Учебник - Процессоры цифровой обработки сигналов (Круг П.Г.) (1086865), страница 2
Текст из файла (страница 2)
ПЦОС реализуется на основе такназываемой базовой архитектуры (DSP Basic Architecture).Реальный масштаб времени (реальное время работы, Real TimeScale) – это такой режим работы устройства, при котором регистрация иарифметическая обработка (а при необходимости и анализ, визуализация,сохранение, систематизация, синтез и передача по каналам связи) данныхпроизводится без потерь информации, поступающей от ее источника [3].Первый ПЦОС - TMS320C10 был выпущен компанией TexasInstruments Inc. в 1982 году и благодаря целому ряду удачных техническихрешений сразу получил широкое распространение [4].
Первоначально онбыл задуман как контроллер, способный эффективно управлять работоймодема, а также для оборонных нужд.Одним из основоположников ПЦОС стал ученый из США ДжекКилби. За достижения в технологии полупроводников, совместно сроссийским ученым Ж. Алферовым, Д. Килби получил нобелевскуюпремию в области физики в 2000 году.1.2.
Цифровая обработка сигналовЦифровая обработка сигнала (Digital Signal Processing) — этоарифметическаяобработкавреальноммасштабевременипоследовательности значений амплитуды сигнала, определяемых черезравные временные промежутки [2].Аналоговая обработка сигнала, традиционно применяемая вбольшинстве устройств, является во многих случаях более практичным идешевым способом достижения требуемого результата. Однако тогда,когда требуется высокая точность обработки данных, реализацияустройства в весьма компактном и миниатюрном виде, достижениевысокой стабильности характеристик устройства в различных7PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.comтемпературных условиях функционирования, цифроваяоказывается единственно приемлемым решением [2,7].обработка1.3. Типовые задачи, решаемые ПЦОСНа основе ПЦОС создаются устройства в которых требуетсяреальныймасштабвременивыполненияпрактическилюбыхарифметических задач.
В то же время, можно выделить ряд типовых,наиболее распространенных задач, решаемых с применением ПЦОС:·фильтрация сигналов;·свертка двух сигналов (смешение сигналов);·вычисление значений авто и кросс-корреляционной функции двухсигналов;·усиление, нормализация или преобразование сигналов;·прямое и обратное Фурье-преобразование;·и др.1.4. Основные направления применения ПЦОС···········ПЦОС широко применяются в следующих областях (Табл.
1.1) [13]:телекоммуникации;приборостроение (цифровые функционально- и проблемноориентированные приборы);автоматизация в промышленности;управление техническими системами;автомобилестроение;медицина;обработка голоса и речи;обработка изображений и графические станции;бытовые приборы;оборонные отрасли;и др.8PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.comТаблица 1.1. Основные направления применения ПЦОССистемы общегоназначенияГрафикаи обработка образовЦифровая фильтрацияСверткаКорреляционный анализПреобразование ГильбертаБыстрое преобразованиеФурьеАдаптивная фильтрацияВзвешивание сигналовСинтез сигналов3-D вращение изображенийТехническое зрение роботовПередача и сжатиеизображенийРаспознавание образов«Улучшение» изображенийГомоморфическая обработкаГрафические рабочиестанцииАнимацияЦифровые картыОбработка голоса и речиУправлениеГолосовая почтаРечевые вокодерыРаспознавание речиВерификация говорящего«Улучшение» речиСинтез речиСистемы «Текст-речь»Управление дисководомСледящие системыУправление роботомУправление лазернымпринтеромУправлениеэлектроприводомТелекоммуникацииПодавление помехADPCM кодированиеЦифровые PBXСетевые усилителиМультиплексированиеканаловМодемыDTMF кодирование/декодированиеБытовые приборыЦифровые магнитофоныЦифровое телевидениеМузыкальные синтезаторыИгрушки и «настольные»игрыСправочные автоматы(информаторы)ПриборостроениеСпектральныеанализаторыФункциональныегенераторыАнализаторыпереходных процессовЦифровые фильтрыСинтезаторы сигналовОборонаСпециальная связьОбработка радаровЗвуковая обработкаОбработка изображенияНавигацияНаведение ракеты нацельАвтомобилестроениеШифрование данныхФаксыСотовые телефоныНаушникиЦифровая речьКоммутация пакетов X.25ВидеоконференцииСистемы связиПромышленностьРоботыКонвейерыСтанки с ЧПУОграничение доступаПромышленные мониторы9PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.comУправление двигателемВибрационный анализУправлениеторможениемУстановлениеместонахожденияНавигацияГолосовые командыАвтопилотыМедицинаСлуховые аппаратыМногофункциональныймониторингУльтразвуковоеоборудованиеДиагностическиеприборыПротезирование1.5.
Терминологический аспект1.5.1. «Процессор» или «контроллер»?Как правильно назвать микросхему, которую вы впервые увидели вдокументации, на схеме или на плате устройства: «процессор» или«контроллер»?В первую очередь, следует обратить внимание на основнуюфункцию, которую решеает данная микросхема. Если основная задачаустройства связана с обработкой данных (Data Processing) – то этопроцессор, если же с управлением (Control) – то это контроллер.Другими словами, одна и та же микросхема может служить ипроцессором, и контроллером в зависимости от того, в каком устройстве идля каких целей она используется.1.5.2. «Микропроцессор» или «нанопроцессор»?В слове «микропроцессор» присутствует однозначная ссылка на то,что схема изготовлена с использованием микротехнологии.В настоящее время достижения в области полупроводниковпозволяют изготавливать еще более миниатюрные схемы сиспользованием нанометровой технологии.
Однако среди специалистовтермин «нанопроцессор» практически не используется.В то же время в отечественной и зарубежной техническойлитературе и в материалах компаний-производителей все чащеиспользуется термин «процессор».10PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.com2. СОВРЕМЕННЫЕ ПЦОС2.1. Базовая архитектура ПЦОСОтличительной чертой задач цифровой обработки сигналов являетсяпоточный характер обработки больших объемов данных в реальноммасштабе времени, требующий от технических средств высокойпроизводительности и возможности интенсивного обмена с внешнимиустройствами.
Это достигается в настоящее время благодаряспецифической архитектуре ПЦОС, называемой базовой архитектуройПЦОС.Базовая архитектура ПЦОС – это совокупность характерныхособенностейпроцессора,направленнаянаповышениеегопроизводительности и отличающая ПЦОС от микросхем других типов.Она обусловлена:применением модифицированной гарвардской архитектуры;широкому использованием конвейерного режима работы;наличием специализированного устройства умножения;наличием специальных команд для цифровой обработки сигналов;реализацией короткого командного цикла.2.1.1. Гарвардская архитектураГарвардскаяархитектураприменяетсядляповышенияпроизводительности (быстродействия) и гибкости работы ПЦОС.Гарвардская архитектура в классическом варианте подразумеваетразмещение программы и данных в раздельных ЗУ и их передачу пораздельным шинам.
Это позволяет полностью совмещать во временивыборку и исполнение команд.Модифицированная гарвардская архитектура допускает обменсодержимым между памятью программ и памятью данных, что расширяетвозможности устройства.2.1.2. КонвейерКонвейертакжеприменяетсявцеляхповышенияпроизводительности ПЦОС.Так, в четырехкаскадном конвейере (например, в ПЦОСTMS320C2xx) ПЦОС может обрабатывать одновременно четыре команды,причем все команды находятся на разных стадиях выполнения.В четырехкаскадном конвейере предварительную выборку команды,дешифрирование, выборку операнда и исполнение команд можноосуществлять независимым образом. Пока производится предварительнаявыборка команды N, предыдущая команда N─1 дешифрируется, командаN─2 выбирает операнд, а N─3 исполняется.11PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.comСледует отметить, что конвейер реализован автоматически такимобразом, что специалист, программирующий ПЦОС никак не замечает егоналичие.2.1.3.
Специализированное устройство умноженияДля ПЦОС характерным является наличие аппаратного умножителя,позволяющего выполнять умножение двух чисел за один командный такт.В универсальных же процессорах умножение обычно реализуется занесколько тактов, как последовательность операций сдвига и сложения.2.1.4. Специальные команды для цифровой обработки сигналовДругой особенностью ПЦОС является включение в системуспециальных команд как, например, умножение с накоплением (MAC):С = А • В + С, с указанным в команде числом выполнений в цикле и справилом изменения индексов используемых элементов массивов А и В;инверсия битов адреса, разнообразные битовые операции. В ПЦОСреализуется аппаратная поддержка программных циклов и кольцевыхбуферов, когда один или несколько операндов извлекаются из памяти вцикле исполнения команды.2.1.5.
Короткий командный циклВ ПЦОС широко используются методы сокращения длительностикомандного цикла, характерные, в том числе, для универсальных RISCпроцессоров.2.2. ПЦОС с фиксированной и плавающей точкой(арифметикой)ПЦОС различных компаний-производителей образуют два класса,существенно различающихся по цене: более дешевые ПЦОС обработкиданных в формате с фиксированной точкой и более дорогие ПЦОС,аппаратно поддерживающие операции над данными в формате сплавающей точкой.Использование данных в формате с плавающей точкой обусловленонесколькими причинами. Для многих задач, связанных с выполнениеминтегральных и дифференциальных преобразований, особую значимостьимеет точность вычислений, обеспечить которую позволяет экспоненциальный формат представления данных.
Алгоритмы компрессии,декомпрессии, адаптивной фильтрации в цифровой обработке сигналовсвязаны с определением логарифмических зависимостей и весьмачувствительны к точности представления данных в широкомдинамическом диапазоне.12PDF created with pdfFactory trial version www.pdffactory.comРабота с данными в формате с плавающей точкой существенноупрощает и ускоряет обработку, повышает надежность программы,поскольку не требует выполнения операций округления и нормализацииданных, отслеживания ситуаций потери значимости и переполнения.Платой за дополнительные «комфорт и скорость» является высокаясложность функциональных устройств, выполняющих обработку данных вформате с плавающей точкой, необходимость использования болеесложных технологий производства микросхем, больший процентотбраковки изделий и, как следствие, дороговизна ПЦОС.2.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
