Мысловский Э.В. Цифровые сигнальные процесссоры (2003)

1Московский государственный технический университет имени Н.Э. БауманаЭ.В. Мысловский, А.И. Власов, А.С. КузнецовЦИФРОВЫЕ СИГНАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССОРЫЧАСТЬ 2:ЦИФРОВЫЕ СИГНАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССОРЫ С ФИКСИРОВАННОЙ ТОЧКОЙ СЕМЕЙСТВАADSP21ХХРекомендовано в качестве учебного пособия по дисциплинам "Микропроцессоры в системах управления” и "Цифровыесигнальные процессоры".МоскваМГТУ им.Н.Э.Баумана2003 г.2УДК: 621.396.6ББК: 32.852П18Рецензент: Шитько Ю.М., МГАПИМысловский Э.В., Власов А.И., Кузнецов А.С.ЦИФРОВЫЕ СИГНАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССОРЫ С ФИКСИРОВАННОЙ ТОЧКОЙ СЕМЕЙСТВАADSP21XX: Учебное пособие. Часть 2.

- М.: МГТУ им.Н.Э.Баумана, кафедра ИУ4, 2003. -75 с., ил.Рассмотрены вопросы архитектуры и методов проектирования программного обеспечения длясистем на основе цифровых сигнальных процессоров с плавающей точкой. Основное семейство уделеноцифровым сигнальным процессорам фирмы Analog Devices, семейства 21хх. Также внимание уделеноотладочным средствам и технической поддержке разработчиков прикладных систем на основе процессоровданного семейства.Для студентов радиотехнических специальностей, аспирантов и преподавателей. Пособие можетбыть полезно инженерам системотехникам радиоэлектронной и вычислительной аппаратуры.3ПредисловиеРазвитие прикладных математических методов, которые позволяют извлекатьразличного рода информацию из окружающего нас мира сигналов, потребовало созданияспециального устройства, которое обладало бы гибкой архитектурой и широким спектромкоманд ориентированных на векторные и циклические операции - таким устройством истал цифровой сигнальный процессор (DSP).

Отличительной особенностью задачцифровой обработки сигналов, как было проиллюстрировано в первой части пособия,является поточный характер обработки больших массивов данных в реальном режимевремени, требующий от технических средств высокой производительности и обеспечениявозможности интенсивного обмена с внешними устройствами. Соответствие даннымтребованиям достигается в настоящее время благодаря специфической архитектуресигнальных процессоров и проблемно-ориентированной системе команд. Сигнальныепроцессоры обладают высокой степенью специализации. В них широко используютсяметоды сокращения длительности командного цикла, характерные и для универсальныхRISC-процессоров, такие как конвейеризация на уровне отдельных микроинструкций иинструкций, размещение операндов большинства команд в регистрах, использованиетеневых регистров для сохранения состояния вычислений при переключении контекста.Сравнительно невысокая цена, а также развитые средства разработки программногообеспечения позволяют легко внедрять подобные системы в различные системыуправления.Наиболее распространенной математической операцией, требующейся для задачобработки сигналов, является комбинация сложения и умножения.

Суммирующиефункции реализуются довольно просто и могут быть выполнены за один такт работыпроцессора. Функции умножения требуют большего времени выпсушения. Особенно длячисел с плавающей точкой. Такие вычисления для многих процессоров общегоназначения могут потребовать несколько сотен тактов.К цифровым сигнальным процессорам (Digital Signal Processor - DSP) относятсяпроцессоры, для которых характерно использование групп методов обработки сигналовцифровыми способами.

Преимущества цифровых методов обработки по сравнению саналоговыми заключаются: в упрощении работы с памятью, в расширении набораиспользуемых арифметических операций и в повышении допустимой сложностиалгоритмов. Основное их преимущество состоит в возможностях значительногоувеличения точности вычислений.

Главным недостатком является то, что для рядаспециальных приложений они оказываются более медленными, чем аналоговые. По типуобрабатываемых данных DSP можно условно разделить на DSP с фиксированной точкой и4DSP с плавающей точкой. Эти два класса существенно различаются по цене.

Данноепособиепосвященорассмотрениювопросовпримененияцифровыхсигнальныхпроцессоров с фиксированной точкой.Материалы пособия являются кратким изложением курсов «Основы цифровойобработки сигналов» и «Цифровые сигнальные процессоры и микроконтроллеры»,читаемые авторами в МГТУ им.Н.Э.Баумана студентам кафедры ИУ4 «Проектирование итехнология производства ЭА». Пособие разработано в рамках университетскойпрограммы фирмы Analog Devices и (www.analog.com) фирмы Autex (www.autex.ru).Условные обозначения, используемые в учебном пособии:Условное обозначение примера реализации синтаксических конструкцийпрограммного кода, алгоритмов и методик разработки, настройки итестирования программно-алгоритмического обеспечения (ПАО), средствразработки и отладки.Задание для самостоятельного выполнения, предназначенное длязакрепления теоретического и практического материала и предназначенныедля выработки практических навыков.?Задания для самопроверки, контрольные вопросы.5СОДЕРЖАНИЕВведение9ГЛАВА 1.

Основные понятия, определения и термины131.1Общие принципы построения цифровых сигнальных процессоров, архитектура13цифровых сигнальных процессоров1.2Процессоры с фиксированной и плавающей точкой161.3Основные типы ЦСП171.3.1 Стандартные процессоры ЦОС171.3.2 Улучшенные стандартные процессоры171.3.3 Процессоры с архитектурой VLIW181.3.4 Суперскалярные процессоры191.3.5 Гибридные процессоры201.4Обзор семейства ЦСП ADSP-21xx1.5Типовыеобластиприменения21цифровыхсигнальныхпроцессоровс25фиксированной точкойГЛАВА 2. Проектирование272.1Этапы жизненного цикла разработки программы272.2Лингвистическое обеспечение28ГЛАВА 3. Средства разработки программного обеспечения для семейства цифровых сигнальных33процессоров ADSP-21xx3.1Интегрированная среда разработки Visual DSP363.1.1 Интегрированная среда разработки363.1.2 Создание нового проекта373.1.3 Компиляция проекта373.1.4 Запуск отладчика373.2Основные понятия языка ассемблера393.3Препроцессор403.4Запуск ассемблера403.5Правила языка ассемблера413.63.5.1 Символы и ключевые слова413.5.2 Идентификаторы413.5.3 Форматы представления данных423.5.4 Арифметические и логические операторы языка ассемблера433.5.5 Адрес буфера и операторы определения длины443.5.6 Комментарии443.5.7 Директивы препроцессора С45Директивы языка ассемблера453.6.1 Программные модули (.MODULE)463.6.2 Переменные данные и буфера (.VAR)493.6.3 Инициализация переменных и буферов (.INIT)5263.73.83.6.4 Определение макроса (.MACRO)553.6.5 Локальная метка в макросах (.LOCAL)573.6.6 Размещение программ и данных в сегментах памяти583.6.7 Глобальные структуры данных593.6.8 Глобальные программные метки593.6.9 Внешние символы59Редактор связей603.7.1 Запуск редактора связей613.7.2 Как работает редактор связей623.7.3 Распределение памяти623.7.5 Разрешение символов633.7.5 Построение единой библиотеки для быстрого доступа63Описание файла-архитектуры65ГЛАВА 4.

Эмулятор EZ-KIT ADSP-2189М67ГЛАВА 5. Основные сведения об архитектуре семейства 21хх695.15.2Вычислительные устройства705.1.1 Арифметико-логическое устройство705.1.2 Умножитель - накопитель735.1.3 Устройство циклического сдвига765.1.4 Операция денормализации805.1.5 Нормализация80Генераторы адресов данных и счетчик инструкций805.2.1 Счетчик инструкций815.2.2 Генераторы адресов данных835.3Контроллер прерываний855.4Режим пониженного энергопотребления875.5Шины885.6Последовательные порты885.75.6.1 Работа последовательного порта905.6.2 Регистры конфигурирования последовательного порта905.6.3 Регистры последовательного порта945.6.4 Активизация последовательного порта945.6.5 Синхронизация последовательных портов955.6.6 Длина слова965.6.7 Кадровая синхронизация965.6.8 Пример конфигурации975.6.9 Автобуферизация995.6.10 Компандинг (упаковка и распаковка данных)99Таймер997ГЛАВА 6.

Задания по лабораторным работам на EZ-KIT-2I.89M1026.1 ЛР1: Умножение векторов (свертка)1026.2 ЛР2: Трансверсальный КИХ - фильтр1046.3 ЛРЗ: Реализация БИХ - фильтра на языке С1076.4 ЛР4: Быстрое преобразование Фурье109Приложение 1 Порядок проведения лабораторных работ120Приложение 2 Содержание отчета120Приложение 3 Варианты заданий для лабораторных работ №№2-3121Приложение 4 Пример отчета1228ВведениеРеализация даже несложной обработки сигналов на универсальном процессоре (срасширенным набором команд - CISC) требует значительного быстродействия и далеко невсегда возможна в реальном времени, в то время как даже простые специализированныесигнальные процессоры (ЦСП) нередко справляются в реальном времени с относительносложной обработкой, а мощные ЦСП способны выполнять качественную спектральнуюобработку сразу нескольких сигналов.

В силу своей специализации ЦСП редкоприменяются самостоятельно - чаще всего устройство обработки имеет универсальныйпроцессорсреднеймощностидляуправлениявсемустройством,процессамиприема/передачи информации, взаимодействия с пользователем, и один или несколькоЦСП - собственно для обработки сигналов различных источников.По типу обрабатываемых данных сигнальные процессоры можно условноразделить на ЦСП с фиксированной точкой и ЦСП с плавающей точкой.