Характеристика и виды цифровых сигнальных процессоров

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Сигнальные процессоры появились как следствие развития цифровых технологий, которые все шире внедрялись в традиционные "аналоговые" приложения: радио- и проводная связь, видео- и аудиотехника, измерительные и бытовые приборы. Создания специализированных процессоров для обработки сигналов требовали и чисто цифровые устройства: модемы, дисковые накопители, системы обработки данных и т.д.

Главная отличительная черта ЦСП от обычных микропроцессоров ? максимальная приспособленность к решению задач цифровой обработки сигналов. Это именно "специализированные" контроллеры, специализация которых заключается в такой архитектуре и системе команд, которые позволяли бы оптимально выполнять операции преобразования и фильтрации сигналов в режиме реального времени. У обычных микроконтроллеров команды, выполняющие такие операции, или вообще не предусмотрены, или их работа весьма медленна, что не дает возможности их использования в критичных по скорости процессах.

Поэтому применение традиционных микропроцессоров вело, с одной стороны, к неоправданному усложнению и удорожанию схемного решения устройства, с другой ? к неэффективному, однобокому использованию возможностей контроллера. ЦСП были призваны решить это противоречие и прекрасно со своей задачей справились.

1. Цифровой сигнальный процессор

Цифровой сигнальный процессор (англ. Digital signal processor, DSP; сигнальный микропроцессор, СМП; процессор цифровых сигналов, ПЦС; цифровой процессор обработки сигналов, ЦПОС) -- специализированный микропроцессор, предназначенный для цифровой обработки сигналов (обычно в реальном масштабе времени).

2. Особенности архитектуры

Архитектура сигнальных процессоров, по сравнению с микропроцессорами общего применения, имеет некоторые особенности, связанные со стремлением максимально ускорить выполнение типовых задач цифровой обработки сигналов, таких, как цифровая фильтрация, преобразование Фурье, поиск сигналов и т. п. Математически эти задачи сводятся к поэлементному перемножению элементов многокомпонентных векторов действительных чисел, последующему суммированию произведений (например, в цифровой фильтрации выходной сигнал фильтра с конечной импульсной характеристикой равен сумме произведений коэффициентов фильтра на вектор выборок сигнала, аналогичные вычисления производятся при поиске максимумов корреляционных и автокорреляционных функций выборок сигналов). Поэтому сигнальные процессоры оптимизированы по быстродействию для выполнения именно таких операций. И ЦСП ориентированы, в первую очередь, на многократное выполнение умножения с расчётом «на лету» адресов перемножаемых элементов массивов:

- Операция «умножение с накоплением» (англ. Multiply-Accumulate, MAC) (Y = Y + A Ч B), где Y, A, B -- элементы действительных массивов с автоматическим расчетом адресов элементов массивов и обычно реализована аппаратно и исполняется за один машинный цикл.

- Аппаратная реализация многократного повторения заданного набора команд, то есть циклы с заранее назначенной длиной без использования счетчиков цикла и команд проверки обнуления счетчика цикла -- признака выхода из цикла.

- Возможность одновременной в одном машинном такте выборки команды и двух операндов для максимально быстрого выполнения команды MAC. Для этого ЦСП имеет несколько портов обращения к памяти (независимых областей памяти, каждая со своим комплектом шин адреса и данных).

- Поддержка векторно-конвейерной обработки с помощью генераторов адресных последовательностей.

Ограниченность аппаратных ресурсов первых ЦСП накладывала существенный отпечаток на их архитектуру:

- Гарвардская архитектура (разделение памяти команд и данных), как правило, модифицированная; с разделением памяти на сегменты с независимым доступом.

- Детерминированная работа с известными временами выполнения команд, что позволяет выполнять планирование работы в реальном времени.

- Сравнительно небольшая длина конвейера, так что незапланированные условные переходы могут занимать меньшее время, чем в универсальных процессорах.

- Экзотический набор регистров и инструкций, часто сложных для компиляторов. Некоторые архитектуры тогда использовали VLIW.

В современной микроэлектронике процессоры общего применения зачастую содержат аппаратную поддержку типовых операций ЦОС. Особо времяёмкие задачи ЦОС решаются на основе программируемой логики, где можно достичь предельной оптимизации выполнения конкретной операции. Специализированные процессоры ЦОС все чаще делают векторными. В то же время классические ЦСП снабжают развитыми наборами команд процессоров общего применения и сглаживают особенности программной модели, позиционируя их как изделия широкого применения с ускоренными функциями ЦОС. Все эти тенденции приводят к размыванию классического понятия ЦСП.

3. Основные параметры цифровых сигнальных процессоров

- Тип арифметики.

ЦСП делятся на процессоры, обрабатывающие данные с фиксированной точкой и обрабатывающие данные с плавающей точкой. Устройства с плавающей точкой удобнее в применении, но они заметно сложнее по устройству и более дороги.

- Разрядность данных.

Большинство ЦСП с фиксированной точкой обрабатывают данные с разрядностью 16 бит, процессоры с плавающей точкой -- 32 бита. Многие модели могут обрабатывать данные с двойной точностью.

- Быстродействие.

Быстродействие как интегральную характеристику определить достаточно сложно, поэтому скорость работы характеризуют несколькими параметрами, а также временем решения некоторых реальных задач.

- Тактовая частота и время командного цикла.

Для современных ЦСП тактовая внутренняя частота может отличаться от внешней, поэтому могут указываться два значения. Время командного цикла указывает на время выполнения одного этапа команды, то есть время одного цикла конвейера команд. Так как команды могут исполняться за разное количество циклов, а также с учётом возможности одновременного исполнения нескольких команд, этот параметр может характеризовать быстродействие ЦСП достаточно приближённо.

- Количество выполняемых команд за единицу времени.

Различное время исполнения команд, а также исполнение нескольких команд одновременно не позволяют использовать этот параметр для надёжной характеристики быстродействия.

- Количество выполняемых операций за единицу времени (MIPS).

Данный параметр учитывает одновременную обработку нескольких команд и наличие параллельных вычислительных модулей, поэтому достаточно хорошо может указывать на быстродействие ЦСП. Некоторой проблемой здесь остаётся то, что понятие «операции» чётко не формализовано.

- Количество выполняемых операций с плавающей точкой за единицу времени.

Параметр аналогичен предыдущему и используется для процессоров с плавающей точкой.

- Количество выполняемых операций MAC за единицу времени.

Данная команда, с одной стороны, является базовой для многих вычислений, а с другой -- достаточно проста. Поэтому время её исполнения можно использовать в том числе и для оценки общей производительности ЦСП.

- Виды и объём внутренней памяти.

Объём внутренней оперативной памяти показывает, сколько данных ЦСП может обработать без обращения к внешней памяти, что может характеризовать общее быстродействие системы, а также возможность работать «в реальном времени». Тип ПЗУ определяет возможности по программированию устройства. Модели с обычным ПЗУ подходят для крупносерийного производства, ППЗУ (однократно программируемое) удобно для небольших тиражей, а применение Flash-памяти позволяет менять программу устройства многократно во время эксплуатации. На данный момент не очень мощные DSP чаще всего снабжены достаточно большой Flash-памятью (её цена неуклонно снижается) и заметным объёмом RAM и поэтому могут являться самодостаточными без добавления внешней памяти и на этапе разработки, и на этапе производства, что повышает конкурентоспособность таких DSP в ряде сегментов рынка. Мощные DSP, как правило, полагаются на внешнюю память, подключённую по достаточно быстрым шинам, а размещение там Flash-памяти может быть технически проблематичным, например, из-за заметного выделения тепла.

- Адресуемый объём памяти.

Объём адресуемой внешней памяти характеризуется шириной внешней шины адреса.

- Способ начальной загрузки.

- Количество и параметры портов ввода-вывода.

Данный параметр показывает возможности ЦСП по взаимодействию с внешними по отношению к нему устройствами.

- Состав внутренних дополнительных устройств.

В число внутренних могут входить разнообразные по назначению устройства, например, общего применения -- таймеры, контроллеры ПДП и т. д., а также проблемно-ориентированные -- АЦП, кодеки, компрессоры данных и другие.

- Напряжение питания и потребляемая мощность.

Данная характеристика особенно важна для ЦСП, встраиваемых в переносные устройства. Обычно предпочтительнее низковольтные устройства (1,8-3,3В), которые имеют быстродействие аналогично 5В процессорам, но заметно экономнее в плане потребления энергии. Многие устройства имеют режимы экономии при простое, либо позволяют программно отключать часть своих устройств.

- Состав и функциональность средств разработки и поддержки.

- Перечень языков программирования, для которых есть компиляторы под данную систему;

- Наличие и возможности средств отладки готовых программ;

- Доступность документации и технической поддержки;

- Наличие библиотек стандартных подпрограмм и математических функций;

- Наличие, доступность и возможности совместимых устройств -- АЦП, ЦАП, контроллеры питания и т. д.

- Допустимые параметры окружающей среды.

- Другие, в зависимости от назначения.

- Часто используются также интегральные характеристики ЦСП, например, показатель «мощность/ток/быстродействие», например, ma/MIPS (миллиампер на 1 млн инструкций в секунду), что позволяет оценить реальную потребляемую мощность в зависимости от сложности задачи, решаемой процессором в указанный момент.

Выбор ЦСП целиком определяется назначением разрабатываемой системы. Например, для массовых мобильных устройств важна дешевизна процессора, низкое энергопотребление, в то время как стоимость разработки системы отходит на второй план. С другой стороны, для измерительного оборудования, систем обработки звуковой и видеоинформации важны эффективность процессора, наличие развитых инструментальных средств, многопроцессорность и т. д.

4. Оценка и сравнение производительности цифровых сигнальных процессоров

Как отмечено ранее, отдельные характеристики типа тактовой частоты, MIPS, MOPS, MFLOPS позволяют оценить быстродействие ЦСП достаточно неоднозначно. Поэтому для решения задачи измерения и сравнения характеристик разных ЦСП используют специальные наборы тестов, имитирующих некоторые распространенные задачи цифровой обработки сигналов. Каждый тест состоит из нескольких небольших программ, которые пишутся на ассемблере и оптимизируются под заданную архитектуру. Эти тесты могут включать реализацию:

- Фильтры КИХ и БИХ;

- Перемножение векторов;

- Декодеры Витерби;

- БПФ

Наиболее авторитетным пакетом тестов на сегодняшний день является тест BTDImark2000 (BDTI DSP Kernel Benchmarks™ (BDTImark2000™) Certified Results), который, кроме указанных алгоритмов, включает также оценку используемой алгоритмом памяти, время разработки системы и другие параметры.

5. Устройство цифровых сигнальных процессоров

Гарвардская архитектура

Цифровые сигнальные процессоры строятся на основе т. н. «Гарвардской архитектуры», отличительной особенностью которой является то, что программы и данные хранятся в различных устройствах памяти -- памяти программ и памяти данных. В отличие от архитектуры фон Неймана, где процессору для выборки команды и двух операндов требуется минимум три цикла шины, ЦСП может производить одновременные обращения как к памяти команд, так и к памяти данных, и указанная выше команда может быть получена за два цикла шины. В реальности, благодаря продуманности системы команд и другим мерам, это время может быть сокращено до одного цикла. В реальных устройствах память команд может хранить не только программы, но и данные. В этом случае говорят, что ЦСП построен по модифицированной гарвардской архитектуре.

Память команд и память данных обычно располагаются на кристалле ЦСП. В связи с тем, что эта память имеет относительно небольшой объём, возникает необходимость в использовании внешних (относительно кристалла процессора) запоминающих устройств. Для таких устройств раздельные шины команд и данных не используются, так как это потребовало бы значительно увеличить количество внешних выводов кристалла, что дорого и непрактично. Поэтому взаимодействие ЦСП с внешними запоминающими устройствами происходит по одному комплекту шин без разделения на команды и данные. Следует также заметить, что обращение к внешней памяти всегда занимает значительно больше времени, чем к внутренней, поэтому в приложениях, критичных ко времени исполнения, такие обращения необходимо минимизировать.

Конвейерное исполнение команд.

Конвейер представляет собой вычислительный поток, который на каждой стадии выполняет определенную микрооперацию, поэтому на конвейере в каждый момент времени находится несколько команд на разной стадии выполнения. Это позволяет повысить быстродействие.

Наличие нескольких конвейеров реализует суперскалярную архитектуру.

При параллельной обработке команд на разных конвейерах максимальный эффект достигается на однотипных командах, не зависящих друг от друга. Если в программе присутствуют команды разного типа, то на конвейере вводятся такты ожидания.

Для оптимизации загрузки конвейеров необходимо следующее:

- Компиляция машинного кода под конкретный процессор.

- Оптимизация загрузки конвейера в блоки предварительного декодирования команд.

В итоге команды выполняются не в том порядке, в каком их записывал программист.

Умножители.

Аппаратный умножитель применяется для сокращения времени выполнения одной из основных операций ЦОС -- операции умножения. В процессорах общего назначения эта операция реализуется за несколько тактов сдвига и сложения и занимает много времени, а в DSP благодаря специализированному умножителю -- за один командный цикл.

Функционально умножители делятся на два вида:

- Простой умножитель. Выполняет операцию умножения данных шириной в слово. Результат имеет ширину двойного слова и сохраняется либо в регистре двойной ширины, либо в двух обычных регистрах (или в двух ячейках памяти).

- Умножитель-сумматор (MAC -- Multiplier/Accumulator). Выполняет операцию умножения с накоплением, которая широко используется во многих алгоритмах цифровой обработки сигналов.

Сдвигатели.

Сдвигателем называется как устройство, выполняющее операцию сдвига данных, так и регистр, в котором хранится результат сдвига.

С точки зрения выполняемых функций, сдвигатели делятся на:

- Предсдвигатели, выполняющие сдвиг до начала операции или в ходе ее исполнения;

- Постсдвигатели, выполняющие сдвиг после исполнения операции.

В обоих случаях структура регистра, хранящего результат сдвига, совпадает со структурой аккумулятора.

АЛУ.

АЛУ -- блок процессора, который под управлением декодера команд выполняет арифметические и логические преобразования над данными, называемыми в этом случае операндами. Разрядность операндов обычно называют размером машинного слова.

Регистры.

Аккумулятор -- регистр, предназначенный для сохранения результатов операций. В архитектуре многих ЦСП предусмотрено два аккумулятора, что позволяет повысить скорость выполнения операций, требующих хранения промежуточных результатов. Технически аккумулятор может состоять из нескольких регистров:

- EXT -- регистр расширения;

- MSP -- регистр старшего слова;

- LSP -- регистр младшего слова.

Наличие регистра EXT позволяет повысить точность вычисления промежуточных результатов, а также увеличить диапазон хранения значений, не приводящих к переполнению. При сохранении значения аккумулятора в ячейку памяти или в обычный регистр, его значение округляется с учетом стандартной ширины этой ячейки или регистра. С другой стороны, при необходимости, содержимое регистра EXT может быть сохранено отдельно.

Способы адресации.

Процессор поддерживает режимы прямой адресации, косвенной адресации с пред- и постинкрементом и специфические для задач цифровой обработки сигналов режимы циклической адресации и адресации с реверсированием бит адреса.

6. Классификация ЦСП по архитектуре

Следует отметить, что приведенная ниже классификация достаточно условна, так как разнообразие технических решений зачастую не позволяет однозначно отнести каждое конкретное устройство к одному из указанных типов. Поэтому нижесказанное следует скорее использовать как материал для понимания особенностей архитектуры ЦСП, чем для реальной классификации каких-либо изделий.

Особенности архитектуры ЦСП удобно рассматривать на примере конкретного алгоритма цифровой обработки данных, например, КИХ-фильтра, выходной сигнал которого можно записать как:

,

где

-- отсчеты входного сигнала;

-- коэффициенты фильтра.

Как можно легко заметить, вычисление результата является классическим примером использования операции «умножение с накоплением» -- MAC (Y := X + A Ч B).

Стандартные ЦСП.

Рисунок 1 -- Два варианта исполнения команды MAC на ЦСП Texas Instruments

На рисунке показано два варианта выполнения команды MAC на стандартном ЦСП. В первом варианте оба операнда хранятся в памяти данных, поэтому на их выборку требуется два такта, то есть время выполнения n сложений равно 2n. Во втором случае один из операндов хранится в памяти программ, поэтому команда исполняется за один такт, и общее время выполнения цикла будет равно n тактов (следует уточнить, что в реальности для исполнения за один такт MAC должна исполняться внутри специальной команды цикла для исключения повторной выборки самого кода команды, что требует дополнительного такта). Здесь видно, что эффективная реализация алгоритма требует использования памяти программ для хранения данных.

Одним из вариантов, позволяющим отказаться от использования памяти программ для хранения данных, является применение так называемой «двухпортовой памяти», то есть памяти, имеющей два комплекта входных шин -- двух шин адреса и данных. Такая архитектура позволяет произвести одновременное обращение по двум адресам (правда, при этом они должны находиться в разных адресуемых блоках). Данное решение применяется в ЦСП компаний Motorola (DSP56000) и Lucent (DSP1600).

При указанной архитектуре повысить производительность можно только увеличением тактовой частоты.

Улучшенные стандартные ЦСП.

«Улучшенные стандартные ЦСП» для повышения производительности системы, по сравнению со стандартными ЦСП, используют следующие методы повышения параллелизма:

- Увеличение количества операционных и вычислительных устройств;

- Введение специализированных сопроцессоров;

- Расширение шин для увеличения количества передаваемых данных;

- Использование памяти с многократным доступом (несколько обращений за такт);

- Усложнение системы команд;

Многие из этих способов применялись уже начиная с самых первых процессоров, поэтому зачастую их невозможно однозначно классифицировать как «стандартные» или «улучшенные».

ЦСП с архитектурой VLIW.

Основное отличие VLIW-процессоров состоит в том, что коды команд ещё на этапе компиляции собираются в большие «суперкоманды» и выполняются параллельно. Обычно такие процессоры используют RISC-архитектуру с фиксированной длиной команды, где каждая из них выполняется в отдельном операционном модуле. К характерным особенностям таких процессоров можно отнести:

- Большой набор операционных модулей, работающих независимо друг от друга;

- Необходимость оптимизации компилятора под каждую модель процессора, так как между моделями может меняться состав и функции вычислительных блоков, что влечет за собой изменение перечня команд, которые могут выполняться одновременно;

- Необходимость в наличии сверхшироких шин данных (порядка 128 бит), чтобы код операции, состоящий из отдельных команд (до 8-ми), мог быть получен из памяти за одно обращение.

- Высокие требования к объёму памяти программ, что также связано с большой длиной операции.

Обычно, если процессор имеет несколько одинаковых модулей, то при создании программы на ассемблере имеется возможность указания только типа необходимого операционного модуля, а конкретное устройство будет назначено компилятором. С одной стороны, это упрощает программирование таких устройств, а с другой стороны, позволяет достаточно эффективно использовать их ресурсы.

Суперскалярные ЦСП.

Суперскалярные процессоры также характеризуются большим набором параллельных операционных модулей и возможностью одновременного исполнения нескольких команд. Однако, по сравнению с VLIW, они имеют две характерные особенности:

- Команды процессора не группируются в блоки, каждая из них поступает в процессор независимо;

- Команды для параллельного исполнения группируются внутри процессора на основе состава и текущей загруженности операционных блоков, а также зависимости между данными.

С помощью описанного подхода можно обойти следующие недостатки VLIW:

- Неэффективное использование памяти из-за большой длины групповой операции;

- Зависимость скомпилированного кода от состава операционных модулей конкретного процессора.

Платой за решение этих проблем становится значительное усложнение схемы процессора, в котором появляется модуль планирования выполнения команд.

Суперскалярные процессоры планируют исполнение команд не только на основе информации о загруженности операционных блоков, но и на основе анализа зависимостей между данными. К примеру, команда сохранения результата арифметической операции не может быть выполнена раньше самой операции вычисления, даже если модуль обращения к памяти в данный момент свободен. Эта особенность приводит в том числе к тому, что один и тот же набор команд может по-разному исполняться в различных местах программы, что делает невозможным точную оценку производительности. Особенно это важно для систем, работающих в реальном времени, ведь оценка по наихудшему результату приведет к тому, что ресурсы процессора будут использованы не полностью. Таким образом, в этих системах задача точной оценки производительности суперскалярных ЦСП остается открытой.

Гибридные ЦСП.

Под гибридными ЦСП обычно понимают специализированные устройства, сочетающие в себе функцию микроконтроллера и цифрового сигнального процессора. Обычно такие изделия предназначены для выполнения одной функции -- например, управления электрическими двигателями, или другими объектами в реальном времени. Другой широкой областью их применения в последнее время становится мобильная телефония, где ранее использовались два процессора -- один обычный для управления функциями аппарата (дисплеем, клавиатурой), а другой для обработки голосовых сигналов (кодирование и т. д.).

7. Области применения ЦСП

· Коммуникационное оборудование:

o Уплотнение каналов передачи данных;

o Кодирование аудио- и видеопотоков;

· Системы гидро- и радиолокации;

· Распознавание речи и изображений;

· Речевые и музыкальные синтезаторы;

· Анализаторы спектра;

· Управление технологическими процессами;

· Другие области, где необходима быстродействующая обработка сигналов, в том числе в реальном времени.

Заключение

суперскалярный процессор модуль

Стремительный переход современных систем на цифровые стандарты обусловил необходимость обработки больших объемов информации. Сложные операции с сигналами, например, распаковка сжатых аудио- и видеоданных, маршрутизация информационных потоков и т.п. требуют применения высокопроизводительных вычислительных систем. Такие системы могут быть реализованы на различной элементной базе, но наибольшее распространение получили устройства на базе цифровых сигнальных процессоров.

История развития вычислительных систем с массовым параллелизмом насчитывает уже не один десяток лет. Пожалуй, это одна из немногих областей науки и техники, где отечественные разработки находятся на уровне мировых достижений, а в некоторых случаях и превосходят их.

ЦСП - процессоры предназначены для осуществления цифровой обработки сигнала - математических манипуляций над оцифрованными сигналами. Они широко применяются в беспроводных системах, аудио- и видеообработке, системах управления.

С ростом числа приложений, использующих DSP, и сложности алгоритмов обработки увеличивается и требования к ним в плане повышения быстродействия и оснащенности интерфейсными и другими специализированными узлами.

К настоящему времени появилось множество типов DSP, как универсальных, так и ориентированных на достаточно узкий круг задач.

Литература

1. Солонина А.И., Улахович Д.А., Яковлев Л.А. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов. -- СПб: БХВ-Петербург, 2001.

2. Марков. С. Цифровые сигнальные процессоры. Книга 1. М.: Микроарт, 2008 г.

3. Применение цифровой обработки сигналов \ Под ред. Э. Опенгейма -- МИР, 2011г.

Размещено на Allbest.ru

...