Сигнальные микропроцессоры и их применение в системах телекоммуникаций и электроники (В.С. Сперанский, 2008). Сигнальные микропроцессоры и их применение в системах телекоммун. УМссэ дгбо Jdjcov p f f f
 Скачать 14.91 Mb.
|
xNn \ где N = 2. При перемножении С = Ах В = М , ХМ Х2" |+ " 2 При сложении, если А > В то С = А + В = (М, +М 2 х2'"-" 2 )Х2"', если же В > А то C = A + B = (M 1 x2" 1 " h +М 2 )х2 п \ При обработке сигналов реализация многих алгоритмов заключается в умножении-накоплении (типовая операция MAC - перемножить и сложить с предыдущим результатом. Контрольные вопросы 1. Каковы основные операции ЦОС? 2. Как выбирается частота дискретизации при АЦП 3. Амплитудная характеристика амплитудного квантователя. 4. Преобразования Фурье и Лапласа. Области их применения. 5. Поясните смысл преобразования и почему оно удобно для описания цифровых систем 6. Перечислите свойства дискретных линейных систем. 7. Что такое импульсная характеристика линейной и дискретной (цифровой) системы 8. Поясните разницу нерекурсивной и рекурсивной фильтрации, разностные уравнения. 9. Форматы данных с фиксированной точкой. Дополнение до двух. Правила умножения. 10. Представление чисел с плавающей точкой. 11. Правила умножения и сложения чисел с плавающей точкой. 14 Глава. Классификация, структура их арак тер ист и кис и гнал ь н ы х процессоров. Классификация процессоров обработки сигналов Сигнальные процессоры можно разделить по виду сигналов на аналоговые и цифровые, как показано на рис. 2.1. К аналоговым процессорам следует отнести устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [20], акустооптические процессоры [21, 22] и устройства функциональной электроники. Цифровые процессоры, в свою очередь, делятся на программируемые и непрограммируемые с жесткой логикой. Непрограмми- руемые процессоры представляют собой функционально законченное устройство, например, коррелятор, процессор преобразования Фурье и др. Программируемые процессоры также разделяются на Рис. 2.1. Классификация сигнальных процессоров 15 Сигнальные микропроцессоры два типа. К первому типу относятся процессоры, выполняющие программу, в процессе обработки сигнала. Среди них различают цифровые сигнальные процессоры (DSP) и микроконтроллеры. Первые производят обработку сигналов, вторые выполняют функции управления, коммутации и контроля [10]. Второй тип процессоров реализуется на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС. Их особенность заключается в том, что программирование ПЛИС происходит при проектировании, а готовое устройство имеет жесткую логику [14, 15]. На одном кристалле могут объединяться ЦСП и ПЛИС, образуя так называемую систему на кристалле [19]. Основное требование, предъявляемое к сигнальным процессорам- обработка сигналов в реальном времени. 2.2. Архитектура и структура цифрового сигнального процессора Ранее микропроцессоры в основном реализовывались по, так называемой, фон-Неймановской архитектуре вычислительных машин. Эта архитектура была предложена фон-Нейманом и имеет следующие основные признаки ЭВМ состоит из блока управления, арифметико-логического устройства (АЛУ, памяти и устройств ввода/вывода. Особенность архитектуры заключается в том, что программы и данные хранятся водной и той же памяти. Вид архитектуры показан на рис. 2.2. В 1980 г. группа программистов Гарвардского университета США) разделила общую память на две памяти программ и память данных. Такая архитектура называется гарвардской. Это позволило увеличить скорость обработки почти на порядок. Следующим шагом была разработка и размещение на кристалле быстрого умножителя, выполняющего умножение двух операндов за один тактовый интервал. В микропроцессорах 70 годов для умножения операндов на 16 разрядов требовалось 16 тактов. На рис. представлена гарвардская архитектура. В 1982 г. фирма Texas Instruments выпустила первый ЦСП с гарвардской архитектурой. В настоящее время процессоры содержат ряд шин связи памятей с вычислителями и периферией. Такая архитектура называется модифицированной гарвардской. Современ- 16 Глава 2. Классификация, структура и характеристики СП Рис. 2.2. Архитектура фон-Неймана Рис. 2.3. Гарвардская архитектура иые ЦСП содержат две или несколько памятей (данных и программ, собственно вычислитель (ядро-Соге) и периферию для связи с внешними устройствами. На рис. 2.4 представлена обобщенная схема процессора. Ядро ЦСП, производящее вычисления, включает в себя умно- житель-аккумулятор, реализующий операцию MAC, арифметиче- ско-логическое устройство (АЛУ, кольцевой сдвигатель, устройство, контролирующее выполнение программы формирователей адресов ячеек Две памяти данных (DATA MEMORY - DM) и команд- РМ); содержат данные и команды. Периферия, в состав которой порт ввода-вывода данных, последовательные порты для обмена данными с внешними устройствами. Кроме того, процессор включает генератор тактовых импульсов Рис. 2.4. Структурная схема ЦСП 17 Сигнальные микропроцессоры и таймер, необходимый для формирования прерываний для разделения операций. Все устройства соединены между собой шинами, число которых достигает 10. Таймер формирует сигналы прерывания (внешние и внутренние) ПДП (DMA - Direct Memory Access) - порт прямого доступа к памяти или обмена между внешней памятью данных и памятью программ не мешая работе ядра. Два последовательных порта для ввода данных с АЦП и ЦАП и связи между процессорами. Параллельный порт - к стандартному интерфейсу (RS-232). ГТИ - генератор тактовых импульсов (определяет время инструкций. Цифровые сигнальные процессоры в основном относятся к вычислительным устройствам с ограниченным числом команд RISC. В ЦСП используется конвейерный режим обработки. При этом одновременно выполняется несколько разных команд со сдвигом на длительность инструкции. При трехступенчатом конвейере сначала следует вызов команды, затем ее дешифрирование и потом выполнение. Принцип работы трехступенчатого конвейера изображен на рис. 2.5. Типовые операции, выполняемые ЦСП и микроконтроллерами - цифровая фильтрация - вычисление свертки - корреляция - вычисление БПФ; - формирование сигналов - демодуляция - кодирование / декодирование Вызов Декоди- Выполне- ^ ' рование 1 ние 1 1 1 n j Вызов Декоди- Выполне- рование ние n j Вызов Декоди- Выполне- ^ рование ние пТ Рис. 2.5. Трехступенчатый конвейер Ком. 1 Ком. 2 Ком. 3 18 Глава 2. Классификация, структура и характеристики СП - обработка изображений - управление потоками данных - коммутация сообщений - реализация ФАПЧ, АПЧ, АРУ, регулировка мощности передатчика. Области применения процессоров обработка радиолокационных сигналов, радионавигация, радиоуправление, радиоразведка, обработка речи, синтез речи, модемы, цифровая телефония, передача данных, сотовая связь, цифровое радиовещание и телевидение, мультимедийные системы. 2.3. Характеристики цифровых сигнальных процессоров Сигнальные процессоры делятся на процессоры с фиксированной точкой и с плавающей точкой. [7] К основным характеристикам процессоров относят 1. Производительность Для процессоров с фиксированной точкой производительность измеряется числом инструкций все- кунду (MIPS - миллион операций с фиксированной точкой все- кунду). Для ЦСП с плавающей точкой производительность измеряется в MFLOPS (миллион операций с плавающей точкой в секунду. Также производительность оценивается в миллионах операций умножить-сложить в секунду - MMACS. 2. Тактовая частота и длительность инструкции Тактовая частота определяется частотой внутреннего генератора тактовых импульсов с фазовой подстройкой частоты (PLL). Эта частота определяет быстродействие процессора. Обратная величина t„ = 1 /F r определяет длительность инструкции. Для выполнения команд требуется 2 - 3 времени инструкции. Следует отметить, что тактовая частота процессора должна превышать внешнюю частоту дискретизации обрабатываемого сигнала примерно на порядок, поскольку за время между двумя вводимыми отсчетами сигнала процессор должен выполнить несколько операций (команд) по обработке первого отсчета. Это обстоятельство нужно учитывать при выборе типа процессора. 3. Число разрядов процессора определяет точность вычислений и динамический диапазон чисел (сигналов. 19 Сигнальные микропроцессоры Мс фиксированной точкой 24 (Motorola) (с фиксированной точкой 32 (с плавающей точкой 64 (с плавающей точкой, где D - 20*lg(A max M min ), где А - максимальное и Ami„ - минимальное числа. 4. Объем памяти Объем памяти как данных, таки программ составляет от нескольких килобит до Мбит. Как правило, необходимости к подключению внешней памяти нет. 5. Технология КМОП (комплементарная металл-окисел- полупроводник) от 0,5 до 0,1 мкм (в последних поколениях ЦСП ). Технология определяет производительность и быстродействие. 6. Потребляемая мощность Процессор первого поколения TMS320C10 потреблял 2 Вт. Современные ЦСП 0,05 Вт и менее, что существенно, особенно для сотовых телефонов. Напряжение питания U a = 5 В 3,3 В 2,5; 1,8 В. Имеется режим малого потребления, включаемый специальной командой. 7. Корпуса процессоров Корпуса ЦСП имеют от 40 до 300 отводов, а ПЛИС до 800. 8. Язык программирования Язык программирования - Макроассемблер. К сожалению, для ЦСП разных фирм аббревиатуры команд разные. В настоящее время ведущие фирмы разработали трансляторы с языка высокого уровня Сна языки конкретных процессоров, что существенно облегчает задачи программистов. Процессор с ограниченным набором команд называется RISC- процессором, если число команд неограничено, то это CISC- процессор. 9. Стоимость Стоимость ЦСП составляет от одного доне- скольких сотен долларов США в зависимости от производительности и быстродействия. Как правило, процессоры с плавающей точкой дороже, чем с фиксированной, однако, фирма Analog De- vices выпускает процессоры типа SHARC с плавающей точкой минимальной стоимостью примерно 10 долларов при серийном производстве. Повышение производительности ЦСП достигается за счет увеличения тактовой частоты путем улучшения технологии, применения конвейерной и параллельной обработки данных и уменьшения времени доступа к памяти. При параллельной обработке применяются (иногда совместно) три архитектуры SIMD (single instruction, multiple data - одна команда, много данных, VLIW (very long 20 Глава 2. Классификация, структура и характеристики СП instruction ord) - очень длинное командное слово и суперскалярная обработка. При архитектуре SIMD одна команда передается нескольким вычислительным блокам при этом обработка идет одновременно. В процессорах с длинным командным словом имеется ряд вычислителей, работающих параллельно, причем каждому вычислителю параллельно передается своя команда. Длинная команда состоит из ряда коротких, вызываемых одновременно. Пример такого ЦСП - платформа С 6000 фирмы Texas Instruments. При су- перскалярной обработке система команд не содержит параллельности обработки, но несколько последовательных команд в процессоре выполняются параллельно. Контрольные вопросы 1. Перечислите основные признаки классификации сигнальных микропроцессоров. 2. В чем разница программирования ЦСП и ПЛИС 3. Чем отличаются архитектура МП фон-Неймана и Гарвардская Что такое модифицированная Гарвардская архитектура 4. Поясните смысл конвейерной обработки на примере трехступенчатого конвейера. 5. Что такое RISC архитектура 6. Назовите основные блоки сигнального процессора. 7. Какие узлы включает ядро процессора 8. Что входит в периферию сигнального процессора 9. Перечислите типовые операции ЦОС, выполняемые процессорами. Каковы основные характеристики сигнальных процессоров 11. Как оценивается производительность ЦСП? 12. На какие характеристики ЦСП влияет число разрядов 13. Что такое Макроассемблер ЦСП? 21 Глава 3. Цифровой сигнальный процессор A D S P 2181 фирмы. Структурная схема и характеристики процессора Процессор ADSP 2181 разрядный с фиксированной точкой А, А. Схема ЦСП показана на рис. 3.1. В состав процессора входят две памяти - данных (DATA MEMORY - DM) и программ (PROGRAM MEMORY - РМ), ядро, состоящее из умножителя- аккумулятора, АЛУ, кольцевого сдвигателя, двух формирователей адресов данных и команд и устройства управления программой, и периферии, включающей два последовательных порта (SPORTO и SPORT 1), порт прямого доступа к памяти (ПДП - DMA), порты связи со стандартными интерфейсами, таймер, формирующий программные прерывания, и генератор тактовых импульсов. Имеется 5 шин для пересылки данных и команд DMA - data memory address (шина адресов памяти данных РМА - program memory address (шина адресов памяти программ (шина данных памяти программ - шина команд DMD - data memory data (шина памяти данных - шина данны^; R - results (шина результатов. Наличие этой шины является отличием процессоров ADSP21**. По ней результат вычислений может передаваться непосредственно на вход другого вычислителя, например, с выхода умножителя на сдвигатель, минуя шину данных, что повышает скорость обработки. Характеристики процессора Производительность П = 33 MIP S. Тактовая частота 33 МГц. Память данных - 16 Кслов по 16 разрядов, программ - 16 К слов по 16 разрядов. Технология КМОП 0,5 мкм. Корпус имеет 128 выводов. Питание 5 Вили В. 22 N> Рис. 3.1. Схема процессора ADSP 2181 Сигнальные микропроцессоры Операции - за время одной инструкции записываются два адреса данных - выполняется одно вычисление - принимаются или передаются данные через последовательные порты, через порт ПДП. Области применения процессора - формирование сигнала GSM (на это требуется 2.5 MIPS ); - универсальный модем (20 MIPS); - декодер Витерби; - устройства синхронизации - канальный полифонический голос (2 по 16). 3.2. Арифметическое логическое устройство (АЛУ) Устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций. Схема АЛУ показана на рис. 3.2. 24 Рис. 3.2. АЛУ процессора Глава 3. Цифровой сигнальный процессор ADSP АЛУ имеет два 16 разрядных входа и один порт вывода результата. Входные операнды загружаются в регистр АХ с шины DMD ив регистр AY с шины PMD (одновременно) или последовательно за время следующей инструкции с шины Имеются две группы входных регистров - основные RG АХО. AYO и теневые АХ, AY1, что удобно при программировании. Выходные данные АЛУ помещаются в регистр результата AR или регистр обратной связи AF (feedback -обратная связь, Последний позволяет использовать результат в качестве операнда Y. Результат с регистра AR передается на шину DMD, либо шину результатов Считывание с регистров проводится вначале цикла, а запись в регистры - в конце цикла. АЛУ генерирует 6 указателей- флагов, принимающих значения О или 1 и фиксирующих результат вычислений. Флаги помещаются в регистр состояния ASTAT, находящийся в устройстве управления программой. Значения флагов AZ результат равен 0; AN отрицательный результат АС знак переноса AV переполнение АЛУ AS знак результата AQ состояние частного. Появление единиц в соответствующих разрядах регистра состояния определяет результат. Кроме того, АЛУ принимает из регистра AST AT сигнал переноса. В этом случае сложение и вычитание операндов выполняется с учетом бита переноса. Основные операции АЛУ Математические • R = X + Y операция сложения • R = X - Y операция вычитания • R = X + Y + CI операция сложения сбитом переноса • R = X-Y+C1-1 операция вычитания со сдвигом и переносом • R = - X операция отрицания • R = - Y операция отрицания • R = Y + 1 операция увеличения на 1 (инкремент • R = Y - 1 операция уменьшения на 1 (декремент • R = PASS X передача управления 25 Сигнальные микропроцессоры . R = PASS Y; • R=0 результат равен 0; • R = ABS X абсолютное значение X; Логические • R = X AND Y логическое И • R = X OR Y логическое ИЛИ • R = X XOR Y исключающее ИЛИ • R = NOT X логическое отрицание • R = NOT Y логическое отрицание. Источниками данных могут быть также регистры результатов умножителя или сдвигателя. В регистре AR имеется режим насыщения для операций в дополнительном коде при появлении флага AV. При этом регистр AR устанавливается в максимальное положительное (7FFH) (если флаг переполнения AV = 1, а флаг переноса АС равен 0) или отрицательное число НАС. Умножитель-аккумулятор процессора (MAC) Умножитель-аккумулятор производит следующие операции Умножение X и Y. Умножение X на Y и добавить результат к содержимому памяти. Умножение X на Y и вычесть результат из содержимого памяти обеспечивает два стандартных режима умножения : Дробный режим в стандарте 1.15. Целый режим в стандарте 16.0. v На рис представлена структурная схема умножителя. Входные операнды по 16 разрядов поступают с шины DMD на регистр MX и одновременно с шины PMD на регистр MY или последовательно на него с шины DMD. После умножения 32 разрядный результат добавляется или вычитается из содержимого аккумулятора и помещается в регистры результата MR2 (р, MR1 (р, MR0 (р, либо в регистр обратной связи MF (р) для использования в качестве операнда Y. Результат умножения - накопления возвращается на шину DMD или шину результата R. 26 Глава 3. Цифровой сигнальный процессор ADSP Рис. Умножитель-аккумулятор процессора Источниками операнда X для умножения могут быть также регистры результата умножителя, сдвигателя и АЛУ. Основные операции умножения MR = MX*MY - умножение. MR = MR+MX*MY -умножение- сложение (MAC - операция. MR = MR-MX*MY - умножение - вычитание. MR = 0 - очистить регистр MR. (S,S) - вариант умножения - знаковое на знаковое (sign * sign). (US) - «незнаковое на знаковое (unsig *sign). (SU) - знаковое на незнаковое» (sign *unsign). (UU) - «незнаковое на незнаковое», (unsign *unsign). Форматы операндов записываются как часть инструкции. При появлении единиц в регистре MR2 устанавливается флаг переполнения MV = 1 (и записывается в регистр ASTAT ), те. ко Сигнальные микропроцессоры гда все 8 разрядов регистра MR2 неравны или 1. При этом производится условная операция насыщения (ограничения) S A N I T A - TION IF MV SAT MR. При этом регистр результата устанавливается в максимальное положительное или отрицательное число в зависимости от знака результата. MV старший бит MR2 0 0 или 1 1 0 максимальное положительное ООО ООО 00 01111... 1 1 0 максимальное отрицательное 111 111 111 0000...0 В режиме обычной точности в конце цикла умножения- суммирования делается операция округления 32-битного результата до 16-битного, используя команду RND. Результат вызывается из старших разрядов (MR1), а младшие разряды в MR0 округляются. Иногда используется режим повышенной точности. Тогда используется разрядный результат, передаваемый на шину DMD в виде двух операндов пор сначала передаются младшие разряды, затем в следующий такт - старшие. Пример инструкции MAC с округлением результата MR= MR + MXOxMYO (RND). |