Мысловский Э.В. Цифровые сигнальные процесссоры (2003) (1264219), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Эти два классасущественно различаются по цене. Использование в сигнальной обработке данных вформате с плавающей точкой обусловлено несколькими причинами. Для многих задач,связанных с выполнением интегральных и дифференциальных преобразований, особуюзначимостьимеетточностьвычислений,обеспечитькоторуюпозволяетэкспоненциальный формат представления данных. Алгоритмы компрессии, декомпрессии,адаптивной фильтрации в цифровой обработке сигналов связаны с определениемлогарифмических зависимостей и весьма чувствительны к точности представленияданных в широком динамическом диапазоне.
Работа с данными в формате с плавающейточкой существенно ускоряет и упрощает обработку, повышает надежность программы,поскольку не требует выполнения операций округления и нормализации данных,отслеживанияситуациипотеризначимостиипереполнения.Платойзаэтидополнительные комфорт и скорость является высокая сложность функциональныхустройств,выполняющихобработкуданныхвформатесплавающейточкой,необходимость использования более сложных технологий производства микросхем,больший процент отбраковки изделий и как следствие дороговизна микропроцессоров.Системы на базе процессоров с фиксированной точкой предназначены главнымобразом для массового потребителя.
Низкая стоимость подобных систем позволяетинтегрировать их в различную портативную аудиотехнику, которая в своем большинствеуже использует технологию цифровой обработки (MP3 и MiniDisc плееры) и, как правило,содержит в себе сигнальный процессор.9Процессоры для обработки чисел с фиксированной точкой компании TexasInstruments представлены тремя семействами процессоров, базовыми моделями которыхявляются соответственно TMS320C 10,20,50. Достаточной для реализации алгоритмовадаптивной фильтрации производительностью обладают лишь представители семействС2хх, С5х и С54х (40, 40 и 66 MIPS соответственно). Значительное внимание приразработке процессоров данных семейств уделялось обеспечению энергосберегающихрежимовфункционирования.Вмикропроцессорахподдерживаютсяактивный,периферийный режимы и режим "сна".
Потребление тока в активном режиме непревышает 1,5 мА/MIPS при питании 3 В. В периферийном режиме центральныйпроцессор останавливается и работает только периферия, потребление тока составляет0,25 мА при ЗВ. В режиме "сна" процессор останавливается до получения сигналапрерывания. Потребление тока в этом режиме составляет 5 мкА.Семейство с плавающей точкой включает процессоры TMS320C30,40, асемейство TMS320C6x содержит процессоры как с фиксированной, так и с плавающейточкой.Семейство TMS320C3x отличается высокой производительностью (33 MFLOPS),гибкой системой команд, хорошей аппаратной поддержкой операций с плавающейточкой, мощной системой адресации, поддержкой языка высокого уровня - Си.БлагодарясвоейуникальнойархитектуремикропроцессорыTMS320C40совместимы по системе команд с С30, однако, обладают большей производительностью илучшими коммуникационными возможностями.
С40 имеет производительность 60MFLOPS и максимальную пропускную способность подсистемы ввода-вывода 384Мбайт/с.Микропроцессоры компании Analog Devices образуют два основных семейства ADSP-218x и ADSP-2106x. Семейство ADSP-218x объединяет 16-рязрядные процессоры собщей базовой архитектурой, оптимизированной для высокоскоростных вычислений сфиксированной точкой.
Друг от друга представители семейства отличаются, в основном,расположенными на кристалле периферийными устройствами, такими как кэш-память,таймеры, порты и т.д. Семейство ADSP- 218х успешно конкурирует с аналогичнойпродукцией других компаний благодаря сравнимой производительности при более низкойцене, а также развитой системе технических и программных средств разработкиприкладных систем. На сегодняшний день последним представителем этого семействаявляется процессор ADSP-2189. Он имеет высокую производительность при тактовой10частоте 75 МГц и сниженное до 2,5 В напряжение питания. Такое сочетание позволяетстроить на его основе высокопроизводительные системы управления с автономнымпитанием. Еще одной особенностью является расширенный до 32 Кбайт объемвнутрикристальной памяти программ, что позволяет использовать более сложныеалгоритмы обработки.Второе семейство - ADSP-2106x - объединяет 32-разрядные микропроцессоры,ориентированные на алгоритмы с плавающей точкой.
Микропроцессоры семейства ADSP2106x имеют второе название - SHARC, связанное с особенностями их архитектуры,котораяобъединяетвысокоэффективноепроцессорноеядро,интерфейссhost-процессором, контроллер ПДП, последовательные порты и линки. Процессоры ADSP21061, 062 работают на частоте 40 МГц и имеют быстродействие до 120 MFLOPS. Такаяпроизводительность наряду с оптимизацией системы команд под алгоритмы цифровойфильтрации делает эти процессоры крайне популярными при разработке системуправления реального времени.Сигнальные процессоры компании Motorola ориентированы главным образом нарынок систем связи.
К числу последних достижений фирмы относится 24-разрядныйпроцессор серии DSP56300 - DSP56311 с производительностью 255 MIPS. Помимо DSPядра на тактовую частоту 150 МГц, они содержат сопроцессор, выполняющий функциифильтрации и подавления эхо-сигнала с производительностью 105 MIPS, и с ОЗУемкостью 3 Мбит. Новые схемы, способные поддерживать одновременно несколькоголосовых каналов и канатов данных, пригодны и для проводных систем связи иИнтернет-телефонии.Рис.В.1. Сравнение эффективности архитектур процессоров с равной тактовойчастотойВыбор того или иного процессора - многокритериальная задача, однако, следуетотметить предпочтительность процессоров Analog Devices для приложений, требующихвыполнения больших объемов математических вычислений (таких как цифровая11фильтрация сигнала, вычисление корреляционных функций и т.п.), поскольку ихпроизводительность на подобных задачах выше, чем у процессоров компаний Motorola иTexas Instruments.
В то же время для задач, требующих выполнения интенсивного обменас внешними устройствами (многопроцессорные системы, различного рода контроллеры),предпочтительнееиспользоватьпроцессорыTexasInstruments,обладающиевысокоскоростными интерфейсными подсистемами. Компания Motorola является лидеромпо объему производства универсальных сигнальных микропроцессоров, большую часть изкоторых составляют дешевые и достаточно производительные 16- и 24- разрядныемикропроцессоры с фиксированной точкой.На рис.В.1. показано сравнениеэффективностиархитектур процессоровразличных производителей с равной тактовой частотой (производительность процессораDSP56300 компании Motorola выше в два раза за счет наличия двухпроцессорного ядра).12ГЛАВА 1. Основные понятия, определения и термины1.1Общие принципы построения цифровых сигнальных процессоров,архитектура цифровых сигнальных процессоровЦифровым сигнальным процессором называют процессор для выполненияобработки данных и решения задач в реальном масштабе времени с использованием«оцифрованных сигналов».
ЦСП относятся к специализированным процессорам и именнопоэтому имеют своеобразную архитектуру. Не существует и невозможно создатьуниверсальный процессор способный эффективно решать любые задачи. При созданиинового семейства процессоров в первую очередь определяют круг основных задачрешаемых им. Поэтому архитектура ЦСП формировалась с учетом специфики алгоритмовЦОС.Принято выделять в качестве основных две архитектуры или два подхода кпостроению процессоров:• Фон-Неймановский• ГарвардскийФон-Неймановский подход предполагает для хранения данных и программыиспользовать одно устройство памяти.
С ЦПУ устройство памяти соединено двумяшинами: шиной адреса и шиной данных.Гарвардский подход предполагает наличие двух различных устройств памяти дляхранения данных и программы. Каждое устройство для общения с ЦПУ имеет свои шинуданных и шину адресов.В системе с гарвардской архитектурой можно одновременно обращаться кразличным устройствам памяти, что позволяет ускорить выполнение бинарных операций,операнды которых хранятся в памяти.ИменнопоэтомуЦСПпреимущественностроятпомодифицированнойгарвардской архитектуре, при которой операция вида Z = Z + X*Y выполняется за одинтакт. Однако этим специфика не ограничивается и будет постепенно рассмотрена вследующих параграфах.Для хранения информации используется память программ и память данных,располагающиеся на кристалле.
Устройства на кристалле процессора связаны с памятьюшинами. Чаще всего выделяют четыре шины: шину адреса памяти программ (ШАПП),шину данных памяти программ (ШДПП), шину адреса памяти данных (ШАПД), шину13данных памяти данных (ШДПД). Количество шин в различных процессорах можетразличаться. Наиболее часто увеличивают количество ШДПД. Это дает возможностьразным устройствам выполнять операции одновременно. В некоторых процессорах(например, TMS320C5000) производится разделение ШДПД для чтения и ШДПД длязаписи.В настоящее время объем внутрикристальной памяти программ и памяти данныхЦСП составляет несколько десятков килобайт, поэтому большинство ЦСП позволяетработать с внешней памятью, связь с которой осуществляется через внешние шину адреса(ВША) и шину данных (ВШД).
Таким образом, для внешней памяти, память программ ипамять данных сосредоточены в одном адресном пространстве, поэтому одновременныеобращения могут стать причиной конфликта.АЛУ (арифметико-логическое устройство) выполняет требуемые арифметическиеоперации.Умножитель введен для оптимизации выполнения операций умножения снакоплением, и его основная функция выполнять операции вида R = R + X*Y.Сдвигатель - сдвиги на любое количество разрядов в любом направлении можнопроизводить и в АЛУ, однако для распараллеливания в ряде процессоров фирм Motorolla,Texas Instruments, Analog Devices имеются аппаратно реализованные устройства сдвига.За управление работой ЦСП и в частности программой отвечает устройствоуправления выполнением программы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
