Сигнальні мікропроцесори (стр. 1 из 2)
Зміст
Вступ
1. Загальні відомості про цифрову обробку сигналів
2. Специфіка задач цифрової обробки сигналів
3. Сигнальні процесори компанії ANALOG DEVICES
3.1 Структурна схема ADSP21xx та призначення функціональних блоків
3.2 Функціонування хост-порта ADSP-2181
3.3 Функціонування циклічних буферів
Література
Вступ
Тема реферату «Сигнальні мікропроцесори» з дисципліни «Мультимікропроцесорні системи».
У міру зменшення відносини вартість/продуктивність стає більше економічним застосовувати кілька мікропроцесорів (далі ─ МП), замість одного складного.
Мета роботи – загальне ознайомлення з сигнальними мікропроцесорами.
1. Загальні відомості про цифрову обробку сигналів
Цифрова обробка сигналів - це арифметична обробка в реальному масштабі часу послідовності значень амплітуди сигналу, визначаємих через рівні проміжки часу.
Прикладами цифрової обробки є:
- фільтрація сигналу;
- згортка двох сигналів;
- обчислення значень кореляційної функції двох сигналів;
- посилення, обмеження або трансформація сигналу;
- пряме/зворотне перетворення Фур'є перетворення.
Аналогова обробка сигналу (мал.1) є більше дешевим способом досягнення бажаного результату. Використовуваний у фільтрі операційний підсилювач розширює динамічний діапазон оброблюваних сигналів. Форма амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) фільтра визначається значеннями величин Rf, Cf. Для аналогового фільтра складно забезпечити високе значення добротності, характеристики фільтра сильно залежать від температурного режиму. Компоненти фільтра вносять додатковий шум у результуючий сигнал. Аналогові фільтри важко перебудовувати в широкому діапазоні частот.
Малюнок 1 Аналогова обробка сигналу
Однак, коли потрібна висока точність обробки, мініатюрність пристрою, стабільність його характеристик у різних температурних умовах функціонування, цифрова обробка (мал.2) виявляється єдино прийнятним рішенням.
Малюнок 2 Цифрова обробка сигналу
Фільтри низької частоти виконують попереднє й наступне видалення із частотного спектра додаткових гармонік сигналу. АЦП і ЦАП призначені для перетворення аналогового сигналу в цифровий і навпаки. АЧХ Ких-фильтра визначається значеннями коефіцієнтів фільтра h(к). Змінюючи кількість коефіцієнтів (довжину фільтра) і їхнього значення, можна одержати фільтр із будь-який необхідної АЧХ. Внесений шум (шуми квантування) залежить від частоти й розрядності АЦП і ЦАП, а також точності обчислень.
Для ефективної реалізації алгоритмів цифрової фільтрації необхідна апаратна підтримка базових операцій : множення з накопиченням (МАС), модульної адресної арифметики, нормування результатів арифметичної операції.
Існує велика розмаїтість реалізацій дискретного перетворення Фур'є. У ряді алгоритмів використаються прийоми, що дозволяють зменшити обсяг необхідних обчислень. Ці алгоритми відомі під загальною назвою «швидке перетворення Фур'є»
2. Специфіка задач цифрової обробки сигналів
Для цифрової обробки сигналів використаються так названі сигнальні процесори. До їхніх особливостей відноситься малоразрядна (40 розрядів і менш) обробка операндів у форматі із плаваючою крапкою, переважне використання чисел у фіксованому форматі (розрядність 32 і менш), а також орієнтація на нескладну обробку більших масивів даних.
Особливість завдань цифрової обробки - потоковий характер обробки більших обсягів даних у реальному масштабі часу.
Сигнальні процесори мають високий ступінь спеціалізації. У них широко використаються методи скорочення тривалості командного циклу, характерні й для універсальних RISC-процесорів, такі як конвеєризація на рівні окремих мікроінструкцій і інструкцій, наявність тіньових регістрів для збереження стану обчислень при перемиканні процесів (контексту), поділ шин команд і даних (Гарвардська архітектура).
Характерним є наявність апаратного множника, що дозволяє виконувати операції множення двох чисел за один командний цикл. Іншою особливістю сигнальних процесорів є включення в систему команд таких операцій, як множення з накопиченням (МАС) = З: =А*В +С с зазначеним у команді числом виконань у циклі й із правилом зміни індексів використовуваних елементів масивів А и В. У сигнальних процесорах реалізується апаратна підтримка програмних циклів, кільцевих буферів. Один або трохи операндів витягаються з пам'яті в циклі виконання команди.
Сигнальні процесори різних компаній-виробників утворять два класи: більше дешеві мікропроцесори обробки даних у форматі з фіксованою крапкою й більше дорогі, апаратно підтримуючі операції у форматі із плаваючою крапкою.
Використання в сигнальній обробці формату із плаваючою крапкою обумовлено декількома причинами. Для багатьох завдань, пов'язаних з виконанням інтегральних і диференціальних перетворень, особливу значимість має точність обчислень, забезпечити яку дозволяє експонентний формат подання даних. Алгоритми компресії, декомпресії, адаптивній фільтрації в цифровій обробці сигналів пов'язані з визначенням логарифмічних залежностей і досить чутливі до точності подання даних у широкому динамічному діапазоні.
Робота з даними у форматі із плаваючою крапкою істотно спрощує й прискорює обробку, підвищує надійність програми, оскільки не вимагає операцій округлення й нормалізації даних, відстеження ситуацій втрати значимості й переповнення. Платою за ці “ комфорт і швидкість”, є висока складність функціональних пристроїв, що виконують обробку даних у плаваючому форматі, необхідність використання більше складних технологій виробництва мікросхем, великий відсоток відбраковування виробів і як наслідок - дорожнеча МП.
У цей час став популярний і інший підхід до одержання високої продуктивності. Велика кількість транзисторів на кристалі може бути використана для створення симетричної мультипроцесорної системи з більше простими процесорами, що обробляють цілочислені операнди. Прикладами таких медійних процесорів є Mediaprocessor компанії MicroUnity, Trimedia компанії Philips, Mpact Media Engine компанії Chromatic Research, NV1 компанії Nvidia, MediaGx компанії Сyrix. Ці процесори створювалися, виходячи з потреби обробки в реальному часі відео- і аудіоінформації в мультимедійних ПК, ігрових приставках, побутових радіоелектронних приладах. У зв'язку з більш простою системотехнікою в порівнянні з універсальними сигнальними процесорами вартість медійних процесорів досить низька (порядку $100 ), а значення показника «продуктивність/вартість» на два-три порядка більше. Пікове значення продуктивності медійних процесорів становить кілька мільярдів операцій у секунду.
У числі найпоширеніших сигнальних процесорів можна назвати вироби наступних компаній Motorola (56002,96002),Intel (i960),Texas Instruments (TMS320Cxx),Analog Devices (21xx,210xx). Більша продуктивність, необхідна при обробці сигналів у реальному масштабі часу, спонукала дві останні з перерахованих компаній випустити трансп’ютерні сімейства мікропроцесорів TMS320C4x і ADSP2106х, орієнтовані на використання в мультипроцесорних системах.
Вибір того або іншого процесора для реалізації конкретного проекту є складним завданням, однак слід зазначити перевагу процесорів компанії Analog Devices для додатків, що вимагають виконання більших обсягів математичних обчислень (таких як цифрова фільтрація сигналів, обчислення кореляційних функцій і т.п.) оскільки їхня продуктивність на подібних завданнях вище, ніж у процесорів компанії Motorola, Texas Instruments. У той же час для завдань, що вимагають виконання інтенсивного обміну із зовнішніми пристроями (багатопроцесорні системи, різного роду контролери) переважніше використати процесори фірми Texas Instruments, що володіють високошвидкісними інтерфейсними підсистемами.
3. Сигнальні процесори компанії ANALOG DEVICES
3.1 Структурна схема ADSP21xx та призначення функціональних блоків
Існує два сімейства цієї компанії:
- ADSP21xx - набір однокристальних 16-розрядних МП із загальною базовою архітектурою, оптимізованою для виконання алгоритмів цифрової обробки сигналів і інших додатків, що вимагають високошвидкісних обчислень із фіксованою крапкою. На даний момент існує 14 представників, що відрізняються друг від друга набором периферійних пристроїв, розташованих на кристалі. Загальна частина - АЛУ, блок МАС, зсувач, генератор адресу даних, генератор адресу команд, ОЗУ даних, ОЗУ команд, таймер. Змінна частина - багатоканальний послідовний порт, послідовний порт 1, порт хост-интерфейса, порт прямого доступу в пам'ять, аналоговий інтерфейс.
- ADSP210xx-однокристальні 32-розрядні мікропроцесори, орієнтовані на сигнальні алгоритми, що вимагають виконання обчислень із плаваючою крапкою. (ADSP21010, ADSP21020, ADSP21060, ADSP21062).
МП містить три незалежних повнофункціональних обчислювальні пристрої: АЛУ, МАС- множинник із накопичуванням, пристрій барабанного зрушення. Кожний пристрій безпосередньо оперує з 16-розрядними даними й забезпечує апаратну підтримку обчислень із різною точністю.
Пристрій формування адреси - це генератор адреси команд (PS) і два генератори адреси даних (DAG), що забезпечують адресацію до даних і команд, розташованим як у внутрішній так і в зовнішній пам'яті. Паралельне функціонування генераторів скорочує тривалість виконання команди, дозволяючи за один такт вибирати з пам'яті команду й два операнда.