цифровая обработка сигнала. ПЗ исправленный!. Анализ технического задания
 Скачать 3.62 Mb.
|
3 Выбор элементной базы3.1.Выбор процессора ЦОСВыбор того или иного процессора — многокритериальная задача, однако следует отметить, что для приложений, требующих выполнения больших объемов математических вычислений (таких как цифровая фильтрация сигнала, вычисление корреляционных функций и т. п.), предпочтительнее использовать процессоры AnalogDevices, поскольку их производительность на подобных задачах выше, чем у процессоров компаний Motorola и TexasInstruments. В то же время для задач, требующих выполнения интенсивного обмена с внешними устройствами (многопроцессорные системы, различного рода контроллеры), предпочтительнее использовать процессоры TexasInstruments, обладающие высокоскоростными интерфейсными подсистемами. Но компания Motorola является лидером по объему производства сигнальных микропроцессоров, большую часть из которых составляют дешевые и достаточно производительные. Сигнальные микропроцессоры фирмы Motorola представлены тремя классами устройств: 24 разрядные сигнальные процессоры с арифметикой фиксированной точки, включающие семействаDSP5600x и DSP5630x, 16 разрядные сигнальные процессоры с арифметикой фиксированной точки, включающие семейства DSP561xx, DSP5660x и DSP568xx, и DSP96002 - мощный 32 разрядный сигнальный микропроцессор с арифметикой плавающей точки. Целесообразность трех классов ЦПОС, отличающихся организацией внутренней арифметики, обусловлена, прежде всего, различными требованиями по точности обработки сигналов и динамическому диапазону. Например, динамический диапазон речевых сигналов в телефонном канале, как правило, не превышает 40 дБ и надежно реализуется 16-ти разрядной арифметикой. Сигналы же высококачественного звуковоспроизведения имеют динамический диапазон более 90 дБ, и его очень сложно обеспечить, используя 16-ти разрядную арифметику. В крайнем случае, применяют искусственное удвоение арифметики, что значительно увеличивает объем программы и времени обработки. Арифметика плавающей точки более удобна и проста для программиста. Значительно сокращается время разработки, не приходится бороться с переполнениями, предельными циклами низкого и высокого уровня, характерными для арифметики фиксированной точки. Но стоимость ЦПОС с плавающей точкой довольно высока и их применение оправдано в оборудовании, где используются сложные алгоритмы обработки сигналов большого динамического диапазона, ограничены сроки обработки, а стоимость не столь критична как в потребительской сфере. Существование нескольких типов приборов в рамках одного класса также оправдано, поскольку различные требования приложений определяют разнообразные разумные и достаточные варианты реализации ЦПОС одного семейства, отличающиеся, например, по объему внутренней памяти, быстродействию, составу встроенного периферийного оборудования и т.д. Например, большой объем внутреннего ОЗУ ЦПОС DSP56166 (по сравнению с DSP56156) позволил реализовать на нем без дополнительной внешней памяти приемный цифровой тракт сотового телефона по стандарту IS-54. С другой стороны, DSP56156 более целесообразен для использования в приложениях, где требования к объему ОЗУ либо настолько высоки, что все равно требуется установка внешнего ОЗУ, либо настолько малы, что объема внутренней памяти DSP56156 достаточно. Кроме того, в рамках одного класса имеются подклассы, например, DSP561xx, DSP5660x, DSP568xx, а внутри подкласса могут быть различные типы ЦПОС, например, DSP56166, DSP56156, DSP56158, DSP56116. Для всех ЦПОС базовой является модифицированная гарвардская архитектура с системой параллельных шин, позволяющая достичь высокого уровня быстродействия обработки данных. Главным объединяющим элементом всех семейств является организация процессорного ядра. Внутри семейства отличия приборов заключаются в объеме и типе встроенной памяти, составе и возможностях встроенного периферийного оборудования, организации интерфейса с внешними устройствами. Основными характерными особенностями, выделяющими ЦПОС фирмы Motorola, являются: два банка памяти, которые позволяют одновременно пересылать два операнда одинарной длины или один операнд двойной длины; два аккумулятора АЛУ данных увеличенной разрядности позволяют производить итерационные вычисления без возникновения ошибок переполнения; развитая система адресации, включающая аппаратную поддержку циклических буферов и битреверсивной адресации; аппаратная поддержка вложенных циклов программы; гибкая приоритетная система прерываний; обширная встроенная периферия. Некоторые приборы ЦПОС фирмы Motorola, равно как и аналогичные приборы других фирм, имеют режимы пониженного энергопотребления, в которых потребление тока в режиме ожидания снижается в десятки тысяч раз, а также низковольтные версии приборов, в которых потребляемая мощность в рабочем режиме снижается в 2-3 раза. Практически все приборы ЦПОС Motorola содержат средства поддержки внутрисхемной эмуляции, что очень важно для отладки проектируемых систем. Семейство 24- разрядных процессоров DSP56000 называют базовым, поскольку его архитектура является концептуальной для всех сигнальных процессоров DSP56K. Основные характеристики сигнальных процессоров базового семейства: параллелизм - одновременная и независимая работа основных устройств на кристалле благодаря развитой системе шин; две области памяти данных и два аккумулятора, что удобно при организации симметричной обработки, например, комплексных данных, стереофонических сигналов и т.п.; разрядность данных 24 бита, обеспечивающая динамический диапазон 144 дБ; разрядность аккумуляторов 56 бит, обеспечивающая динамический диапазон 336 дБ; 8 - разрядный регистр расширения в составе каждого 56 -разрядного аккумулятора, позволяющий обрабатывать данные вещественного типа с целой частью (т.е. смешанные числа); разрядность адреса 16; разнообразие режимов адресации, возможность модульной и бит-реверсивной косвенной адресации; исключительно мощная система команд; возможность выборки двух операций за один командный цикл; до двух параллельных пересылок данных, реализуемых одновременно с выполнением команды; аппаратная реализация циклов DO; гибкая система прерываний; обширная внутрикристальная периферия; внутрикристальный эмулятор; низкое энергопотребление за счет КМОП-технологии и возможности управления энергопотреблением в состояниях ожидания и останова; удобная и надежная аппаратная и программная среда проектирования и отладки. Таблица 3.1.1 - Семейства ПЦОС фирмы Motorola
Семейство DSP5600x, которое было разработано первым, можно рассматривать как прототип остальных семейств. Развитие сигнальных процессоров шло по нескольким направлениям. Внутри семейства DSP5600x наряду с приборами, получившими чисто "количественное" развитие, появились приборы, специализированные для конкретных приложений. Примером может служить группа процессоров DSP56004/ DSP56007, имеющая общее название "Симфония" ипредназначенная для построения систем высококачественной обработки звука. Областью применения этих ЦПОС являются приложения, где требуется большой динамический диапазон обрабатываемых данных. Сюда можно отнести разнообразные профессиональные звуковые системы (синтезаторы, микшерские пульты, эффект-процессоры, ТВ системы Dolby и т.д.) Кроме внутрисемейного развития, опять же с целью большей специализации под конкретные классы задач, происходила разработка новых семейств. Так, семейство DSP561xx реализуется сужением характеристик семейства DSP5600x и предназначается для приложений, не требующих большой разрядности. В то же время, приборы DSP561xx обладают высокой производительностью и экономичностью. К упомянутым приложениям относятся компрессия и распознавание речи, эхокомпенсация, многие задачи фильтрации, обработки сигналов биологических объектов и т. д. Так, телефонные аппараты, поддерживающие сотовую связь Motorola, построены на двух чипах DSP56166, где один используются в качестве речевого кодека, а второй - в качестве модема. Среди ЦПОС Motorola одним из первых появился прибор DSP96002, который можно рассматривать как расширение семейства DSP5600x. Этот ЦПОС предназначен для решения задач, требующих огромной вычислительной мощи и возможности работать с массивами данных очень больших размеров. Такие задачи возникают при построении средств мультимедиа и высококачественной графики, радарных и гидроакустических станций, сложного медицинского оборудования. В последние годы были созданы еще три семейства. Это - DSP5630x, включающее универсальный сигнальный процессор, ядро которого имеет собственное название "Новый ЦПОС Мотор" - "New DSP Engine", и является качественным развитием ядра DSP56000, сочетающим экономичность с большой производительностью. Семейство DSP5680x, которое, несмотря на сужение некоторых характеристик, приобрело некоторые новые качества. Цель разработки этих процессоров - получить максимально экономичный и недорогой прибор. Процессоры семейства имеют рекордное потребление энергии. Так в рабочем режиме процессор DSP56L811 потребляет всего 20 мА. При этом производительность его остается на высоком уровне. И, наконец, семейство DSP5660x, представитель которого DSP56602 является 16-ти разрядным ЦПОС. Однако, имея 24-х разрядную память команд, он по программному коду полностью совместим с ЦПОС DSP56301. ЦПОС является полностью статическим, работая на частотах от 0 до 60 МГц. Имеет максимальную производительность 60 MIPS, сохраняет работоспособность в диапазоне питающего напряжения от 1,8 до 3,3 В и потребляет в рабочем режиме не более 85 мА. В отличие от ЦПОС, разработанных на первых этапах и имеющих свой собственный интерфейс внутрисхемного эмулятора (это семейства DSP5600x, DSP561xx и DSP9600x), все ЦПОС новых семейств оснащены стандартным JTAG интерфейсом (стандарт IEEE 1149.1), позволяющим упростить процесс отладки программного обеспечения. 32-разрядные процессоры с плавающей точкой DSP96000 поддерживают стандарт IEEE 754. Производительность семейства составляет 60 MFLOPS на частоте 40 МГц. Оно ориентировано па приложения, связанные с обработкой изображений, томографией, радиолокацией и др. Рассмотрим 2 семейства процессоров цифровой обработки сигналов: DSP56800 и DSP56000. Семейство DSP56000 Процессоры семейства DSP56000 могут применяться для реализации алгоритмов ЦОС общего назначения, но имеют и специальные приложения. Сочетание архитектуры, эффективной для аудио обработки (большой динамический диапазон, высокая точность, низкий уровень шума, возможность симметричной обработки, высокая производительность), и соответствующей внутрикристалльной периферии, позволили фирме Motorola стать лидером современных высоких технологий в аудиоприложениях. Процессоры DSP56004/07/09, известные под общим названием "Symphony", являются промышленным стандартом для бытовых и коммерческих систем цифровой обработки аудиосигналов. В частности, они применяются в следующих аудиосистемах: DolbyАС-3 Surround (DSP56009); DTS (Digital Theater Systems) Coherent Acoustics™ (DSP56009); Dolby Pro Logic/ Lucasfilm Home THX (DSP56007); Dolby Pro Logic Surround (DSP56004); A/V (аудио/видео) приемниках (например DSP56009 в AVC-2500) и др. Процессорам семейства DSP56000 отдается предпочтение в аудиосистемах, использующих цифровые аудио компакт-диски (CD) и CDI-технологии (CompactDiskInteractive — интерактивный CD), которые применяются в получающих широкое распространение системах домашних развлечений (домашние театры, концерты и т. п.), а также для синтеза/распознавания речи в компьютерах нового поколения с искусственным интеллектом. Семейство DSP56800 Семейство 16-разрядных процессоров DSP56800 представляет собой сокращенную версию 24-разрядных процессоров базового семейства DSP56000. В настоящий момент семейство DSP56800 представлено одним высокопроизводительным маломощным и экономически выгодным процессором DSP56824, сочетающим в себе преимущества архитектуры сигнальных процессоров с функциональными возможностями микроконтроллеров. Сравнивая 16-разрядное семейство DSP56800 с базовым семейством DSP56000, можно выделить следующие основные отличительные особенности архитектуры и функциональных свойств: 16-разрядные данные (вместо 24-разрядных): 3 входных регистра ALU данных (вместо 4-х); 36-разрядные аккумуляторы (вместо 56-разрядных); 4-разрядный регистр расширения аккумулятора (вместо 8-разрядного); включение в состав ALU данных 16-разрядного параллельного циклического сдвигателя, выполняющего за один машинный цикл - сдвиг на 1-15 бит влево или вправо; функциональные сокращения в AGU и PCU; возможность организации дополнительного программного стека в Х-памяти, что позволяет неограниченно увеличивать вложенность подпрограмм; возможность исполнения программ, размещенных в Х-памяти данных; система команд поддерживает функции как микроконтроллера, так и сигнального процессора; возможность создания более компактных программ за счет использования режимов адресации и команд микроконтроллера: система команд допускает эффективную компиляцию программ, составленных на языке С. Ниже в таблице 3.1.2. представлен сравнительный анализ процессоров семейства DSP56k. Таблица 3.1.2
Критерии выбора процессора. Формат данных Одна из основных характеристик цифровых сигнальных процессоров - формат обрабатываемых данных. Все DSP работают либо с целыми числами, либо с числами в формате с плавающей точкой, причем для целых чисел разрядность составляет 16 или 32, а для чисел с плавающей точкой она равна 32. Выбирая формат данных, необходимо иметь в виду следующее: DSP с целочисленными данными (или данными с фиксированной точкой) обычно дешевле и обеспечивают большую абсолютную точность при равной разрядности (т.к. на мантиссу в 32-битном процессоре с фиксированной точкой отводятся все 32 бита, а в процессоре с плавающей точкой — только 24). Несмотря на все ограничения, большинство встроенных приложений используют процессоры с фиксированной точкой из-за меньшей цены и энергопотребления. Увеличение количества разрядов повышает стоимость, размер кристалла и число необходимых выводов процессора, а также необходимый объем внешней памяти. Поэтому разработчики стремятся использовать кристалл с минимально возможной разрядностью. В данном курсовом проекте выбираем процессор с плавающей запятой. Разрядность Для вычисления необходимой разрядности, воспользуемся методом для расчета разрядности АЦП. Число необходимых разрядов напрямую зависит от соотношения мощности сигнала к мощности шума, и согласно техническому заданию, она составляет 120 дБ. Тогда число разрядов:   Особенности архитектуры процессора (наличие и объем внутренней памяти, наличие и тип HOST-интерфейса, количество последовательных портов, и т.д.); Производительность (быстродействие): Согласно теореме Котельникова, частота дискретизации должна быть не меньше удвоенной частоты спектра сигнала. Согласно ТЗ, максимальная частота сигнала составляет 10 кГц. Выберем частоту дискретизации в 20 кГц. Таким образом, период дискретизации составит Тд=50мкс. Тогда быстродействие процессора:  Внутренние ресурсы Организация системы памяти процессора влияет на производительность. Это связано с тем, что ключевые команды DSP являются многооперандными и ускорение их работы требует одновременного чтения нескольких ячеек памяти. Это достигается различными методами, среди которых применение многопортовой памяти, разделение на память программ и память данных (Гарвардская архитектура), использование КЭШ команд и т.д. Необходимо учитывать, что встроенная в процессор память обычно имеет большую скорость работы, чем внешняя, однако увеличение ее объема увеличивает стоимость и энергопотребление DSP, а ограниченный объем памяти программ не позволяет хранить сложные алгоритмы. В то же время при достаточности этого объема для ваших целей наличие встроенной памяти позволяет значительно упростить конструкцию в целом и понизить ее размеры, энергопотребление и стоимость. Большинство DSP с фиксированной точкой, применяющиеся во встраиваемых приложениях, предполагают малый объем внутренней памяти, обычно от 4 до 256 Кбайт и невысокую разрядность внешних шин данных. В то же время DSP с плавающей точкой обычно предполагают работу с большими массивами данных и сложными алгоритмами и имеют либо встроенную память большого объема, либо большую разрядность адресных шин для подключение внешней памяти (а иногда и то, и другое). Для простоты реализации проекта, нужно учесть наличие встроенных последовательных портов, таймера, Host и т.д. Энергопотребление DSP-процессоры широко используются в мобильных устройствах, где потребление мощности является основной характеристикой. Для снижения энергопотребления используется множество методов, в том числе уменьшение напряжения питания и введение функций управления потреблением, например, динамического изменения тактовой частоты, переключения в спящий или дежурный режим или отключения неиспользуемой в данный момент периферии. Следует отметить, что эти меры оказывают значительное воздействие на скорость работы процессора и при некорректном использовании могут привести к неработоспособности проектируемого устройства (в качестве примера можно привести некоторые сотовые телефоны, которые в результате ошибок в программах управления энергопотреблением иногда переставали включаться) или к ухудшению его эксплуатационных характеристик (например, значительному времени восстановления работоспособности при выходе из спящего режима). Оценка потребления мощности является не простой задачей, так как эта величина варьируется в зависимости от выполняемых процессором задач. К сожалению, большинство производителей публикуют только «типичное» и «максимальное» потребление, а что понимается под этими определениями, не всегда ясно. Наличие технической документации, ее доступность: Разработчику удобней и проще реализовать свой проект, когда онобладает наиболее обширными сведениями, документацией и имеет доступ к различным ресурсам. Поэтому этот критерий имеет тоже немаловажную роль. Стоимость Стоимость процессора, несомненно, является определяющей величиной при выборе DSP, особенно при больших объемах производства. Обычно разработчики стремятся выбрать наиболее дешевый процессор, однако следует учитывать, что это может привести к значительным затратам на переделку устройства, если выбранный процессор по каким-либо причинам не позволит добиться нужных характеристик. Кроме того, при выборе процессора по критерию стоимости необходимо принимать во внимание стоимость внешних компонентов (например, DSP со встроенной памятью достаточного объема стоит дороже аналогичного без встроенной памяти, но цена устройства в целом на его основе может быть значительно ниже из-за отсутствия других компонентов и меньшего размера печатной платы). Очень значимым фактором, влияющим на стоимость DSP, является тип его корпуса: ИС в керамических корпусах, рассчитанные на промышленные или специальные условия эксплуатации, стоят значительно дороже таких же ИС, работающих в коммерческом диапазоне температур. И, наконец, цена процессора очень сильно зависит от объема и регулярности поставок. На основе этих параметров подходит процессор ЦОС DSP56002, имеющий следующие характеристики: - два 36-битных аккумулятора, включающих биты расширения для контроля переполнения результата; - 24-разрядное устройство барабанного сдвига; - набор параллельных инструкций с уникальными для DSP режимами адресации; - аппаратная поддержка циклов и репликации команд; - два входа внешних прерываний; три 24-битных шины данных; три 24-битных шины адреса; - 24-битная шина данных периферийных блоков; набор инструкций позволяет поддерживать как операции DSP, так и функции контроллера; - получение компактного кода программного обеспечения в результате эффективной компиляции программы, написанной на языке С; Имеющиеся интерфейсы могут быть настроены, как непосредственно для ввода/вывода, так и для мультиплексирования между периферийными блоками микропроцессора и ПЦОС, а также в качестве выводов подсистемы. Контроллер программ, устройство генерации адресов и АЛУ данных имеют собственные регистры и логику управления, что позволяет им работать параллельно, независимо друг от друга. Для повышения производительности используется конвейерная обработка, что упрощает параллельную работу функциональных моделей и снижает время выполнения каждой инструкции в отдельности. |