Введение в дсп.

Литература: "Введение в дсп.pdf"

Определения

Процессор цифровой обработки сигналов – digital signal processor (DSP) – это специализированный программируемый микропроцессор, предназначенный для манипулирования в реальном масштабе времени потоком цифровых данных. DSP-процессоры широко используются для обработки потоков графической информации, аудио- и видеосигналов.

Любой современный компьютер оснащен центральным процессором и только немногие процессором цифровой обработки сигналов (DSP). Центральный процессор, очевидно, представляет собой цифровую систему и обрабатывает цифровые данные, поэтому на первый взгляд неясна разница между цифровыми данными и цифровыми сигналами, то есть теми сигналами, которые обрабатывает DSP-процессор.

К цифровым сигналам, в общем случае, естественно отнести все потоки цифровой информации, которые формируются в процессе телекоммуникаций. Главное, что отличает эту информацию, она не обязательно заносится в память (и поэтому может оказаться недоступной в будущем), следовательно, обрабатывать ее нужно в режиме реального времени.

Число источников цифровой информации практически неограниченно. Так, например, загружаемые файлы в формате MP3 содержат цифровые сигналы, собственно и представляющие звукозапись. В некоторых камкодерах выполняется оцифровка видеосигналов и их запись в цифровом формате. В дорогих моделях беспроводных и сотовых телефонов перед передачей также производится преобразование голоса в цифровой сигнал.

Вариации на тему

DSP-процессоры принципиально отличаются от микропроцессоров, образующих центральный процессор настольного компьютера. По роду своей деятельности центральному процессору приходится выполнять объединяющие функции. Он должен управлять работой различных компонентов аппаратного обеспечения компьютера, таких как дисководы, графические дисплеи и сетевой интерфейс, с тем, чтобы обеспечить их согласованную работу.

Это означает, что центральные процессоры настольных компьютеров имеют сложную архитектуру, поскольку должны поддерживать такие базовые функции, как защита памяти, целочисленная арифметика, операции с плавающей запятой и обработка векторной графики.

В итоге типичный современный центральный процессор поддерживает несколько сот команд, которые обеспечивают выполнение всех этих функций. Следовательно, нужен модуль декодирования команд, который позволял бы реализовывать сложный словарь команд, а также множество интегральных схем. Они, собственно, и должны выполнять действия, определяемые командами. Иными словами, типичный процессор в настольном компьютере содержит десятки миллионов транзисторов.

DSP-процессор, напротив, должен быть «узким специалистом». Его единственная задача — изменять поток цифровых сигналов, и делать это быстро. DSP-процессор состоит главным образом из высокоскоростных аппаратных схем, выполняющих арифметические функции и манипулирующих битами, оптимизированных с тем, чтобы быстро изменять большие объемы данных.

В силу этого набор команд у DSP куда меньше, чем у центрального процессора настольного компьютера; их число не превышает 80. Это значит, что для DSP требуется облегченный декодер команд и гораздо меньшее число исполнительных устройств. Кроме того, все исполнительные устройства в конечном итоге должны поддерживать высокопроизводительные арифметические операции. Таким образом, типичный DSP-процессор состоит не более чем из нескольких сот тысяч транзисторов.

Являясь узкоспециализированным, DSP-процессор отлично справляется со своей работой. Его математические функции позволяют непрерывно принимать и изменять цифровой сигнал (такой, как звукозаписи в MP3 или запись разговора по сотовому телефону), не тормозя передачу информации и не теряя ее. Для повышения пропускной способности DSP-процессор оснащается дополнительными внутренними шинами данных, которые обеспечивают более быстрый перенос данных между арифметическими модулями и интерфейсами процессора.

Зачем нужны DSP-процессоры?

Специфические возможности DSP-процессора в части обработки информации делают его идеальным средством для многих приложений. Используя алгоритмы, основанные на соответствующем математическом аппарате, DSP-процессор может воспринимать цифровой сигнал и выполнять операции свертки для усиления или подавления тех или иных свойств сигнала.

В силу того, что в DSP-процессорах значительно меньше транзисторов, чем в центральных процессорах, они потребляют меньше энергии, что позволяет использовать их в продуктах, работающих от батарей. Крайне упрощается и их производство, поэтому они находят себе применение в недорогих устройствах. Сочетание низкого энергопотребления и невысокая стоимость обусловливает применение DSP-процессоров в сотовых телефонах и в роботах-игрушках.

Впрочем, спектр их применения этим далеко не ограничивается. В силу большого числа арифметических модулей, наличия интегрированной на кристалле памяти и дополнительных шин данных часть DSP-процессоров могут использоваться для поддержки многопроцессорной обработки. Они могут выполнять сжатие/распаковку «живого видео» при передаче по Internet. Подобные высокопроизводительные DSP-процессоры часто применяются в оборудовании для организации видеоконференций.

Внутри DSP

Приведенная здесь диаграмма иллюстрирует строение ядра процессора ADSP-21xx. Раздельные внутренние шины команд, данных и адресов способствуют резкому повышению пропускной способности вычислительной системы. Наличие вторичной шины данных позволяет арифметическому устройству считать два значения, перемножить их и выполнить операцию накопления результата за один такт процессора. Наиболее важная операция в цифровой обработке сигналов – суммирование результатов умножения. Данная операция одинаково важна для цифровых фильтров, Быстрого Преобразования Фурье (БПФ) и для множества других алгоритмов цифровой обработки сигналов.

Цифровой сигнальный процессор (DSP) оптимизирован для осуществления повторяющихся математических операций, таких как умножение с накоплением. Пять основных требований предъявляется к DSP, чтобы сделать выполнение перечисленных операций оптимальным: быстрое выполнение арифметических операций, повышенная точность представления операндов, возможность одновременной выборки двух операндов, поддержка циклических буферов, организация циклов с автоматической проверкой условия завершения цикла.

Ядро DSP-процессора семейства ADSP-21XX за один машинный цикл осуществляет следующие действия:

•Выборка операнда из памяти данных;

•Выборка операнда из памяти программ;

•Умножение с накоплением или другая арифметическая операция;

•Инкремент/декремент регистров указателей буферов данных;

•Для циклических буферов – проверка и коррекция указателей;

Необходимость поддержки циклов с автоматической проверкой условия завершения диктуется повторяющейся природой математических вычислений, составляющих основу цифровой обработки сигналов. Функция умножения с накоплением и выборка данных повторяются N раз при каждом вычислении типового алгоритма цифровой обработки сигналов. Традиционные микропроцессоры предполагают наличие в теле цикла одной или нескольких специальных команд для проверки условия продолжения или окончания цикла. Архитектура DSP-процессоров компании Analog Devices обеспечивает аппаратную поддержку программных циклов без необходимости программной проверки условия продолжения или завершения в теле цикла. Для типичной DSP-архитектуры различие в производительности систем, аппаратно поддерживающих циклы с автоматической проверкой условия завершения, и систем, которые требуют программной проверки условия завершения или продолжения цикла, может составлять 20% времени выполнения цикла.

Архитектура DSP семейства ADSP-21xx оптимизирована для цифровой обработки сигнала и других высокоскоростных приложений. Данное семейство DSP включает ядро семейства ADSP-2100 (три вычислительных блока, адресные генераторы, устройство управления выполнением команд), два синхронных последовательных порта, программируемый таймер, развитую систему обработки прерываний, встроенную статическую память программ и данных. Гибкая архитектура процессоров семейства ADSP-21xx и соответствующий набор команд позволяют достичь высочайшей степени параллелизма при выполнении операций. За один цикл DSP семейства ADSP-21xx может сгенерировать адрес следующей команды программы, выбрать следующую команду, выполнить 1 или 2 перемещения данных, обновить 1 или 2 указателя адреса, выполнить вычислительную операцию, передать или принять данные от двух последовательных портов и обновить регистр таймера.

Таким образом, любой процессор может выполнить любой алгоритм при наличии достаточного времени. Однако DSP процессоры оптимизированы под конкретные вычисления, связанные с обработкой реальных сигналов в реальном масштабе времени. Традиционные компьютеры больше подходят для вычислительных задач, не связанных с реальным временем.

Архитектура DSP семейства ADSP-21xx

Шины

•Адрес памяти программы (PMA)

•Адрес памяти данных (DMA)

•Данные памяти программы (PMD)

•Данные памяти данных (DMD)

•Результат (R)

Вычислительные блоки

•Арифметическо -логическое устройство (АЛУ )

•Умножитель с накоплением (МАС )

•Устройство сдвига

Адресные генераторы

Устройство управления выполнением команд

Периферийные устройства на кристалле

•Статическое ОЗУ программ или ПЗУ

•Статическое ОЗУ доступа данных

•Последовательные синхронные порты

•Таймер

•Хост-интерфейс порт

•Порт DMA

Аппаратные средства для разработки устройств на основе ДСП

Семейство плат EZ-KIT Lite фактически является набором стартовых комплектов, содержащих отладочные платы для различных DSP. В дополнение к самому процессору, эти платы содержат АЦП и ЦАП (codec), связываемые с процессором через его последовательный порт. Все необходимые вспомогательные аналоговые и цифровые устройства находятся на платах. Управление платами осуществляется посредством персонального компьютера через последовательный порт RS-232, а также путем перестановки перемычек на плате. Программные средства, совместимые с Windows 95|98|NT, поставляются вместе с платой. Указанные программные средства включают инструменты для генерирования программ, поставляемые с некоторыми функциональными ограничениями и включающие компилятор, ассемблер, компоновщик, программу создания загрузочных модулей (PROM Splitter) и отладчик, являющийся частью интегрированной среды Visual DSP. В комплект программного обеспечения включаются также примеры приложений, такие как генератор DTMF-сигналов, подавитель эхо-сигналов, БПФ, простые цифровые фильтры и т.д. Платы EZ-KIT Lite дают разработчикам возможность при минимальных затратах ознакомиться с предлагаемыми на рынке цифровыми сигнальными процессорами.

EZ-KIT Lite — это автономная система, которая взаимодействуе с PC, работающим под управлением Windows.

Аппаратные возможности:

Процессор ADSP-2189M 75 Mips;

Стерео кодек AD73322L;

Коэффициент усиления кодека программируется DSP;

2 Мб или более загружаемой. Flash EPROM с защитой;

Интерфейс RS-232 с PC;

Выбор реж.има работы с хост ЭВМ или без посредством переключателей.

Разъем для эмулятора ADSP-218x EZ-ICE

Разъем расширения включающий все сигналы для ввода-вывода плюс 5 В,

3,3 В, 2,5 В и GND

Светодиоды – индикaторные и программный флаг.

Эмулятор EZ-ICE® для семейства процессоров ADSP-218x дает улучшение качества работы при отладке благодаря наличию более скоростного интерфейса.