41. Общие свойства процессоров цифровой обработки сигналов и особенности их архитектуры.

Можно выделить следующие основные свойства ПЦОС, обеспечивающие эффективную реализацию алгоритмов ЦОС:

• быстрое выполнение типовых операций ЦОС;

• аппаратная реализация комплексной операции умножения с накоплени­ем (суммирование локальных произведений);

• применение арифметики с фиксированной и плавающей точкой (запятой) с различной разрядностью;

• параллельное выполнение отдельных частей алгоритма, которое достига­ется аппаратной реализацией ряда типовых алгоритмов;

• большая внутрикристальная память данных и память программ;

• разнообразие режимов адресации применительно к различным задачам: ор­ганизация буферов, поддержка двоично-инверсной адресации в БПФ и т. д.;

• обработка в реальном времени данных, поступающих с высокой скоростью;

• наличие внутрикристальной периферии (последовательных и параллель­ных интерфейсов, портов ввода/вывода, таймеров);

• малое время обращения к элементам внешней периферии.

Процессоры ЦОС для удобства можно разделить на два обширных класса: универсальные и специализированные. В число распространенных процессоров ЦОС входят, например, такие устройства с фиксированной точкой (запятой), как TMS320С54х от Texas Instruments и DSP563x Motorola, и такие устройства с плавающей запятой, как TMS320C4x (Texas Instruments) и ADSP21xxx SHARC(Analog Devices).

Существует два типа специализированных устройств:

1.Аппаратное обеспечение, разработанное для эффективного выполнения специальных алгоритмов ЦОС, таких, как цифровая фильтрация и быстрое преобразование Фурье. Устройства данного типа иногда называют алгоритмическими процессорами ЦОС.

Таблица 3.6 – Общие свойства ПЦОС

Свойства	Применение
Быстрое умножение с накоплением	Большинство алгоритмов ЦОС (фильтрация, преобразова­ния, спектральный анализ, нелинейная обработка и т. д.) содержат операции сложения и умножения
Архитектура с парал­лельным доступом к памяти	Увеличение производительности, поскольку многие опера­ции ЦОС, работающие с большими объемами данных, тре­буют чтения команд программы и многократного обраще­ния к данным во время каждого командного цикла
Режимы специальной адресации	Эффективная поддержка массивов данных и буферов типа PIРО ("первым вошел — первым вышел")
Управление специ­альными программами	Эффективное управление циклами в многоитеративных алгоритмах ЦОС; быстрое прерывание, поддерживающее часто повторяемые команды типа ввода/вывода
Внутрикристальная периферия и интер­фейсы ввода/вывода	Внутрикристальная периферия, включающая в себя разно­образные устройства (компандеры, кодеки, таймеры, ин­терфейсы ввода/вывода, приспособленные к внешней пе­риферии общего назначения и др.), позволяет разра­батывать компактные системы малой стоимости

2. Аппаратное обеспечение, разработанные для специального приложения, например, в сфере контроля, телекоммуникаций или цифрового аудио. Устройства данного типа иногда называют процессорами ЦОС специального назначения (специализированными).

В качестве примера специализированных процессоров ЦОС можно привести процессор Cirrus CS8420 для конверторов частоты дискретизации в цифровой аудиоаппаратуре, подавитель речевого эха в многоканальной телефонии Mitel MT9300, процессор БПФ PDSP16515A и программируемый КИХ-фильтр VPDSP16256.

Все универсальные и специализированные процессоры можно построить с помощью отдельных чипов или блоков умножений, АЛУ, ячеек памяти и т.д.

Рассмотрим архитектурные особенности процессоров ЦОС, которые позволили применять цифровую обработку в реальном режиме времени во многих областях.

Общие принципы построения ПЦОС и особенности их архитектуры Термин «архитектура» обычно используется для описания состава, прин­ципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных узлов вы­числительной системы. Этот термин включает в себя также изложение воз­можностей программирования, форматов данных, системы команд, способов адресации и т. д. Таким образом, термин "архитектура" относится как к аппа­ратным средствам или программному обеспечению, так и к их комбинации.

Традиционно простым примером, на котором иллюстрируются особенно­сти алгоритмов ЦОС и процессоров ПЦОС, является алгоритм реализации КИХ-фильтра.

Выходной сигнал такого фильтра, как известно, определяется выражением

где х(п) — отсчеты входного сигнала; a_k — коэффициенты фильтра.

В соответствии с алгоритмом, выборки входного сигнала умножаются на коэффициенты фильтра и суммируются. Подобные вычисления использу­ются и во многих других алгоритмах ЦОС. Таким образом, ба­зовой операцией ЦОС является операция умножения и добавление (накоп­ление) результата умножения. Подобную операцию часто обозначают при описаниях мнемоникой МАС.

Для того, чтобы работать с высокой производительностью, процессор должен выполнять операцию МАС за один цикл (такт) работы процессора. Отсчеты сигнала, коэффициенты фильтра и команды программы хранятся в памяти. Для выполнения операции требуется произвести три выборки из памяти — команды и двух сомножителей. Следовательно, для работы с высокой производительностью эти три выборки необходимо произвести за один такт ра­боты процессора. При этом подразумевается, что результат операции остает­ся в устройстве выполнения операции (в центральном процессорном устройстве ЦПУ), а не помещается в память. В более общем случае нужна еще операция записи результата в память, т. е. необходимы четыре обраще­ния к памяти за цикл. Таким образом, производительность процессора, пре­жде всего, определяется возможностями обмена данными между ЦПУ и па­мятью процессора и организацией их взаимодействия.

На рис. 3.7 приведена общая аппаратная архитектура процессора ПЦОС, подходящая для цифровой обработки сигналов в реальном времени. Она характеризуется следующими особенностями:

1. Многошинная структура с раздельной памятью для данных и инструкций программы. Обычно память для хранения данных содержит входные данные, промежуточные значения и выходные выборки, а также фиксированные коэффициенты, например, для цифровой фильтрации или БПФ. Команды программы хранятся в специально отведённых ячейках памяти.

2. Порт ввода-вывода позволяет обмениваться данными с внешними устройствами (АЦП, ЦАП) или передавать цифровые данные другим процессорам. Прямой доступ к памяти (ПДП), если он есть, позволяет быстро обмениваться блоками данных с памятью (ОЗУ) для хранения данных, причём обычно это происходит под внешним управлением.

3. Арифметические устройства для логических и арифметических операций, в число которых входят АЛУ, аппаратные умножители и схемы сдвига (умножители-накопители).

Такая архитектура наиболее приемлема, так как большинство алгоритмов ЦОС (фильтрация, корреляция, преобразование Фурье) включают повторяющие арифметические операции, такие, как умножение, сложение, обращение к памяти и интенсивная передача данных через центральный процессор. Архитектура стандартных микропроцессоров не предназначена для этих целей. При разработке аппаратуры ЦОС важно оптимизировать под операции цифровой обработки сигналов и аппаратную архитектуру, и систему команд. В процессорах ЦОС для этого широко используется концепция параллелизма. В частности применяются следующие средства:

- гарвардская структура;

- конвейерная обработка;

- быстрые специализированные аппаратные умножители-накопители;

- специальные команды, предназначенные для ЦОС;

- дублирование;

- встроенная кэш-память;

- расширенный параллелизм – векторная архитектура (SIMD) архитектура с командными словами сверхбольшой длинны (VLIW) и статическая суперскалярная обработка.