Цифровые сигнальные процессоры (Раздаточные материалы ТПАЦОС)

Цифровые сигнальные процессоры1 Цифровые сигнальные процессоры1.1.1 Особенности архитектурыАрхитектура сигнальных процессоров, по сравнению с микропроцессорами настольныхкомпьютеров, имеет некоторые особенности:•••••••Гарвардская архитектура (разделение памяти команд и данных), как правиломодифицированная;o Большинство сигнальных процессоров имеют встроенную оперативную память,из которой может осуществляться выборка нескольких машинных словодновременно. Нередко встроено сразу несколько видов оперативной памяти,например, в силу Гарвардской архитектуры бывает отдельная память дляинструкций и отдельная - для данных.o Некоторые сигнальные процессоры обладают одним или даже несколькимивстроенными постоянными запоминающими устройствами с наиболееупотребительными подпрограммами, таблицами и т.п..Аппаратное ускорение сложных вычислительных инструкций, то есть быстроевыполнение операций, характерных для цифровой обработки сигналов, например,операция «умножение с накоплением» (MAC) (Y := X + A × B) обычно исполняется заодин такт.«Бесплатные» по времени циклы с заранее известной длиной.

Поддержка векторноконвейерной обработки с помощью генераторов адресных последовательностей.Детерминированная работа с известными временами выполнения команд, чтопозволяет выполнять планирование работы в реальном времени.Сравнительно небольшая длина конвейера, так что незапланированные условныепереходы могут занимать меньшее время, чем в универсальных процессорах.Экзотический набор регистров и инструкций, часто сложных для компиляторов.Некоторые архитектуры используют VLIW.По сравнению с микроконтроллерами, ограниченный набор периферийныхустройств — впрочем, существуют «переходные» чипы, сочетающие в себе свойстваDSP и широкую периферию микроконтроллеров.1.1.2 Области применения•••••••Коммуникационное оборудование:o Уплотнение каналов передачи данных;o Кодирование аудио- и видеопотоков;Системы гидро- и радиолокации;Распознавание речи и изображений;Речевые и музыкальные синтезаторы;Анализаторы спектра;Управление технологическими процессами;Другие области, где необходима быстродействующая обработка сигналов, в том числев реальном времени.1Цифровые сигнальные процессоры1.1.3 Первое поколение ЦСП (начало 1980-х)Первые ЦСП: Mac 4 фирмы Bell Labs, µMPD7720 компании NEC и DSP1 компанииAT&T, не получили широкого распространения.

Стандартом де-факто стал выпущенный в1982 г. кристалл TMS32C10 фирмы Texas Instruments, по многим параметрам и удачнымтехническим решениям превосходящий изделия конкурентов.Характеристики TMS32C10:• АЛУ:o Размер слова: 16 бит;o Разрядность вычислителя: 32 бит;o Быстродействие: 5 млн операций сложения или умножения в секунду;• Длительность командного цикла: 160—280 нс;• Память:o ОЗУ: 144—256 слов;o ПЗУ программ: 1,5—4 К слов;o ППЗУ: до 4К слов (отдельные модели);• Внешняя шина:o Разрядность: 16 бит;o Адресуемое пространство: 4К словo Пропускная способность: 50 Мбит/с• Устройства ввода-вывода: 8 портов по 16 разрядов;1.1.4 Второе поколение (середина 1980-х)Благодаря прогрессу в полупроводниковых технологиях, в этот период были выпущеныизделия, имеющие расширенные функции по сравнению с первым поколениям.

Кхарактерным отличиям можно отнести:•••••••••••••Увеличение объёма ОЗУ до 0,5 К слов;Добавлена возможность подключения внешней памяти программ и внешней памятиданных объёмом до 128 К слов;Быстродействие повышено в 2—4 раза;Улучшенные подсистемы прерываний и ввода-вывода.Увеличена разрядность данных;Пониженное напряжение питания и, как следствие, энергопотребление;Введены режимы экономии энергии;Аппаратная поддержка мультипроцессорности (система совместного доступа квнешней памяти);Аппаратная поддержка кольцевых буферов;Аппаратная поддержка операций циклов;Расширены способы адресации;Две внутренние шины данных, что позволяет значительно ускорить парную обработкуданных (координаты X/Y, действительная и мнимая часть и т.

д.), либо виртуальноудвоить разрядность обрабатываемых данных;Введена кэш-память.1.1.5 Третье поколение (конец 1980-х)Третье поколение ЦСП принято связывать с началом выпуска изделий, реализующихарифметику с плавающей запятой. Характерные особенности первых выпущенных образцов:•Производительность: порядка 20-40 млн оп./сек. (MIPS);2Цифровые сигнальные процессоры•••••••Два блока ОЗУ по 1 К 32-разрядных слов с возможностью одновременного доступа;Кэш-память объёмом 64 слова;Разрядность регистров: 32 бит;Разрядность АЛУ: 40 бит;Регистры для операций с повышенной точностью;Встроенные контроллеры ПДП;Разрядность шин: 32 бит для команд и 24 бит для адреса;1.1.6 Четвёртое поколениеЧетвёртое 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.1.1.7 Современные ЦСПЛучшие современные ЦСП можно характеризовать следующими параметрами:•••••••Тактовая частота — 1 ГГц и выше;Многоядерность;Наличие двухуровневого кеша;Встроенные многоканальные контроллеры прямого доступа к памяти;Быстродействие порядка нескольких тысяч MIPS и MFLOPS;Выполнение до 8 параллельных инструкций за такт;Совместимость со стандартными шинами (PCI и др.)1.2 Основные параметры ЦСПТип арифметики: ЦСП делятся на процессоры, обрабатывающие данные сфиксированной точкой и с плавающей точкой.• Разрядность данных.

Большинство ЦСП с фиксированной точкой обрабатываютданные с разрядностью 16 бит, процессоры с плавающей точкой — 32 бита. Многиемодели могут обрабатывать данные с двойной точностью.• Быстродействие. Скорость работы характеризуют несколькими параметрами, а такжевременем решения некоторых реальных задач.oТактовая частота и Время командного цикла. Для современных ЦСП тактоваявнутренняя частота может отличаться от внешней, поэтому могут указываться двазначения. Время командного цикла указывает на время выполнения одного этапакоманды, то есть время одного цикла конвейера команд.oКоличество выполняемых команд за единицу времени.

Различное времяисполнения команд, а также исполнение нескольких команд одновременно непозволяют использовать этот параметр для надежной характеристикибыстродействия.oКоличество выполняемых операций за единицу времени (MIPS). Данныйпараметр учитывает одновременную обработку нескольких команд и наличиепараллельных вычислительных модулей, поэтому достаточно хорошо можетуказывать на быстродействие ЦСП. Некоторой проблемой здесь остается то, чтопонятие «операции» четко не формализовано.oКоличество выполняемых операций с плавающей точкой за единицу времени.Параметр аналогичен предыдущему используется для процессоров с плавающейточкой.oКоличество выполняемых операций MAC за единицу времени.

Данная команда,с одной стороны, является базовой для многих вычислений, а с другой —•3Цифровые сигнальные процессоры•••••••••достаточно проста. Поэтому время её исполнения можно использовать в том числе идля оценки общей производительности ЦСП.oВремя выполнения специальных тестов, имитирующих некоторыераспространенные задачи цифровой обработки сигналов. Каждый тест состоит изнескольких небольших программ, которые пишутся на ассемблере иоптимизируются под заданную архитектуру.

Эти тесты могут включать реализациюфильтров КИХ и БИХ, перемножение векторов. декодеры Витерби, БПФВиды и объём внутренней памяти. Модели с обычным ПЗУ подходят длякрупносерийного производства, ППЗУ (однократно программируемое) удобно длянебольших тиражей, а применение Flash-памяти позволяет менять программуустройства многократно во время эксплуатации. На данный момент не очень мощныеDSP чаще всего снабжены достаточно большой Flash-памятью и заметным объёмомRAM и поэтому могут являться самодостаточными. Мощные DSP как правилополагаются на внешнюю память подключенную по достаточно быстрым шинам аразмещение там Flash-памяти может быть технически проблематичным, например, изза заметного выделения тепла.Адресуемый объём внешней памяти.Способ начальной загрузки.Количество и параметры портов ввода-вывода.Состав внутренних дополнительных устройств.

В число внутренних могут входитьразнообразные по назначению устройства, например, общего применения — таймеры,контроллеры ПДП и т. д., а также проблемно-ориентированные — АЦП, кодеки,компрессоры данных и другие.Напряжение питания и потребляемая мощность. Обычно 1,8-3,3-5В. Многиеустройства имеют режимы экономии при простое, либо позволяют программноотключать часть своих устройств.Состав и функциональность средств разработки и поддержки.o Перечень языков программирования, для которых есть компиляторы подданную систему;o Наличие и возможности средств отладки готовых программ;o Доступность документации и технической поддержки;o Наличие библиотек стандартных подпрограмм и математических функций;o Наличие, доступность и возможности совместимых устройств — АЦП, ЦАП,контроллеры питания и т.