Айфичер Э., Джервис Б. Цифровая обработка сигналов, практический подход (2-е изд., 2004) (1095888), страница 137
Текст из файла (страница 137)
Как и на производственной линии, задача разбивается на небольшие независимые пццзадачи, именуемые каскадами конвейера. Последовательное соединение каскадов формирует конвейер. Как было показано в предыдущем разцеле, команду можно разбить на три этапа. Каждый этап команды рассматривается как каскад конвейера. Таким образом можно организовать наложение команд, при котором новая команда будет начинать выполняться в первый момент каждого такта (рис.
12.6, а). На рис. 12.6, б приведена временная диаграмма трехкаскадного юнвейера, на которой выделены этапы юманд. Обычно каждый этап в конвейере занимает один машинный цикл. Следовательно, в течение данного цикла могут быть одновременно активны до трех различных команд, хотя все они будут на разных стадиях завершения. Основной момент при использовании юнвейерной обработки команд заключается в том, что три части команды (т.е.
выборка нз памяти, декодирование н выполнение) независимы, так что выполнение нескольких команд может совмещаться. На рис. !2.6, б показано, что в ходе 2-го цикла процессор может одновременного извлекать из памяти тцю команду, декодировать (а' — 1)-ю команду и в то же время выполнять (т — 2)-ю команду. ?90 Глава 12. Универсальные и специализированные процессоры ЦОС Трехкаскадный конвейер, рассмотренный выше, основан на технике, которая применяется в процессорах ТМЯ320 (Техаз 1лз(тшпел1з). В том же процессоре ТМ8320 конвейерная обработка используется и по-другому, когда для получения конвейера применяется несколько регистров. Счетчик упреждающей выборки содержит адрес следующей команды, которая будет вызываться из памяти, регистр команд содержит команду, которая будет выполняться, и регистр комацды в очереди хранит команды, которые будут выполняться при выполнении текушей команды.
Адрес следующей выполняемой команды фиксирует программный счетчик. Благодаря использованию внутреннего параллелизма потока команд конвейерная обработка позволяет существенно снизить в среднем время выполнения одной команды. Пропускная способность машины с конвейерной обработкой определяется числом команд, пропущенных через конвейер за единицу времени. Как и в производственной линии, все каскады конвейера должны быть синхронизированы. Время перехода команды на следующий этап (см. рис, 12.6, а) равно одному циклу и зависит от наиболее медленного каскада конвейера.
В идеальном конвейере среднее время выполнения одной команды равно [б) время на команду (без конвейерной обработки) число каскадов конвейера (!2.1) В идеальном случае увеличение скорости равно числу каскадов конвейера (частей, на которые разбита команда), На практике увеличение скорости будет меньше из-за служебных издержек на организацию конвейера, задержек в регистрах конвейера и т.п. Прямер 12.1 В машине без конвейерной обработки вызов, декодирование и выполнение команды занимает 35, 25 и 40 нс соответственно. Определите увеличение пропускной способности, если этапы команд обрабатываются конвейером. Предполагайте, что служебные издержки составляют 5 нс на каждом этапе, и что другие задержки несущественны.
Решение В машине без конвейерной обработки среднее время выполнения команды просто равно сумме времен, необходимых на реализацию отдельных ее этапов: 35+ 25+ 40 —— 100 нс. В то же время, если предположить, что процессор имеет фиксированный машинный цикл, и что этапы команды синхронизированы по системным часам, завершение каждой команды потребует трех машинных циклов: 40 х 3 = 120 нс. Эта величина соответствует пропускной способности 8, 3 х 10е команд с '. среднее время выполнения команды (без конвейера) ускорение вычислений— — (1 2.2) среднее время выполнения команды (с конвейером) В машине с конвейерной обработкой тактовая частота определяется скоростью самого медленного каскада плюс служебные издержки. В нашем случае машинный цикл равен 40ч-5=45 нс, что вводит ограничение на среднее время выполнения команды.
Пропускная способность (при заполненном конвейере) равна 22,2 х 10екоманд с '. Следовательно, 12.2. Компьютерные архитектуры обработки сигналов 791 120 = — = 2, 67 раза (предполагается, что без конвейера команда выполняется за три цикла) 45 В машине с конвейерной обработкой каждая команда по-прежнему требует трех тактов, но в каждом такте процессор занимается выполнением до трех различных команд. Конвейерная обработка увеличивает пропускную способность системы, но не время выполнения каждой команды. Как правило, из-за служебных издержек на организацию конвейера время выполнения каждой команды даже немного увеличивается. Конвейерная обработка существенно влияет на память системы.
Число обращений к памяти в машине с конвейерной обработкой увеличивается, особенно с увеличением числа этапов. При цифровой обработке сигналов конвейерная обработка сигналов облегчается при использовании гарвардской архитектуры, где данные и команды размещаются в различных областях памяти. При последовательном соединении такого медленного устройства, как память для хранения данных, и арифметического элемента, последний часто простаивает довольно долго. В таких случаях можно применять конвейерную обработку, что позволит полнее использовать возможности арифметического устройства.
Ниже данная концепция иллюстрируется на примере. Пример 12.2 Большинство алгоритмов ЦОС характеризуются операциями умножения-накопления, например: аох(п) + а,х(п — 1) + азх(п — 2) +... + агг, х(п — (!т' — 1)). На рис. 12.7 представлена конфигурация системы без конвейерной обработки„в которой приведенное выше уравнение реализовано с помощью арифметического элемента. Транспортные задержки для памяти, умножителя и накопителя равны соответственно 200, 100 и 100 нс. 1. Чему равна пропускная способность системы? 2.
Измените конфигурацию системы для конвейерной обработки с двукратным увеличением снэрости. Проиллюстрируйте операции в новой конфигурации с помощью временной диаграммы. Решение 1. Коэффициенты а„и массивы данных хранятся в памяти, как показано на рис. 12.7, а. В режиме без конвейерной обработки коэффициенты и данные вызываются последовательно и подаются на умножитель. Произведения суммируются в накопителе (накапливающем сумматоре).
Последовательные операции умножении-накопления будут завершаться каждые 400 нс (200+100+!00), так что пропускная способность равна 2, 5 х 10е операций с '. Глава 22. Универсальные и специализированные процессоры ЦОС 792 лакать ллляраненил Паиятьлля коэффициентов краненияланиыа т„= лог т„= не т = зоз нс Рис. 227. Конфигурация уыножителя-накопителя без конвейерной обработки, Произведения пода- ются в накопитель каждые 400 ис 2. Фигурирующие в вычислениях арифметические операции можно разбить на три различных этапа: считывание из памяти, умножение и накопление.
Для увеличения скорости данные шаги разных операций можно совместить. Для двукратного увеличения скорости следует ввести конвейерные регистры между памятью и умно- жителем и между умножителем и накопителем, как показано на рис. 12.8. Временная диаграмма полученного блока с конвейерной обработкой представлена на рис. 12.9.
Как очевидно из диаграммы, операция умножения-наюпления завершается каждые 200 нс. Поскольку по условию задачи издержки на организацию конвейера можно не учитывать, ограничивающим фактором является стандартная задержка передачи через самый низюскоростной элемент, в данном случае — память. Алгоритмы ЦОС часто имеют итерационную, но сложную структуру, что делает их идеально подходящими для многоуровневой конвейерной обработки. Например, БПФ требует постоянного вычисления по схеме "бабочка".
Хотя каждое такое вычисление требует иных данных и коэффициентов, основная арифметическая операция в схеме "бабочка" остается без изменений. Следовательно, такие арифметические устройства, как процессоры БПФ, можно модернизировать, сыграв на этой особенности вычислений. Конвейерная обработка гарантирует постоянный поток команд на центральный процессор и в общем случае приводит к значительному увеличению пропускной способности системы.
В то же время, иногда конвейерная обработка может порождать проблемы. Например, в некоторых процессорах ЦОС конвейерная обработка может привести к выполнению нежелательной команды, особенно при наличии команд ветвления, и разработчику следует помнить, что такая возможность существует. 12.2. Компьютерные архитектуры обработни сигналов 793 Рнс. 12.В. Конфигурация умиожителяиакопителя с конвейерной обработюй. Регистры юнвейера используются юк временное хранилище лля коэффициентов и пар выборок данных. Регистр пронзвеленнв таске служит времен- ным хранилищем произведения $2 2,Ф:: . Аппаратный убйножитель-накопитель Основными численными операциями в цифровой обработке сигналов являются умножение и сложение.
Умножение в программной форме печально знаменито своей трудоемкостью, а если используется арифметика с плавающей запятой, сложение оказывается даже еще более трудоемкой операцией, Чтобы максимально ускорить цифровую обработку сигналов в реальном времени, рекомендуется использовать специализированные аппаратные умножители-накопители с арифметикой с плавающей или фиксированной запятой. Такое аппаратное обеспечение теперь стандартно используется во всех цифровых процессорах сигналов.
В процессоре с фиксированной запятой аппаратный умножитель за один такт (обычно 25 нс) принимает два 1б-битовых дробных числа, представленных в форме дополнения до двух, и вычисляет их 32-битовое произведение. Среднее время выполнения команды умножения-накопления можно значительно уменьшить, если использовать специальные команды повторения. Глава 12. Универсальные и специализированные процессоры ЦОС Такт ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Накопись ! ! ! ! ! 1 ! ! ! ! Умнмкить Первый умнакикепьу накопитель 0 ч а,х(0) ! ! ! 1 ! ! 1 ! ! Умножизь в,р(0) х(0) Счизазь Нанизать еторай умнажикель) накопите!ь в,х(1) ! ! ! ! ! Считать анк(0) + а,х(1) ! ! ! Умножить х(1) Третий умножителы накапикель всх(0) + в,х(1) ! + акх(2) х(2) ! езх(2) Рис. )2.9.
Временная диаграмма блока умножителя-нааопителя с аонвейернай абрабатвой. Прн за- полненном конвейере операния в блоке зааершаесся каждый такт (200 нс) .::- ')2.2,4к Специальные команды Процессоры ЦОС предлагают некоторые специальные юманды, оптимизированные для цифровой обработки сигналов. Эти команды обладают двойным преимушеством. Во-первых, они позволяют создавать более компактный код, который занимает меньше места в памяти (получается практически такой же компактный код, как и программа, написанная на языке высокого уровня, например, С). Во-вторых, они увеличивают скорость выполнения алгоритмов ЦОС.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
