является степенью произвольного простого числа (а не только двойки), а также в случае, когда число N является произведением степеней простых чисел любого числа отсчетов. Однако БПФ, реализованное по методу Кули-Тьюки для случая N = 2k, получило наиболее широкое распространение. Причина этого в том, что алгоритм, построенный по этому методу, обладает рядом очень хороших технологических свойств:
структура алгоритма и его базовые операции не зависят от числа отсчетов (меняется только число прогонов базовой операции);
алгоритм легко распараллеливается с использованием базовой операции и конвейеризуется, а также легко каскадируется (коэффициенты БПФ для 2N отсчетов могут быть получены преобразованием коэффициентов двух БПФ по N отсчетов, полученных "прореживанием" исходных 2N отсчетов через один);
алгоритм прост и компактен, допускает обработку данных "на месте" и не требует дополнительной оперативной памяти.
Однокристальные микроконтроллеры и даже универсальные микропроцессоры оказываются относительно медленными при выполнении операций, характерных для ЦОС. К тому же требования к качеству преобразования аналоговых сигналов постоянно возрастают. В сигнальных микропроцессорах такие операции поддерживаются на аппаратном уровне и выполняются, соответственно, достаточно быстро. Работа в реальном масштабе времени требует от процессора также поддержки на аппаратном уровне таких действий, как обработка прерываний, программных циклов.
Все это приводит к тому, что DSP-процессоры, архитектурно включая в себя многие черты как универсальных микропроцессоров, особенно сRISC-архитектурой , так иоднокристальных микроконтроллеров , в то же время значительно отличаются от них. Универсальный микропроцессор помимо чисто вычислительных операций выполняет функцию объединяющего звена всей микропроцессорной системы, в частности компьютера.
Он должен управлять работой различных компонентов аппаратного обеспечения, таких как дисководы, графические дисплеи, сетевой интерфейс, с тем чтобы обеспечить их согласованную работу. Это приводит к достаточно сложной архитектуре, поскольку она должна поддерживать наряду с целочисленной арифметикой и операциями с плавающей запятой такие базовые функции, как защита памяти, мультипрограммирование, обработка векторной графики и т. п. В итоге типичный универсальный микропроцессор с CISC-, а зачастую и RISC-архитектурой имеет систему из несколько сотен команд, которые обеспечивают выполнение всех этих функций, и соответствующую аппаратную поддержку. Это ведет к необходимости иметь в составе такого МП десятки миллионов транзисторов.
В то же время DSP-процессор является узкоспециализированным устройством. Его единственная задача - быстро обрабатывать поток цифровых сигналов. Он состоит главным образом из высокоскоростных аппаратных схем, выполняющих арифметические функции и манипулирующих битами, оптимизированных таким образом, чтобы быстро обрабатывать большие объемы данных. В силу этого набор команд уDSPкуда меньше, чем у универсального микропроцессора: их число обычно не превышает 80. Это значит, что дляDSPтребуется облегченный декодер команд и гораздо меньшее число исполнительных устройств. Кроме того, все исполнительные устройства в конечном итоге должны поддерживатьвысокопроизводительные арифметические операции. Таким образом, типичныйDSP-процессор состоит не более чем из нескольких сот тысяч (ане десятков миллионов, как в современных CISC-МП) транзисторов. В силу этого такие МП потребляют меньше энергии, что позволяет использовать их в продуктах, работающих от батарей. Крайне упрощается их производство, поэтому они находят себе применение в недорогих устройствах. Сочетание низкого энергопотребления и невысокой стоимости позволяет использовать их не только в высокой сфере телекоммуникаций, но и в сотовых телефонах и роботах-игрушках.
Отметим основные особенности архитектуры процессоров цифровой обработки сигналов :
Гарвардская архитектура , основу которой составляет физическое и логическое разделение памяти команд и памяти данных. Ключевые команды DSP-процессора являются многооперандными, и ускорение их работы требует одновременного чтения нескольких ячеек памяти. Соответственно на кристалле имеются раздельные шины адреса и данных (в некоторых типах процессоров - несколько шин адреса и данных). Это позволяет совмещать во времени выборку операндов и исполнение команд. Использование модифицированной гарвардской архитектуры предполагает, что операнды могут храниться не только в памяти данных, но и в памяти команд вместе с программами. Например, в случае реализации цифровых фильтров коэффициенты могут храниться в памяти программ, а значения данных - в памяти данных. Поэтому коэффициент и данные могут выбираться в одном машинном цикле. Для обеспечения выборки команды в том же машинном цикле используется либо кэш-память программ, либо двукратное обращение к памяти программ за время машинного цикла.
Для сокращения времени выполнения одной из основных операций цифровой обработки сигнала - умножения - применяется аппаратный умножитель. В процессорах общего назначения эта операция реализуется за несколько тактов сдвига и сложения и занимает много времени, а в DSP-процессорах благодаря специализированному умножителю нужен всего один цикл. Встроенная схема аппаратного умножения позволяет выполнить за 1 такт основную операцию ЦОС - умножение с накоплением (MultIPly-Accumulate - MAC) для 16- и/или 32-разрядных операндов.
Аппаратная поддержка циклических буферов. Например, для фильтра, представленного на рис. 16.3, при каждом вычислении отсчета выходного сигнала используется новый отсчет входного сигнала, который сохраняется в памяти на месте самого старого. Для такого циркулирующего буфера может использоваться фиксированная область ОЗУ. При этом во время вычислений генерируются лишь последовательные значения адресов ОЗУ вне зависимости от того, какая операция - запись или чтение - выполняется в настоящий момент. Аппаратная реализация циклических буферов позволяет установить параметры буфера (адрес начала, длина) в программе вне тела цикла фильтрации, что позволяет сократить время выполнения циклического участка программы.
Сокращение длительности командного такта. Это во многом обеспечивается приемами, характерными для RISC-процессоров. Главными из них являются размещение операндов большинства команд в регистрах, а также конвейеризация на уровне команд и микрокоманд. Конвейер имеет от 2 до 10 ступеней, что позволяет на различных стадиях выполнения одновременно обрабатывать до 10 команд. При этом используется генерация адресов регистров параллельно с выполнением арифметических операций, а также многопортовый доступ к памяти. Сюда же можно отнести и такой прием, характерный для универсальных микропроцессоров с EPIC-архитектурой , как применение команд со сверхбольшой длиной слова (VLIW), генерируемых на стадии компиляции программы. Этому же служит и рассмотренная выше гарвардская архитектура процессора, характерная для однокристальных микроконтроллеров.
Наличие на кристалле процессора внутренней памяти, что роднит ЦСП с однокристальными МК. Встроенная в процессор память обычно имеет значительно большее быстродействие, чем внешняя. Наличие встроенной памяти позволяет значительно упростить систему в целом, уменьшить ее размеры, энергопотребление и стоимость. Емкость внутренней памяти является результатом определенного компромисса. Ее увеличение ведет к удорожанию процессора и увеличивает энергопотребление, а ограниченная емкость памяти программ не позволяет хранить сложные алгоритмы. Большинство DSP-процессоров с фиксированной точкой имеют малую емкость внутренней памяти, обычно от 4 до 256 Кбайт, и невысокую разрядность внешних шин данных, связывающих процессор с внешней памятью. В то же время ЦСП с плавающей точкой обычно предполагают работу с большими массивами данных и сложными алгоритмами и имеют либо встроенную память большой емкости, либо большую разрядность адресных шин для подключения внешней памяти (а иногда и то, и другое).
Широкие возможности по аппаратному взаимодействию с внешними устройствами, включающие:
большое разнообразие интерфейсов, в том числе контроллеры локальной промышленной сети CAN, встроенные коммуникационные (SCI) и периферийные (SPI) интерфейсы, I2C, UART;
несколько входов для аналоговых сигналов и, соответственно, встроенный АЦП;
выходные каналы широтно-импульсной модуляции (ШИМ);
развитую систему внешних прерываний;
контроллеры прямого доступа в память.
В некоторых DSP-семействах предусмотрены специальные аппаратные средства, облегчающие создание мультипроцессорных систем с параллельной обработкой данных для наращивания производительности.
DSP-процессоры широко используются в мобильных устройствах, где потребляемая мощность является основной характеристикой. Для снижения энергопотребления в сигнальных процессорах применяется множество методов, в том числе уменьшение напряжения питания и введение функций управления потреблением, например, динамическое изменение тактовой частоты, переключение в спящий или дежурный режим либо отключение не используемой в данный момент периферии. Следует отметить, что эти меры оказывают значительное воздействие на скорость работы процессора и при некорректном использовании могут привести к неработоспособности проектируемого устройства (в качестве примера можно упомянуть некоторые сотовые телефоны, которые в результате ошибок в программах управления энергопотреблением иногда переставали включаться) или к ухудшению его эксплуатационных характеристик (например, значительному времени восстановления работоспособности при выходе из спящего режима).
Система команд сигнальных процессоров имеет многие черты систем команд универсальных микропроцессоров (особенно с RISC-архитектурой) и однокристальных микроконтроллеров. Она включает в себя основные арифметические и логические операции и команды переходов, но в меньшем, чем в универсальных МП, количестве. Число режимов адресации операндов также относительно невелико. Команда имеет простой, четко заданный формат. Длина команды составляет одно, реже два 16разрядных слова. Однако наряду с использованием сокращенного набора команд, в DSP-процессорах применяются и такие характерные для MMX-обработки аппаратно поддерживаемые инструкции, как команды поиска минимума и максимума, получения абсолютного значения, сложения с насыщением, при котором в случае переполнения при сложении двух чисел результату присваивается максимально возможное в данной разрядной сетке значение. Это ведет к уменьшению количества конфликтов в конвейере и повышает эффективность работы процессора.
С другой стороны, ЦСП содержат ряд команд, наличие которых обусловлено спецификой их применения и которые вследствие этого редко присутствуют в микропроцессорах других типов. Прежде всего это, конечно, команда умножения с накоплением суммы MAC, лежащая в основе ЦОС: А = В*С+А. В системах команд некоторых сигнальных процессоров можно при программировании указать число выполнений этой команды в цикле и правила изменения индексов для адресации операндов В и С. При этом в отличие от команд повторения обычных процессоров сигнальный процессор может аппаратно поддерживать проверку условия завершения цикла. Сюда же можно отнести и команды сдвига (перезаписи) в соседнюю ячейку ОЗУ данных, поддерживающие работу циклического буфера для подготовки умножения в следующем такте.
Для эффективной реализации алгоритмов БПФ в систему команд некоторых DSP-процессоров включены возможности адресации с реверсированием бит адреса.
Программирование микропроцессоров этого класса также имеет свои особенности. Значительное удобство для разработчика, обычно связываемое с использованием языков высокого уровня, в большинстве случаев оборачивается получением менее компактного и быстрого кода. Так как особенности ЦОС предполагают работу в реальном времени, это приводит к необходимости использования для решения тех же задач более мощных и дорогих DSP. Такая ситуация особенно критична для крупносерийной продукции, где разница в стоимости более производительного DSP или дополнительного процессора играет важную роль. В то же время в современных условиях скорость разработки (и, следовательно, выхода нового изделия на рынок) может принести больше выгод, чем затраты времени на оптимизацию кода при написании программы на ассемблере.
Компромиссным подходом здесь служит использование ассемблера для написания наиболее критичных с точки зрения время- и ресурсоемкости участков программы, в то время как основная часть программы пишется на языке высокого уровня, как правило, Си или Си++.
Сегодня уже забылись популярные в середине восьмидесятых годов среди электронщиков разговоры о степени отставания советской электроники от западной. Тогда судили о степени развития электроники по развитию процессоров к персональным компьютерам. "Железный занавес" делал свое дело, мы тогда даже не могли представить, что советская электроника отстала от западной не на год или два, а навсегда.
Простые советские инженеры, не допущенные на крупнейшие мировые профессиональные семинары по электронике и не посвященные в тайны, разведанные КГБ, могли судить о развитии электроники по программе "Время" и по голливудским фильмам десятилетней давности. После восторгов об электронных штучках Джеймсов Бондов делалось заключение, что: все это спецэффекты кинематографа; все создано на специализированных микропроцессорах (никогда не уточнялось, на каких); и что "у нас, где надо и у кого надо есть вещи и покруче". После таких глубокомысленных выводов советские инженеры с новым творческим порывом в своих НИИ продолжали создавать шедевры на 155-х ТТЛ-микросхемах, или, самые приближенные к военно-промышленному комплексу, на 133-й серии.
К своему стыду, должен признаться, что я также, примерно до середины девяностых годов, подразумевал, что специализированные процессоры - нечто совершенно сложное и невообразимое. Но, к счастью, времена изменились, и первыми специализированными процессорами, с которыми мне довелось познакомиться, стали процессоры цифровой обработки сигналов или сигнальные процессоры (ЦСП, DSP - Digital Signal Processor).
Сигнальные процессоры появились как следствие развития цифровых технологий, которые все шире внедрялись в традиционные "аналоговые" приложения: радио- и проводная связь, видео- и аудиотехника, измерительные и бытовые приборы. Создания специализированных процессоров для обработки сигналов требовали и чисто цифровые устройства: модемы, дисковые накопители, системы обработки данных и т.д. Главная отличительная черта ЦСП от обычных микропроцессоров - максимальная приспособленность к решению задач цифровой обработки сигналов. Это именно "специализированные" контроллеры, специализация которых заключается в такой архитектуре и системе команд, которые позволяли бы оптимально выполнять операции преобразования и фильтрации сигналов в режиме реального времени. У обычных микроконтроллеров команды, выполняющие такие операции, или вообще не предусмотрены, или их работа весьма медленна, что не дает возможности их использования в критичных по скорости процессах. Поэтому применение традиционных микропроцессоров вело, с одной стороны, к неоправданному усложнению и удорожанию схемного решения устройства, с другой - к неэффективному, однобокому использованию возможностей контроллера. ЦСП были призваны решить это противоречие и прекрасно со своей задачей справились.
Сигнальные процессоры появились в начале 80-х годов. Первым широко известным сигнальным процессором стал выпущенный в 1982 году фирмой Texas Instruments ЦСП TMS32010, с производительностью в несколько MIPS (миллионов инструкций в секунду), созданный по 1,2 мкм технологии. Вслед за Texas Instruments ЦСП стали выпускать и другие фирмы. В настоящее время Texas Instruments является лидером по производству ЦСП, ей принадлежит около половины рынка этих контроллеров. Вторым по величине производителем ЦСП является компания Lucent Technologies, которая производит около трети этих устройств. Замыкают четверку лидеров Analog Devices и Motorola, имеющие примерно равную долю рынка и выпускающие вместе примерно четверть всех ЦСП. На долю остальных производителей, хотя среди них находятся такие известные фирмы, как Samsung, Zilog, Atmel и другие, приходятся оставшиеся 5-6 процентов рынка сигнальных процессоров.
Понятно, что законодателями мод среди производителей являются компании-лидеры в этой области и, в первую очередь Texas Instruments. Политика компаний лидеров при производстве и продвижении сигнальных процессоров существенно разнится.
Texas Instruments ставит задачу производства максимально широкого ассортимента, способного перекрыть все возможные применения процессоров при все большей производительности. В настоящее время производительность сигнальных процессоров достигает до 8800 MIPS, и производятся они по технологии от 0,65 мкм до 0,1 мкм. Тактовая частота достигает 1,1 ГГц.
Lucent Technologies ориентируется на крупных производителей конечного оборудования и предлагает свою продукцию через дистрибьюторскую сеть, не прибегая к широкой рекламной компании. Фирма специализируется на ЦСП для телекоммуникационного оборудования, в частности, в таком перспективном в настоящее время направлении, как создание станций сотовой связи.
Analog Devices, напротив, ведет активную маркетинговую политику и рекламную компанию, о чем свидетельствует хотя бы аббревиатура в названии ЦСП этой фирмы SHARK и Tiger SHARK (акула и тигровая акула). В технической области процессоры этой фирмы оптимизированы по энергопотреблению и для построения многопроцессорных систем.
Motorola распространяет свои процессоры, широко используя собственную разветвленную дистрибьюторскую сеть. В архитектуре ЦСП Motorola первой пошла по пути создания на одном кристалле одновременно сигнального процессора и классического микроконтроллера, которые работают как одна система, что значительно облегчает жизнь разработчикам оборудования, упрощая схемное решение.
Архитектура и технологии изготовления ЦСП уже разработаны достаточно хорошо, однако требования устойчивости работы и точности вычислений ЦСП приводят к тому, что не удается избавиться от высокой сложности функциональных устройств, выполняющих обработку данных (особенно в формате с плавающей точкой), что не позволяет существенно снизить издержки при производстве процессоров. Стоимость ЦСП может колебаться от 2 до 180 и более долларов за единицу.
Отличительными особенностями характеристик сигнальных процессоров являются высокоскоростная арифметика, передача и получение данных в реальном времени и архитектура памяти с множественным доступом.
Любое арифметическое действие в процессе выполнения требует следующих элементарных операций: выборки операндов; выполнения сложения или умножения; сохранения результата или его повторения. Кроме того, в процессе вычислений требуются задержки, выборки значений из последовательных ячеек памяти и копирование данных из памяти в память. В сигнальных процессорах повышение скорости выполнения арифметических операций достигается за счет: параллельного выполнения действий, множественного доступа к памяти (выборка двух операндов и сохранение результата), наличия большого числа регистров для временного хранения данных, аппаратной реализации специальных возможностей: осуществление задержек, умножителей, кольцевой адресации и т.д. В сигнальных процессорах реализуется также аппаратная поддержка программных циклов, кольцевых буферов, возможность извлечения из памяти одновременно нескольких операндов в цикле исполнения команды.
Главным достоинством и отличием между ЦСП и универсальными микропроцессорами является то, что процессор взаимодействует со многими источниками данных в реальном мире. Процессор может получать и передавать данные в реальном времени, не прерывая при этом выполнение внутренних математических операций. Для этих целей непосредственно в чип встраивают аналогоцифровые и цифро-аналоговые преобразователи, генераторы, декодеры и другие устройства непосредственного "общения" с внешним миром.
Построение памяти с множественным доступом достигается, в основном, за счет применения Гарвардской архитектуры. Под Гарвардской архитектурой понимается такая архитектура, которая имеет две физически разделенные шины данных, что позволяет осуществить два доступа к памяти одновременно. Но для выполнения DSP-операций только этого недостаточно, особенно при использовании в команде двух операндов. Поэтому Гарвардская архитектура добавляется еще кэш-памятью, для хранения тех инструкций, которые будут использоваться вновь. При использовании кэш-памяти шина адреса и шина данных остаются свободными, что делает возможным выборку двух операндов. Такое расширение - Гарвардская архитектура плюс кэш - называют расширенной Гарвардской архитектурой или SHARC (Super Harvard ARChitecture).
Конкретные характеристики ЦСП рассмотрим на семействе DSP568xx компании Motorola, в которых совмещены особенности цифровых сигнальных процессоров и универсальных микроконтроллеров.
Ядро DSP56800 является программируемым 16-разрядным КМОП-процессором, предназначенным для выполнения цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени и решения вычислительных задач, и состоит из четырех функциональных устройств: управления, генерации адресов, АЛУ, обработки битов. Для увеличения производительности операции в устройствах выполняются параллельно. Каждое из устройств может функционировать независимо и одновременно с тремя другими, т.к. имеет свой набор регистров и логику управления. Ядро реализует одновременное выполнение нескольких действий: устройство управления выбирает первую команду, устройство генерации адресов формирует их адреса второй команды, а АЛУ выполняет умножение третьей команды. Широко используются совмещенные передачи и выполнение операций.
Встроенная память может содержать (для семейства):
Флэш-память программ до 60К
Флэш-память данных до 8К
ОЗУ-программ до 2К
ОЗУ-данных до 4К
Флэш-память программы загрузки 2К
На микрочипах семейства реализовано большое количество периферийных устройств: ШИМ-генераторы, 12-разрядные АЦП с одновременной выборкой, квадратурные декодеры, четырехканальные таймеры, контроллеры CAN-интерфейса, двухпроводные последовательные коммуникационные интерфейсы, последовательные интерфейсы, программируемый генератор с ФАПЧ для формирования тактовой частоты ядра DSP и др.
Производительность 40 MIPS при тактовой частоте 80 МГц и напряжении питания 2.7:3.6 В;
Однотактный параллельный 16х16 умножитель-сумматор;
Два 36-разрядных аккумулятора, включая биты расширения;
Однотактное 16-разрядное устройство циклического сдвига;
Аппаратная реализация команд DO и REP;
Три внутренние 16-разрядные шины данных и три 16-разрядные шины адреса;
Одна 16-разрядная шина внешнего интерфейса;
Стек подпрограмм и прерываний, не имеющий ограничения по глубине.
Микросхемы семейства DSP568хх предназначены для применения в недорогих устройствах, бытовой технике, для которой необходима низкая стоимость и не требуются сверхвысокие параметры: проводные и беспроводные модемы, системы беспроводной передачи цифровых сообщений, цифровые телефонные автоответчики, цифровые камеры, специализированные и многоцелевые контроллеры, устройства управления серводвигателями и электродвигателями переменного тока.
В общем случае сигнальные процессоры уже достигли такой стадии своего развития, что могут применяться в устройствах, находящихся от космических станций до детских игрушек.
Насколько неожиданными могут быть применения сигнальных процессоров, мне пришлось не так давно убедиться именно на примере игрушки. Однажды ко мне обратился знакомый и попросил починить говорящую куклу, которую подарили его дочери немецкие знакомые. Кукла, и правда, была замечательной, по словам знакомого, она понимала до полусотни фраз и "сознательно" поддерживала разговор. В Германии стоила сто пятьдесят марок, что навело меня на размышления, что о поломке куклы более жалеют родители, чем их чадо. Дочурка и так любила куклу, тем более что до того как стать немой, та разговаривала на немецком языке. Без всякой надежды на успех взялся я за ремонт этой куклы. Напильником спилил эпоксидную смолу, которой была залита схема и, под толстым-толстым слоем эпоксидки, обнаружил полдесятка корпусов микросхем, центральным из которых был ЦСП к DSP56F... последние цифры, к сожалению, безвозвратно стерлись. Заставить куклу заговорить так и не удалось, и насколько добавлял ей интеллекта сигнальный процессор, я, увы, так и не определил. Как потом оказалось, старший сын моих знакомых, чтобы заставить куклу кричать погромче, вначале подсоединял к ней напряжение вместо 3 в, 4,5 вольта, что было еще не "смертельно", и игрушка хоть и хрипела, но орала, ну а после 220в... . Отсюда первый вывод - высокие технологии хороши, но не всегда и не везде. Вывод второй - вскоре, возможно, ЦСП мы сможем увидеть в кухонной посуде, обуви и одежде, по крайней мере, технических препятствий к тому нет.
|
Цифровой сигнальный процессор (англ. digital signal processor , DSP , цифровой процессор обработки сигналов (ЦПОС) ) - специализированный микропроцессор , предназначенный для обработки оцифрованных сигналов (обычно, в режиме реального времени).
Архитектура сигнальных процессоров, по сравнению с микропроцессорами общего применения, имеет некоторые особенности, связанные со стремлением максимально ускорить выполнение типовых задач цифровой обработки сигналов, таких, как цифровая фильтрация , преобразование Фурье , поиск сигналов и т. п. Математически эти задачи сводятся к поэлементному перемножению элементов многокомпонентных векторов действительных чисел, последующему суммированию произведений (например, в цифровой фильтрации выходной сигнал фильтра с конечной импульсной характеристикой равен сумме произведений коэффициентов фильтра на вектор выборок сигнала, аналогичные вычисления производятся при поиске максимумов корреляционных и автокорелляционных функций выборок сигналов). Поэтому сигнальные процессоры оптимизированы по быстродействию для выполнения именно таких операций. И ЦСП ориентированы, в первую очередь, на многократное выполнение умножения с расчётом «на лету» адресов перемножаемых элементов массивов:
Ограниченность аппаратных ресурсов первых ЦСП накладывала существенный отпечаток на их архитектуру:
В современной микроэлектронике процессоры общего применения зачастую содержат аппаратную поддержку типовых операций ЦОС. Особо времяёмкие задачи ЦОС решаются на основе программируемой логики , где можно достичь предельной оптимизации выполнения конкретной операции. Специализированные процессоры ЦОС все чаще делают векторными . В то же время классические ЦСП снабжают развитыми наборами команд процессоров общего применения и сглаживают особенности программной модели, позиционируя их как изделия широкого применения с ускоренными функциями ЦОС. Все эти тенденции приводят к размыванию классического понятия ЦСП.
До 1980 года несколько компаний выпустили устройства, которые можно считать предшественниками ЦСП. Так, в 1978 Intel выпускает «процессор аналоговых сигналов» 2120. В его состав входили АЦП , ЦАП и процессор обработки цифровых данных, однако аппаратная функция умножения отсутствовала. В 1979 AMI выпускает S2811 - периферийное устройство, управляемое основным процессором компьютера. Оба изделия не достигли успеха на рынке.
Основную историю ЦСП принято отсчитывать от 1979-1980 годов, когда Bell Labs представила первый однокристальный ЦСП Mac 4, а также на «IEEE International Solid-State Circuits Conference "80» были показаны µMPD7720 компании NEC и DSP1 компании AT&T , которые, однако, не получили широкого распространения. Стандартом де-факто стал выпущенный чуть позже кристалл TMS32010 фирмы Texas Instruments , по многим параметрам и удачным техническим решениям превосходящий изделия конкурентов. Вот некоторые его характеристики:
Благодаря прогрессу в полупроводниковых технологиях в этот период были выпущены изделия, имеющие расширенные функции по сравнению с первым поколением. К характерным отличиям можно отнести:
Много позднее также были выпущены устройства, формально относящиеся ко второму поколению, но имеющие следующие усовершенствования:
Третье поколение ЦСП принято связывать с началом выпуска изделий, реализующих арифметику с плавающей запятой. Характерные особенности первых выпущенных образцов:
Четвёртое поколение ЦСП характеризуется значительным расширением наборов команд, созданием VLIW и суперскалярных процессоров. Заметно возросли тактовые частоты. Так, например, время выполнения команды MAC (Y:= X + A × B ) удалось сократить до 3 нс.
Лучшие современные ЦСП можно характеризовать следующими параметрами:
Часто используются также интегральные характеристики ЦСП, например, показатель «мощность/ток/быстродействие», например, ma/MIPS (миллиампер на 1 млн инструкций в секунду), что позволяет оценить реальную потребляемую мощность в зависимости от сложности задачи, решаемой процессором в указанный момент.
Выбор ЦСП целиком определяется назначением разрабатываемой системы. Например, для массовых мобильных устройств важна дешевизна процессора, низкое энергопотребление, в то время как стоимость разработки системы отходит на второй план. С другой стороны, для измерительного оборудования, систем обработки звуковой и видеоинформации важны эффективность процессора, наличие развитых инструментальных средств, многопроцессорность и т. д.
Как отмечено ранее, отдельные характеристики типа тактовой частоты, MIPS, MOPS, MFLOPS позволяют оценить быстродействие ЦСП достаточно неоднозначно. Поэтому для решения задачи измерения и сравнения характеристик разных ЦСП используют специальные наборы тестов, имитирующих некоторые распространенные задачи цифровой обработки сигналов. Каждый тест состоит из нескольких небольших программ, которые пишутся на ассемблере и оптимизируются под заданную архитектуру. Эти тесты могут включать реализацию:
Наиболее авторитетным пакетом тестов на сегодняшний день является тест BTDImark2000 (), который, кроме указанных алгоритмов, включает также оценку используемой алгоритмом памяти, время разработки системы и другие параметры.
Цифровые сигнальные процессоры строятся на основе т. н. «Гарвардской архитектуры», отличительной особенностью которой является то, что программы и данные хранятся в различных устройствах памяти - памяти программ и памяти данных. В отличие от архитектуры фон Неймана , где процессору для выборки команды и двух операндов требуется минимум три цикла шины, ЦСП может производить одновременные обращения как к памяти команд, так и к памяти данных, и указанная выше команда может быть получена за два цикла шины. В реальности, благодаря продуманности системы команд и другим мерам, это время может быть сокращено до одного цикла. В реальных устройствах память команд может хранить не только программы, но и данные. В этом случае говорят, что ЦСП построен по модифицированной гарвардской архитектуре.
Память команд и память данных обычно располагаются на кристалле ЦСП. В связи с тем, что эта память имеет относительно небольшой объём, возникает необходимость в использовании внешних (относительно кристалла процессора) запоминающих устройств. Для таких устройств раздельные шины команд и данных не используются, так как это потребовало бы значительно увеличить количество внешних выводов кристалла, что дорого и непрактично. Поэтому взаимодействие ЦСП с внешними запоминающими устройствами происходит по одному комплекту шин без разделения на команды и данные. Следует также заметить, что обращение к внешней памяти всегда занимает значительно больше времени, чем к внутренней, поэтому в приложениях, критичных ко времени исполнения, такие обращения необходимо минимизировать.
Конвейер представляет собой вычислительный поток, который на каждой стадии выполняет определенную микрооперацию , поэтому на конвейере в каждый момент времени находится несколько команд на разной стадии выполнения. Это позволяет повысить быстродействие.
Наличие нескольких конвейеров реализует суперскалярную архитектуру.
При параллельной обработке команд на разных конвейерах максимальный эффект достигается на однотипных командах, не зависящих друг от друга. Если в программе присутствуют команды разного типа, то на конвейере вводятся такты ожидания.
Для оптимизации загрузки конвейеров необходимо следующее:
В итоге команды выполняются не в том порядке, в каком их записывал программист.
Аппаратный умножитель применяется для сокращения времени выполнения одной из основных операций ЦОС - операции умножения. В процессорах общего назначения эта операция реализуется за несколько тактов сдвига и сложения и занимает много времени, а в DSP благодаря специализированному умножителю - за один командный цикл.
Функционально умножители делятся на два вида:
Сдвигателем называется как устройство, выполняющее операцию сдвига данных, так и регистр, в котором хранится результат сдвига.
С точки зрения выполняемых функций, сдвигатели делятся на:
В обоих случаях структура регистра, хранящего результат сдвига, совпадает со структурой аккумулятора .
Функции предсдвигателей Функции постсдвигателей
АЛУ - блок процессора, который под управлением декодера команд выполняет арифметические и логические преобразования над данными, называемыми в этом случае операндами. Разрядность операндов обычно называют размером машинного слова.
Аккумулятор - регистр, предназначенный для сохранения результатов операций. В архитектуре многих ЦСП предусмотрено два аккумулятора, что позволяет повысить скорость выполнения операций, требующих хранения промежуточных результатов. Технически аккумулятор может состоять из нескольких регистров :
Наличие регистра EXT позволяет повысить точность вычисления промежуточных результатов, а также увеличить диапазон хранения значений, не приводящих к переполнению. При сохранении значения аккумулятора в ячейку памяти или в обычный регистр, его значение округляется с учетом стандартной ширины этой ячейки или регистра. С другой стороны, при необходимости, содержимое регистра EXT может быть сохранено отдельно.
Процессор поддерживает режимы прямой адресации, косвенной адресации с пред- и постинкрементом и специфические для задач цифровой обработки сигналов режимы циклической адресации и адресации с реверсированием бит адреса.
Следует отметить, что приведенная ниже классификация достаточно условна, так как разнообразие технических решений зачастую не позволяет однозначно отнести каждое конкретное устройство к одному из указанных типов. Поэтому нижесказанное следует скорее использовать как материал для понимания особенностей архитектуры ЦСП, чем для реальной классификации каких-либо изделий.
Особенности архитектуры ЦСП удобно рассматривать на примере конкретного алгоритма цифровой обработки данных, например, КИХ-фильтра , выходной сигнал которого можно записать как:
Y (n) = ∑ i = 0 P b i x (n − i) {\displaystyle y\left(n\right)=\sum _{i=0}^{P}b_{i}x\left(n-i\right)} , где
Как можно легко заметить, вычисление результата является классическим примером использования операции «умножение с накоплением» - MAC (Y:= X + A × B) .
На рисунке показано два варианта выполнения команды MAC на стандартном ЦСП. В первом варианте оба операнда хранятся в памяти данных, поэтому на их выборку требуется два такта, то есть время выполнения n сложений равно 2n . Во втором случае один из операндов хранится в памяти программ, поэтому команда исполняется за один такт, и общее время выполнения цикла будет равно n тактов (следует уточнить, что в реальности для исполнения за один такт MAC должна исполняться внутри специальной команды цикла для исключения повторной выборки самого кода команды, что требует дополнительного такта). Здесь видно, что эффективная реализация алгоритма требует использования памяти программ для хранения данных.
Одним из вариантов, позволяющим отказаться от использования памяти программ для хранения данных, является применение т. н. «двухпортовой памяти», то есть памяти, имеющей два комплекта входных шин - двух шин адреса и данных. Такая архитектура позволяет произвести одновременное обращение по двум адресам (правда, при этом они должны находиться в разных адресуемых блоках). Данное решение применяется в ЦСП компаний Motorola (DSP56000) и Lucent (DSP1600).
При указанной архитектуре повысить производительность можно только увеличением тактовой частоты.
«Улучшенные стандартные ЦСП» для повышения производительности системы, по сравнению со стандартными ЦСП, используют следующие методы повышения параллелизма:
Многие из этих способов применялись уже начиная с самых первых процессоров, поэтому зачастую их невозможно однозначно классифицировать как «стандартные» или «улучшенные».
На рисунке показан пример реализации вычисления двух параллельных команд MAC. Для этого в ЦСП присутствуют два модуля MAC и два аккумулятора. Блоки MAC получают данные по трём шинам одновременно, причём одно из значений является для них общим. Таким образом, происходит одновременное исполнение двух команд:
Особенность показанного решения состоит в том, что к выполнению двух параллельных команд с одним общим сомножителем можно свести многие алгоритмы ЦОС, например:
В некоторых процессорах (Lucent DSP16xxx, ADI ADSP-2116x) используются два одинаковых ядра, каждый со своей памятью, то есть одна команда исполняется одновременно в двух ядрах с различными данными. Это позволяет обойти ограничение на использование полностью независимых данных.
Характерным недостатком таких процессоров можно считать необходимость в высокой квалификации разработчика, так как эффективное использование указанных особенностей требует программирования на языке ассемблера, хорошего знания архитектуры и системы команд, то есть эти устройства считаются «недружественными» к языкам высокого уровня.
Основное отличие VLIW -процессоров состоит в том, что коды команд ещё на этапе компиляции собираются в большие «суперкоманды» и выполняются параллельно. Обычно такие процессоры используют RISC-архитектуру с фиксированной длиной команды, где каждая из них выполняется в отдельном операционном модуле. К характерным особенностям таких процессоров можно отнести:
Обычно, если процессор имеет несколько одинаковых модулей, то при создании программы на ассемблере имеется возможность указания только типа необходимого операционного модуля, а конкретное устройство будет назначено компилятором. С одной стороны, это упрощает программирование таких устройств, а с другой стороны, позволяет достаточно эффективно использовать их ресурсы.
Суперскалярные процессоры также характеризуются большим набором параллельных операционных модулей и возможностью одновременного исполнения нескольких команд. Однако, по сравнению с VLIW, они имеют две характерные особенности:
С помощью описанного подхода можно обойти следующие недостатки VLIW:
Платой за решение этих проблем становится значительное усложнение схемы процессора, в котором появляется модуль планирования выполнения команд.
Суперскалярные процессоры планируют исполнение команд не только на основе информации о загруженности операционных блоков, но и на основе анализа зависимостей между данными. К примеру, команда сохранения результата арифметической операции не может быть выполнена раньше самой операции вычисления, даже если модуль обращения к памяти в данный момент свободен. Эта особенность приводит в том числе к тому, что один и тот же набор команд может по-разному исполняться в различных местах программы, что делает невозможным точную оценку производительности. Особенно это важно для систем, работающих в реальном времени, ведь оценка по наихудшему результату приведет к тому, что ресурсы процессора будут использованы не полностью. Таким образом, в этих системах задача точной оценки производительности суперскалярных ЦСП остается открытой.
Классификация ЦСП по назначениюВ целом, по назначению ЦСП можно разделить на две группы:
«Проблемная ориентация» обычно относится не к дополнительным командам, а к набору встроенных специализированных периферийных устройств. Например, ЦСП, предназначенные для управления электродвигателями , могут содержать на кристалле генераторы сигналов ШИМ , контроллеры локальной промышленной сети и т. д. Процессоры, используемые для обработки голосовых сигналов, часто содержат модули манипуляции разрядами (BMU) и сопроцессоры исправления ошибок. В цифровых фото- и видеокамерах применяются ЦСП с модулями кодирования/декодирования MPEG1, MPEG4, JPG, MP3, AAC и др.
С другой стороны, при использовании языков среднего и высокого уровня, в частности, C, можно заметно упростить и ускорить создание программ, но при этом ресурсы системы будут использоваться менее эффективно, по сравнению с программой, целиком написанной на ассемблере.
В реальности обычно используется подход, совмещающий достоинства как языков высокого уровня, так и эффективности программ на ассемблере. Выражается это в том, что стандартные библиотеки обычно создаются на ассемблере, как и критичные ко времени исполнения и объёму памяти части кода. В то же время вспомогательные модули могут создаваться на языке высокого уровня, ускоряя и упрощая разработку программной системы в целом.
К интересным особенностям ассемблеров ЦСП можно отнести следующее:
Обычно ЦСП выпускаются семействами, и изделия внутри семейств имеют аналогичные языки ассемблера, или даже совместимы на уровне машинных кодов. Также внутри семейства обычно используются одинаковые наборы библиотек подпрограмм. Как и в обычных микропроцессорах, зачастую старшие модели ЦСП могут исполнять машинный код младших моделей, либо их ассемблер включает все команды младших моделей как подмножество собственного набора команд.
Обычно отладка программ, написанных для ЦСП, производится с помощью специальных средств, включающих программные имитаторы и эмуляторы . В их состав также часто входят средства профилирования (измерения скорости выполнения блоков кода).
