Многоядерные сигнальные процессоры analog devices. Аппаратная организация циклов

Пока все прогрессивное (читай — зависящее от ПК) человечество замерло в затянувшемся ожидании Merced и прочих диковинных, обещающих невиданные доселе показатели производительности процессоров, малочисленная, но чрезмерно любопытная часть несознательных индивидуумов настойчиво ищет возможности получения сверхпроизводительности компьютеров уже сегодня. Индивидуализм этого "партизанского движения", естественно, подразумевает весьма скромные объемы финансирования, что исключает популярность в "партизанской среде" еще не окончательно родившегося, но уже слишком дорогого Merced. Страсти "по мощи" подогреваются запаздыванием с выходом на рынок многообещающей Sony Playstation II, тотальным снижением цен на клоновые RISC-процессоры 64-битового семейства MIPS и, наконец, ставшим уже отчетливым кризисом архитектуры ПК IBM PC. В этой ситуации более чем странной кажется малозаметность расположившегося отдельно в процессорной "табели о рангах" обширного семейства недорогих высокопроизводительных микропроцессоров, именуемого DSP. Представители "DSP-клана" в области процессорной архитектуры концентрируют лучшие (ожидающиеся в далеком будущем в "настольных" CPU) решения, а по соотношению "потребляемая мощность/производительность" (милливатт/MIPS) вообще кажутся настоящими "инопланетянами".

DSP и DSP — понятия разные

Инженерный английский — неиссякаемый источник "разбирательств" между страстными любителями аббревиатур. Терминология, связанная с предметом нашего обсуждения, не является исключением, посему попытаюсь сразу избавить читателя от возможных "подводных камней". Digital Signal Processing (DSP) — цифровая обработка сигналов — огромная междисциплинарная область науки, находящаяся "на стыке" более десятка сложнейших научных направлений. Digital Signal Processor (цифровой сигнальный процессор — ЦСП), предмет нашего обсуждения, — более "приземленное" понятие, но, увы, являющееся "овеществлением" разработок из области цифровой обработки сигналов. Поэтому без предварительного знакомства с основными положениями этой науки все же не обойтись.

Нетрудно заметить, что обе аббревиатуры включают в себя термин "сигнальный". Со словом "сигнал" произошло то, что обычно происходит с модными терминами, — все ими пользуются, но никто не задумывается об их значении. В дальнейшем под сигналом будут пониматься несущие информацию изменения в чем-либо — в электрическом напряжении, давлении газа (например, воздуха) или жидкости, в электромагнитном поле. Это определение уже поясняет самую важную характерную черту ЦСП, но о ней чуть позже.

Еще одно дублирование наблюдается в словах "цифровой" и "цифровая", что в сочетании с "сигналом" подсказывает: информация, заключенная в изменениях уже упомянутого "чего-то", представляется в цифровой форме.

Ну и, наконец, — "обработка" и "процессор" (он же, по-русски, — "обработчик"): с этой самой информацией совершается некоторая последовательность действий, преследующая достижение определенных целей.

Теперь облик ЦСП можно считать достаточно определенным: это некоторое цифровое электронное устройство, ориентированное на активное взаимодействие с реальным миром (в котором и присутствуют сигналы) и предназначенное для достижения заданных целей на основе заключенной в сигналах информации.

"Так ведь это же любой обычный микропроцессор можно назвать ЦСП" — скажете вы. Не совсем так. Несоизмеримость временных "шкал" реального мира (на который и рассчитаны ЦСП) и человеческого терпения или реакции (в самых исключительных случаях она меньше 0,05 с, что "развязывает руки" конструкторам универсальных микропроцессоров и операционных систем) — такой "маленький" нюанс приводит к громадному "отрыву" в архитектурах, показателях производительности и областях применения представителей двух параллельных миров DSP/CPU.

А причем здесь ПК?

Действительно, есть специфический класс задач (связанных с окружающей нас действительностью), есть инструментальные средства, облегчающие решение этих задач (ЦСП). К персональным компьютерам все это имеет, на первый взгляд, весьма отдаленное отношение, а ЦСП, присутствующие в подсистемах ПК (например, в звуковой карте или модеме), выполняют узкоспециализированные функции. Собственно, так есть, пока наши ПК выглядят приличных размеров ящиками, "сжигают" за сотню ватт, и пока нас это устраивает…

Но времена меняются — компьютеры становятся все меньше и меньше, они уже умещаются на ладони. Пусть сегодня они только игрушки — все эти не очень удобные записные книжки для "деловых людей" и уж совсем неудобные (точнее, неуклюжие) текстовые редакторы с перьевым вводом — но игрушки уже НОСИМЫЕ! Мы привыкаем к ним, перестаем замечать и, несмотря на все неудобства, используем их возможности в повседневной жизни. Иными словами, мы уже готовы к тотально-бытовой "мелкой" компьютеризации, а вот компьютеры — пока нет (отсюда и все неудобства палм-топов и PDA). Неготовность компьютеров не связана ни с низкой степенью интеграции используемых в них микросхем, ни с невысокой производительностью, ни с большой потребляемой мощностью. Основная причина этой неготовности — так называемая "ошибка верхнего уровня", накрепко укоренившаяся в головах разработчиков: почему-то все забыли о том, что носимый компьютер становится "частью" своего носителя и "живет" вместе с ним в РЕАЛЬНОМ ОКРУЖАЮЩЕМ МИРЕ! Теперь, очевидно, сам собой напрашивается один единственный вывод, который и является ответом на вопрос о "причастности ПК": раз DSP ориентированы на обработку сигналов реального мира и носимые персональные компьютеры как раз "живут" в реальном мире, значит… Правильно! Настоящие ПЕРСОНАЛЬНЫЕ (по признаку принадлежности к "персоне", а не как разновидность собственности) компьютеры должны основываться на DSP, а не на универсальном процессоре.

Не может быть

"…потому что специализированные процессоры не соответствуют требованиям, предъявляемым современным программным обеспечением", — процитируете вы кого-нибудь. Вполне возможно, что современное программное обеспечение до сих пор требует усилий для мирного сосуществования программ защищенного (32-битового) режима и 16-битовой BIOS (базовой системы ввода/вывода) ПК архитектуры IBM PC, и именно из-за этих самых требований существует реальная несовместимость между "совместимыми" процессорами (вспомните о всевозможных расширениях системы команд от Intel и AMD), и, наконец, из-за "современности" крепко забыта такая мелочь, как мобильность ПО, что замыкает порочный круг: "несовершенство платформы — платформенная зависимость ПО — совершенствование платформы до нового уровня несовершенства — еще большая платформенная зависисмость ПО — …".

На самом деле современные DSP приспособлены и к работе под управлением мультизадачных операционных систем реального времени, и для создания могучих 3D-акселераторов, и для обработки в реальном времени аудио/видеоинформации, и вообще Бог знает для чего. Судите сами: 32-битовые ЦСП Texas Instruments семейства TMS320C6700 могут "молотить" цифровое представление сигналов (или просто перемножать матрицы 4 x 4 в задачах трехмерной визуализации) со скоростью 1 GFLOPS при более чем скромных тактовой частоте в 167 MHz и цене в небольших партиях до $250, а замечательный и дешевый DSP SHARC (Analog Devices) при стоимости $10 (в больших партиях) "берет планку" 150 MFLOPS, потребляя всего… 0,3 В.

Цифры, факты, история

Еще раз попытаюсь защититься от возможных упреков в "выпячивании" достоинств никого не интересующей узкоспециализированной технологии. Состояние рынка полупроводников — лучший показатель перспективности той или иной технологии — свидетельствует о постоянно растущей популярности DSP: так, в 1998 г. на фоне общего десятипроцентного спада объемов продаж всего, попадающего в категорию "semiconductor", рынок универсальных программируемых DSP вырос на 9% (до уровня 4 млрд. долл.), а узкоспециализированных — на 15% (5,3 млрд. соответственно). Следовательно, факт популярности DSP можно считать доказанным. Заодно, учитывая особенности DSP, также уверенно можно говорить и о явном проявлении наконец-то "здоровой" тенденции в компьютинге: активное внедрение в реальный окружающий мир (а иначе зачем DSP?).

Если о состоянии рынков информации более чем достаточно, то история DSP — предмет, достойный отдельного исследования. Кое-что, впрочем, отыскать в дебрях Internet можно: титула одного из самых дальних предков современных DSP по праву заслуживает канувший в Лету микропроцессор 8×300, разработанный компанией SMS (впоследствии продавшей 8×300 другой, более известной компании Signetics). Появившийся в 1978 г. 8×300 был почти сразу забыт, и на смену ему в 1979 г. к "DSP-играм" решила подключиться Intel. Для своего времени ЦПС Intel 2920 был удивительным устройством, объединяющим на одном кристалле и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), и специализированный микропроцессор, и ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). По сути, с точки зрения инженера-разработчика, 2920 выглядел неким аналоговым устройством с произвольно задаваемыми свойствами. ЦПС был бы очень удачным, если бы не одно "но": DSP от Intel получился слишком медленным (на выполнение самых "быстрых" команд при максимальной тактовой частоте 2920 требовалось 0,9 мкс, что фактически исключало возможность его применения в каких-либо реальных задачах). Крайне низкая производительность привела к тому, что 2920 "умер, еще не родившись", и этот печальный опыт заставил корпорацию Intel надолго забыть о DSP-разработках.

Вслед за Intel на DSP-рынок устремились Lucent Technologies и NEC, представившие в 1980 г. первый программируемый DSP. На этом историческом фоне малозаметным кажется факт, что Texas Instruments еще в 1978 г. производила в больших партиях чипы для игрушек "Speak & Spell" ("говори и слушай"). При более детальном рассмотрении оказывается: Texas Instruments опередила всех, начав масштабное серийное производство первых специализированных DSP. Впоследствии, в 1982 г., Texas Instruments (TI) анонсировала свой первый универсальный программируемый DSP TMS32010, архитектура которого стала абсолютным законодателем мод на рынке цифровой обработки сигналов, а сама компания TI — аналогом Intel в мире процессоров для ПК. Сегодня перечень имен производителей самых разных DSP трудно перечислить, специалисты насчитывают более 300 (!) уникальных архитектур, реализованных "в кремнии", и даже надолго забывшая о DSP-рынке Intel объявила о планах совместной разработки с Analog Devices ЦПС нового поколения.

Архитектурная эволюция

Обилие архитектур DSP способно охладить любую настойчивость, но… Все ЦПС должны, в силу своей специфики, отвечать одним и тем же требованиям. Характерные для задач обработки сигналов свойства процессоров назвать уникальными трудно: здесь необходимы очень быстрая арифметика (а где она не нужна?), высокая скорость обмена процессора с внешними устройствами, преобразующими сигналы из окружающего мира в электрическое представление, и, наконец, высокая пропускная способность подсистемы памяти. Так что на самом деле данные требования не слишком специфичны — именно всего этого мы хотим от наших ПК, повышая частоту системной шины, совершенствуя периферийные интерфейсы (например, переходом от PCI к PCI 2) и устанавливая модули памяти SDRAM.

Другое дело, что алгоритмы обработки сигналов обладают некоторой общностью, что вызывало необходимость концентрации усилий конструкторов и архитекторов DSP на эффективном решении ряда частных задач. Фундаментальными для цифровой обработки считаются примитивные операции сложения и умножения двух чисел-операндов, индексирования массивов данных и задержки. Арифметическая подгруппа в этом перечне (сложение и умножение) достаточно очевидна: для выполнения соответствующей операции надо где-то взять два операнда, произвести над ними необходимую операцию с размещением результата во временном "хранилище", затем записать результат из этого "хранилища" в определенное место (ячейку оперативной памяти или регистр процессора). С адресными операциями (индексированием массивов данных) дело обстоит сложнее: ЦПС должен уметь очень быстро выбирать данные из последовательных массивов и выполнять редко встречающуюся в RISC (да и CISC) процессорах команду копирования типа "память—память". Операция задержки, несмотря на "страшное" немикропроцессорное название, означает всего лишь очень быстрое "припрятывание" данных для последующего использования.

В целом, не будет большой ошибки в утверждении, что все архитектурные новшества и кажущиеся "излишества" современных ЦПС отражают стремления конструкторов добиться высокой эффективности именно этих четырех базовых операций.

Для ускорения арифметических вычислений в DSP используют несколько арифметико-логических устройств (АЛУ), работающих "в параллель", что в случае "хитро" устроенной внутренней регистровой памяти позволяет вводить в систему команд ЦПС очень интересные инструкции, в переводе на человеческий язык означающие приблизительно следующее: "умножить содержимое регистра 1 с содержимым регистра 2 и сложить результат умножения с содержимым регистра 3". И все это — одна команда, выполняющаяся за один такт. Восхищаться пока рано: операция умножения с накоплением (именно так называется подобный перечень действий) — классика цифровой обработки сигналов, а реализующие ее аппаратные средства постепенно проникают в еще недавно считавшиеся универсальными процессоры, в первую очередь RISC-архитектуры, в частности во многие клоны MIPS.

Эффективная реализация операции задержки требует, чтобы у хорошего DSP было много внутренних регистров (в принципе, чем больше, тем лучше), в этом случае легко найти одну из незанятых регистровых ячеек для "припрятывания" данных. Кроме того, высокая скорость выполнения этой операции может быть достигнута только путем хороших архитектурных решений, например удачной логической организацией регистрового массива DSP. В нашем контексте это свойство ЦСП также кажется весьма привлекательным — обилие внутренних регистров и их логическая организация существенно упрощают разработку компиляторов с языков высокого уровня (что, к слову, подтверждается практикой — на ftp-сайте Texas Instruments можно найти очень удачные модификации известного компилятора C gcc, генерирующего код для ЦСП семейств TMS).

Самой сложной операции — индексации массивов данных — DSP обязаны своей уникальностью. Обилие регистров и быстрая арифметика свойственны, например, RISC-процессорам (да и многим CISC). А вот выделенная в отдельную подсистему процессора "машина" генерации адресов — это та самая изюминка, придающая специфичность DSP, но ни в коем случае не ограничивающая их область применения. Как раз наоборот — единственный регистр счетчика команд в обычных процессорах принципиально не может превосходить по показателям целую подсистему. Эффективность генератора адресов — один из самых важных показателей, определяющих эффективность всего ЦПС в целом. Практически во всех DSP генераторы адресов работают "прозрачно" для всех остальных подсистем процессора, т. е. не отнимают машинного времени и не требуют приостановки выполнения основных операций. Кроме того, за счет применения генератора адресов ЦСП характеризуются очень развитыми способами адресации (для знающих язык программирования C — уж на что он богат на фокусы с указателями, в любом DSP присутствуют машинные команды, реализующие чуть ли не все возможные адресные операции этого языка).

Если вспомнить повышенные требования DSP к скорости обмена с внешними устройствами, то в любом конкретном процессоре вы найдете результаты серьезных конструкторских усилий. В первую очередь, это высокоскоростные последовательные каналы ввода/вывода. Несмотря на их простоту, низкая стоимость интерфейсов в сочетании с достаточной для реальных приложений пропускной способностью (например, 40 Mbps) удовлетворяет практически всем потенциальным потребностям разработчиков. Для расширения возможностей конкретных процессоров используются как синхронные (трехпроводные: тактовая частота, данные и синхронизирующие импульсы), так и асинхронные (двухпроводные, синхронизирующие импульсы "замаскированы" в поток данных) последовательные каналы.

Самые интересные и неожиданные архитектурные находки сконцентрированы в подсистемах памяти DSP. Насущная необходимость включения в систему команд однотактных инструкций умножения с накоплением привела к тому, что ничего общего со "стандартными" универсальными CPU у ЦПС не осталось. Действительно, за один такт невозможно одновременно прочитать или записать данные, адресуемые по одной единственной адресной шине, — для этого необходимо столько адресных шин, сколько единиц данных выступают в качестве операндов команды. Самое интересное, что разработчики DSP нашли совершенно нетривиальное и изящное решение этой проблемы даже в случае использования привычной фон-Неймановской архитектуры памяти (единая физическая память для программы и данных). "Зачем вообще использовать фон-Неймановскую архитектуру?" — спросите вы. Ведь существует и реализована в очень многих процессорах Гарвардская архитектура (раздельные физические память программ и данных с, соответственно, раздельными шинами), но… Универсальный DSP должен уметь работать с внешней оперативной памятью — многие программы обработки сигналов очень сложны, для хранения реализующего их кода и промежуточных данных требуется существенная емкость ОЗУ (большинство современных DSP имеют встроенные механизмы управления дешевой и быстрой SDRAM емкостью от 16 до 64 MB). Для реализации настоящей Гарвардской архитектуры требуются по две шины адреса и данных, что при 32-разрядном процессоре выливается в 128 выводов — это слишком дорого и слишком неудобно. В таком балансировании между производительностью и ценой DSP-архитекторы таки нашли неожиданно "равновесное положение": Гарвардская внутренняя и модифицированная фон-Неймановская внешняя архитектуры одновременно. Мы уже привыкли к тому факту, что процессоры работают на более высокой тактовой частоте, чем, например, шины памяти, поэтому DSP-модификация "неймана" покажется несколько странной: шина памяти работает на повышенной (обычно в 4 раза) по отношению к внутренней процессорной частоте. Это позволяет за один период (такт) процессора произвести несколько обращений к памяти — просто и эффективно, а заодно сэкономить на целой куче лишних выводов.

Теперь, естественно, напрашивается вопрос: а как достигается такое высокое быстродействие DSP, если процессор работает на пониженной частоте? На сегодняшний день практически во всей DSP-индустрии есть несколько излюбленных приемов и архитектурных решений, играющих роль "структурного умножения тактовой частоты". Здесь берут не числом (не мегагерцами), а умением. Модные абстрактные термины типа VLIW (очень длинные машинные команды) давно и с успехом работают, например в процессорах Texas Instruments семейства TMS320C6xxx, 256-битовый код команды которых способен "инкапсулировать" до восьми 32-битовых операндов, представленных числами с плавающей и фиксированной точкой. Для "утилизации" подобных команд применяются несколько (в случае с TMS320C6xxx — шесть) арифметико-логических устройств и отдельных быстрых аппаратных умножителей. В несоизмеримо более дешевом SHARC от Analog Devices (модель ADSP-21065L, цена в больших партиях $10) применяются три отдельных АЛУ со скоростными умножителями (способные работать "в параллель"), отдельный аппаратный "сдвигатель" данных (shifter, обеспечивающий "сдвиг" битового содержимого на указанное в качестве операнда число битов N влево или вправо, что эквивалентно очень быстрому умножению или делению на 2**N), внутренняя Гарвардская и внешняя модифицированная фон-Неймановская архитектуры (тактовая частота шины оперативной памяти до 60 MHz), встроенная двухпортовая память (с возможностью одновременного доступа двумя подсистемами процессора) перестраиваемой конфигурации и, наконец, очень специфическая (но и крайне удобная) система команд. Ассемблер SHARC напоминает язык программирования достаточно высокого уровня, ориентированный на разработку математических приложений (скажу так: упрощенный параллельный FORTRAN). Несмотря на относительно "короткий" битовый формат команды (69 битов), на ассемблере 21065 можно записать, например, следующую однотактную команду:

IF MS MRF=0; F6=(F2+F3)/2;

(если выполняется условие "MRF равно 0", то вычислить полусумму регистров F2 и F3 с размещением результата в регистре F6).

В итоге десятидолларовый чип выполняет весьма ресурсоемкую программу 1024-точечного комплексного быстрого преобразования Фурье за… 304 мкс (для сравнения попробуйте эту задачку в качестве теста своего Pentium).

Возвращаясь к ПК

Естественно, что в столь небольшом объеме статьи невозможно было провести углубленный обзор различных DSP. Но главная цель, думаю, достигнута — вы узнали, что есть на свете быстрые, удобные в программировании и дешевые процессоры.

А что касается вопроса о ПК — давайте забудем на секунду обо всех этих PCI- и AGP-шинах, графических акселераторах, монстроидальных операционных системах. Попытаемся представить себе функционально многопроцессорный компьютер (один процессор — CPU, второй — графико-оконная подсистема, третий — умная подсистема ввода/вывода), для которого существуют стандарты только на языки программирования, системные вызовы CPU-модуля и команды, которыми обмениваются отдельные модули (например, упакованная в 32-разрядное слово команда "открыть окно размером 1024 x x 1024 пиксела" или "нарисовать линию из текущей позиции в точку с координатами X, Y"). Набравшись наглости, представим себе, что операционная система нашего ПК вообще не имеет понятия о всяких там накопителях: жестких дисках, CD-ROM и прочих, зато знает, что такое ftp (реализация подобной вещи существует и называется Andrew Filesystem), соответственно — модуль ввода/вывода представляет собой "тонкий" ftp-сервер.

И наконец, соединим функциональные модули быстродействующим последовательным каналом (например, дешевым гигабитовым 1355, о котором я уже рассказывал). Если все получается (а оно именно получается), добавлю: все процессоры в этом ПК — DSP класса SHARC (или более мощные для производительных моделей). Получаем: открытую на уровне спецификации, развязывающую руки производителям (пусть конкурируют сколько угодно ВНУТРИ функциональных модулей, лишь бы не трогали НАРУЖНЫЕ межмодульные спецификации) архитектуру, изначально сетеориентированную (ftp-файловая система не делает различий между локальными и удаленными накопителями), очень производительную (даже при "скромных" вычислительных возможностях 21056L — вы не задумывались, сколько ресурсов "сжирают" выполняющиеся на одном процессоре ОС и графическая/оконная подсистема), дешевую, и, что главное, РЕАЛЬНО СПОСОБНУЮ СООТВЕТСТВОВАТЬ РАСТУЩИМ ТРЕБОВАНИЯМ МОБИЛЬНЫХ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ. Потому, что именно DSP "по зубам" такие задачки, как распознавание речи и визуальных образов, синтез речевых сообщений, быстрый поиск в базах данных, 3D-визуализация в реальном времени — почти все, на что способно наше сегодняшнее воображение.

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):

1. суммирование нескольких сигналов;
2. перенос спектра сигналов;
3. фильтрация сигналов;
4. вычисление спектра сигнала (быстрое преобразование Фурье);
5. помехоустойчивое кодирование (подавление шума для аналоговых систем связи);
6. формирование кадров (только для цифровых систем связи)
7. скремблирование сигнала (формирование одинаковой вероятности передачи нулей и единиц)

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:

1. Сформировать адрес очередной ячейки линии задержки фильтра
2. Считать очередной отсчет входного сигнала из линии задержки фильтра
3. Сформировать адрес очередного коэффициента фильтра
4. Считать очередной коэффициент фильтра
5. Умножить отсчет входного сигнала из линии задержки на коэффициент фильтра (чаще всего за несколько машинных циклов)
6. Просуммировать результат с уже накопленной суммой (сформировать очередной отсчет сигнала на выходе фильтра)
7. Изменить значение переменной-параметра цикла
8. Сравнить полученное значение с заданной величиной
9. Перейти на начало цикла или выйти из него (обычно это длительная процедура, занимающая несколько машинных циклов)

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:

1. Наличие аккумулятора-накопителя MAC с 40-разрядным сумматором и аккумулятором
2. Наличие аппаратного сдвигателя чисел
3. Наличие аппаратной организации цикла
4. Наличие двух формирователей адреса
5. Трехшинная структура операционного блока микропроцессора

Литература:

Вместе со статьей "Особенности сигнальных процессоров" читают:

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++.

Цифровые сигнальные процессоры (ЦСП) – это особый вид микропроцессорной техники, предназначенный для работы в реальном времени. Области применения ЦСП:

Цифровая фильтрация сигналов,

Оптимальная обработка, вычисление корреляционных функций,

Спектральный анализ сигналов,

Кодирование и декодирование информации,

Распознавание и синтез речи, синтез и обработка музыки,

Обработка изображений,

Компьютерная графика, синтез изображений,

Измерительная техника.

Главной отличительной особенностью ЦСП является большой объем вычислений, выполняемый в реальном времени. Это определяет следующие отличительные особенности ЦСП:

Применение расширенной гарвардской архитектуры – раздельных памяти команд и данных с независимыми шинами, что позволяет за один такт внутренней частоты кристалла осуществлять выборку команд и их исполнение,

Короткие команды, реализуемые в конвейерных устройствах, обуславливают RISC архитектуру ЦСП,

Обязательное наличие параллельного аппаратного умножителя, выполняющего команды умножения за один такт внутренней частоты кристалла,

Наличие специальных команд обработки сигналов. Например, в семействе процессоров TMS320 фирмы Texas Instruments имеется команда dmov, которая добавляет новый отсчет сигнала к выборке, сдвигая остальные отсчеты на один квант времени, команда LTD загружает множимое в регистр умножителя, осуществляет сдвиг отсчетов сигнала и складывает результат предыдущего умножения с содержимым аккумулятора.

За свою историю развития с начала 80-х годов прошлого века сменилось несколько поколений ЦСП, но ряд ЦСП предыдущих поколений в современном исполнении продолжают выпускаться из-за удачной архитектуры. ЦСП первого поколения TMS32010 разработан фирмой Texas Instruments в 1982 году. Это 16-разрядный микропроцессор с производительностью 5 миллионов команд в секунду (MIPS) имел внутреннее ОЗУ 144-256 слов, ПЗУ 1,5 - 4К слов. АЛУ и аккумулятор 32 разрядные, аппаратный умножитель 16х16 – результат 32 разряда, имелись порты ввода – вывода.

ЦСП второго поколения появились в середине 80-х годов. Это TMS32020, КМОП микропроцессор TMS320C25 с производительностью 10 MIPS. Наиболее интересны ЦСП DSP56000 и DSP56001 производительностью 10 и 25 MIPS соответственно. Их разработала фирма Motorola. Это единственные 24-разрядные ЦСП. Модификации ЦСП такой архитектуры до сих пор выпускаются. Архитектура DSP56001 показана на рис. 7.1. Процессор имеет расширенную гарвардскую архитектуру. ОЗУ данных X и Y имеют отдельные шины адреса YA, XA и данных XD, YD. Кроме того, отдельная шина адреса PA применена для адресации ПЗУ загрузки и ОЗУ программ, имеющих и отдельную шину данных PD. Шина данных GD используется для загрузки программ из host-компьютера по синхронному последовательному интерфейсу. Кроме того, GD используется для обслуживания прерываний от программируемого контроллера прерываний. Блоки коммутации могут передавать данные и адреса между этими шинами, а блоки коммутации внешних шин позволяют выводить из кристалла любую из шин. Генератор управляющих сигналов формирует внешние сигналы управления. К тактовому генератору подключается внешний кварц и он тактирует всю схему.

Рис. 7.1. Архитектура DSP56001

В ПЗУ X и Y записаны отсчеты синуса и косинуса, что позволяет проводить квадратурный прием и обработку. В настоящее время такой ЦСП наиболее часто используется при обработке и синтезе звука.

ЦСП третьего поколения появились на рубеже 80 – 90 годов. Это TMS320C30 - TI, DSP96002 – Motorola, DSP32C AT&T Microelectronics. Особенности этих процессоров – они 32 разрядные, в одном АЛУ могут выполнять целочисленные вычисления и с плавающей точкой, имеют расширенную гарвардскую архитектуру, наличие таймеров и портов ввода – вывода. Модификация ЦСП TMS320C30 выпускается и до настоящего времени – это TMS320VC33-120 и -150. Производительность TMS320VC33-150 150 миллионов операций с плавающей точкой в секунду (MFLOPS).

Его основные параметры:

ОЗУ 34K 32 разрядных слов с двумя параллельными шинами доступа,

Тактовый генератор с возможностью умножения внутренней частоты,

32 разрядное ядро плавающей точки,

4 строба выборки внешних устройств,

Контроллер прерываний,

Начальный загрузчик,

8 40-разрядных регистров повышенной точности,

Один последовательный порт,

Два таймера,

сопроцессор прямого доступа к памяти (ПДП),

144 выводный корпус LQFP.

ЦСП четвертого поколения разрабатывались в 90 –е годы. Здесь произошло разделение ЦСП на относительно дешевые 16-разрядные ЦСП с фиксированной точкой и дорогие производительные 32- 40 разрядные ЦСП с плавающей точкой. ЦСП с фиксированной точкой стали использоваться в связной аппаратуре, модемах, звуковых мультимедийных устройствах, обработке сигналов, среди фирм разработчиков таких ЦСП известны семейства фирмы Analog Devices ADSP. ЦСП с плавающей точкой – для обработки широкополосных сигналов, изображений, в компьютерной графике. Типичным представителем ЦСП с плавающей точкой является TMS320C40 – TI. Архитектура этого ЦСП показана на рис. 7.2. Производительность этого процессора 275 MIPS. Главной особенностью его архитектуры является наличие шины ввода – вывода по прямому доступу в память с сопроцессором. Она предназначена для скоростного обмена через коммуникационные порты 0 – 5 с другими процессорами, образующими MIMD архитектуру. Каждый порт имеет 8 бит данных и 4 сопровождающих сигнала с пропускной способностью 20 Мб/с.

Рис. 7.2. Архитектура TMS320C40

На рис. 7.3 показан вариант топологии связей процессоров.

Рис. 7.3. Топология связей ЦСП

ЦСП пятого и шестого поколений разрабатывались в начале 21 века. Здесь следует отметить разработки фирмы TI – процессоры семейств С5000 и С6000. Семейство С5000 представляет собой семейство дешевых ЦСП с фиксированной точкой, высоким быстродействием и пониженным потреблением 0,9 В, а С6000 – ЦСП с фиксированной и плавающей точкой с производительностью до 1200 MFLOPS.. Некоторые параметры семейства TMS320C55x:

Потребление 0,05 мВ/MIPS,

Производительность 140 – 800 MIPS, включая операции умножения,

Переменная длина команд 8 – 48 бит,

2 умножителя, 2 АЛУ, 4 аккумулятора,

4 регистра данных,

Выборка команд – по 32 разряда.

В настоящее время ЦСП применяются совместно с программируемой логикой. Средства отладки аппаратуры на основе ЦСП и программируемой логики подразделяются на две категории:

Программная поддержка для формирования и отладки машинного кода обработки сигналов в ЦСП (средства генерации кода),

Программно-аппаратная поддержка для интеграции ЦСП с целевой аппаратурой разрабатываемого устройства и средства отладки программы обработки с аппаратной частью в реальном времени.

Эти два вида отладки обычно выполняются разными разработчиками с перекрытием по времени, что ускоряет процесс проектирования и изготовления аппаратуры. На рис. 7.4 приведена структура процесса отладки аппаратуры с ЦСП и программируемой логикой.

Рис. 7.4. Процесс разработки аппаратуры на ЦСП и ПЛИС

В процессе отладки программы ЦСП происходят возвраты и исправление программы, но также точно происходят возвраты и для изменения логики, заложенной в программируемой логике аппаратной части. Таким образом, процесс отладки при применении ЦСП и ПЛИС оказывается существенно более гибким и позволяет менять как программную, так и аппаратную часть.

Каковы особенности развития аппаратуры на основе ЦСП и программируемой логики?

1. Развитие различных параллельных архитектур обработки как в ЦСП, так и в программируемой логике.

2. Развитие соответствующих отладочных средств на основе эмуляторов, симуляторов и интерфейсов тестирования, подобных JTAG.

3. Комбинирование внутри одного кристалла ЦСП и программируемой логики, например в TMS320C54x.

4. Развитие эффективности оптимизирующих компиляторов языков высокого уровня типа С до уровня, чтобы не требовалось ассемблерных вставок в программы.

5. Развитие гетерогенных аппаратных систем на одном кристалле, включающих в себя различные типы микропроцессоров, включая и ЦСП, и оснащение их параллельными многопроцессорными операционными системами реального времени.

Список литературы

1. Супер ЭВМ. Аппаратная и программная организация/ Под ред. С. Фернбаха: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1991.

2. Хокни Р., Джессоуп К. Параллельные ЭВМ. Архитектура, программирование и алгоритмы: Пер. с англ.-М.: Радио и связь, 1986.

3. Коуги П.М. Архитектура конвейерных ЭВМ: Пер. с англ.-М.: Радио и связь, 1985.

4. Параллельные вычисления/ Под ред. Г.Родрига: Пер. с англ.-М.: Наука, 1986.

5. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник. – М.: Радио и связь, 1990.

6. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов. - М: ДОДЭКА, 2000.

7. КнышевД.А. ПЛИС фирмы “XILINX ”: описание структуры основных семейств. - М: ДОДЭКА-XXI, 2001.

8. Сикарев А.А., Лебедев О.Н. Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов. - М.: Радио и связь, 1983.

Процессор цифровой обработки сигналов (digital signal processor - DSP) - это специализированный программируемый микропроцессор, предназначенный для манипулирования в реальном масштабе времени потоком цифровых данных. DSP-процессоры широко используются для обработки потоков графической информации, аудио- и видеосигналов.

Любой современный компьютер оснащен центральным процессором и только немногие - процессором цифровой обработки сигналов (DSP - digital signal processor). Центральный процессор, очевидно, представляет собой цифровую систему и обрабатывает цифровые данные, поэтому на первый взгляд неясна разница между цифровыми данными и цифровыми сигналами, то есть теми сигналами, которые обрабатывает DSP-процессор.

К цифровым сигналам, в общем случае, естественно отнести все потоки цифровой информации, которые формируются в процессе телекоммуникаций. Главное, что отличает эту информацию, - она не обязательно заносится в память (и поэтому может оказаться недоступной в будущем), следовательно, обрабатывать ее нужно в режиме реального времени.

Число источников цифровой информации практически неограниченно. Так, например, загружаемые файлы в формате MP3 содержат цифровые сигналы, собственно и представляющие звукозапись. В некоторых камкодерах выполняется оцифровка видеосигналов и их запись в цифровом формате. В дорогих моделях беспроводных и сотовых телефонов перед передачей также производится преобразование голоса в цифровой сигнал.

Вариации на тему

DSP-процессоры принципиально отличаются от микропроцессоров, образующих центральный процессор настольного компьютера. По роду своей деятельности центральному процессору приходится выполнять объединяющие функции. Он должен управлять работой различных компонентов аппаратного обеспечения компьютера, таких как дисководы, графические дисплеи и сетевой интерфейс, с тем чтобы обеспечить их согласованную работу.

Это означает, что центральные процессоры настольных компьютеров имеют сложную архитектуру, поскольку должны поддерживать такие базовые функции, как защита памяти, целочисленная арифметика, операции с плавающей запятой и обработка векторной графики.

В итоге типичный современный центральный процессор поддерживает несколько сот команд, которые обеспечивают выполнение всех этих функций. Следовательно, нужен модуль декодирования команд, который позволял бы реализовывать сложный словарь команд, а также множество интегральных схем. Они, собственно, и должны выполнять действия, определяемые командами. Иными словами, типичный процессор в настольном компьютере содержит десятки миллионов транзисторов.

DSP-процессор, напротив, должен быть «узким специалистом». Его единственная задача - изменять поток цифровых сигналов, и делать это быстро. DSP-процессор состоит главным образом из высокоскоростных аппаратных схем, выполняющих арифметические функции и манипулирующих битами, оптимизированных с тем, чтобы быстро изменять большие объемы данных.

В силу этого набор команд у DSP куда меньше, чем у центрального процессора настольного компьютера; их число не превышает 80. Это значит, что для DSP требуется облегченный декодер команд и гораздо меньшее число исполнительных устройств. Кроме того, все исполнительные устройства в конечном итоге должны поддерживать высокопроизводительные арифметические операции. Таким образом, типичный DSP-процессор состоит не более чем из нескольких сот тысяч транзисторов.

Являясь узкоспециализированным, DSP-процессор отлично справляется со своей работой. Его математические функции позволяют непрерывно принимать и изменять цифровой сигнал (такой, как звукозаписи в MP3 или запись разговора по сотовому телефону), не тормозя передачу информации и не теряя ее. Для повышения пропускной способности DSP-процессор оснащается дополнительными внутренними шинами данных, которые обеспечивают более быстрый перенос данных между арифметическими модулями и интерфейсами процессора.

Зачем нужны DSP-процессоры?

Специфические возможности DSP-процессора в части обработки информации делают его идеальным средством для многих приложений. Используя алгоритмы, основанные на соответствующем математическом аппарате, DSP-процессор может воспринимать цифровой сигнал и выполнять операции свертки для усиления или подавления тех или иных свойств сигнала.

В силу того что в DSP-процессорах значительно меньше транзисторов, чем в центральных процессорах, они потребляют меньше энергии, что позволяет использовать их в продуктах, работающих от батарей. Крайне упрощается и их производство, поэтому они находят себе применение в недорогих устройствах. Сочетание низкого энергопотребления и невысокая стоимость обусловливает применение DSP-процессоров в сотовых телефонах и в роботах-игрушках.

Впрочем, спектр их применения этим далеко не ограничивается. В силу большого числа арифметических модулей, наличия интегрированной на кристалле памяти и дополнительных шин данных часть DSP-процессоров могут использоваться для поддержки многопроцессорной обработки. Они могут выполнять сжатие/распаковку «живого видео» при передаче по Internet. Подобные высокопроизводительные DSP-процессоры часто применяются в оборудовании для организации видеоконференций.

Внутри DSP