8.1. Типовые задачи решаемые цос

ПЦОС находят широкое применение в самых различных областях, так, как они способны обеспечивать работу в реальном масштабе времени как существующих, так и принципиально новых устройств.

На основе ЦОС создаются устройства в которых требуется реальный масштаб времени выполнения практически любых арифметических задач. В то же время, можно выделить ряд типовых, наиболее распространенных задач, решаемых с применением ПЦОС:

- фильтрация сигналов;

- свертка двух сигналов (смешение сигналов);

- вычисление значений авто и кросс-корреляционной функции двух

сигналов;

- усиление, нормализация или преобразование сигналов;

- прямое и обратное Фурье-преобразование.

В настоящее время выделяют следующие основные направления ЦОС:

- системы общего назначения: цифровая фильтрация; свертка; корреляционный анализ; преобразование Гильберта; быстрое преобразование Фурье; адаптивная фильтрация; взвешивание сигналов; синтез сигналов.

- графика и обработка образов: 3-D вращение изображений; техническое зрение роботов; передача и сжатие изображений; распознавание образов; «Улучшение» изображений; гомоморфическая обработка; графические рабочие станции; анимация; цифровые карты.

- приборостроение: спектральные анализаторы; функциональные генераторы; анализаторы переходных процессов; цифровые фильтры; синтезаторы сигналов.

- обработка голоса и речи: голосовая почта; речевые вокодеры; распознавание речи; верификация говорящего; «Улучшение» речи; синтез речи; системы «Текст-речь».

- управление: управление дисководом; следящие системы; управление роботом; управление лазерным принтером; управление электроприводом.

- оборона: специальная связь; обработка радаров; звуковая обработка; обработка изображения; навигация.

- телекоммуникации: подавление помех; сетевые усилители; мультиплексирование каналов; модемы; шифрование данных; факсы; сотовые телефоны; наушники; цифровая речь; видеоконференции; системы связи.

- автомобилестроение: управление двигателем; вибрационный анализ; управление торможением; установление местонахождения; навигация; голосовые команды; автопилоты.

- бытовые приборы: цифровые магнитофоны; цифровое телевидение; музыкальные синтезаторы; игрушки и «настольные» игры; справочные автоматы (информаторы).

- промышленность: роботы; конвейеры; станки с ЧПУ; ограничение доступа; промышленные мониторы;

- медицина: слуховые аппараты; многофункциональный мониторинг; ультразвуковое оборудование; диагностические приборы; протезирование.

8.2. Способы реализации алгоритмов цос

Среди алгоритмов ЦОС с точки зрения организации вычислений можно выделить как простые, так и чрезвычайно сложные. Определяющим свойством процедуры становится ее практическая вычислимость, т. е. ее способность вычислять отсчет у(п) за разумное время, или, как принято говорить, за реальное время, при этом имеется в виду обязательное достижение заданной точности.

Определение реального времени зависит от конкретной задачи и связано с объемом вычислений алгоритма, точностью вычислений и частотой дискретизации (периода дискретизации). Пусть Т– период дискретизации (рис. 60), t_а – время выполнения алгоритма.

Цифровая система работает в реальном времени, если время выполнения алгоритма t_а не превышает периода дискретизации.

Рис. 60. Метод определения реального времени

Это означает, что остается еще некоторый запас времени, обычно называемый временем ожидания t_ож. Найти время выполнения алгоритма можно, если знать время выполнения элементарной (одноцикловой) команды t_к, называемое командным циклом, и количество командных циклов N_a, необходимое для выполнения алгоритма (это можно определить в процессе отладки).

t_a = t_к + N_a, t_ож = Т – t_а.

Время выполнения алгоритма та зависит не только от процедуры, представляющей этот алгоритм, но и от способа реализации алгоритма. Возможны три способа реализации алгоритмов ЦОС (рис. 61): аппаратный; программный; аппаратно-программный.

Рис.

Рис. 61. Способы реализации алгоритмов ЦОС

Аппаратная реализация подразумевает использование разнообразных функциональных блоков: регистров, сумматоров, шифраторов и дешифраторов, счетчиков, линий задержек, устройств памяти, умножителей, сдвигателей, логических элементов, интегральных и больших интегральных схем, программируемых логических матриц и т. п. Совокупность функциональных блоков и связей между ними определяет реализуемый алгоритм.

Достоинство аппаратной реализации состоит в очень высоком быстродействии, что позволяет обрабатывать сигналы при частоте дискретизации в десятки мегагерц. Это достигается применением функциональных блоков на базе ТТ-логики, распараллеливанием операций и узкой направленностью (специализацией) создаваемых устройств.

С другой стороны, аппаратная реализация, ориентированная на решение узкоспециальных задач, подразумевает создание систем с жесткой логикой, когда любое изменение алгоритма требует изменения структуры устройства, т. е. введения дополнительных функциональных блоков, что, конечно, является недостатком. Кроме того, аппаратная реализация приводит к большому потреблению энергии и к необходимости организовывать теплоотвод. Все это вместе определяет высокую стоимость аппаратной реализации, причем проектирование, изготовление и отладка оказываются весьма трудоемкими при больших временных затратах.

Программная реализация подразумевает представление алгоритма в виде программы, которую последовательно от команды к команде выполняет один или одновременно несколько независимых блоков. Программа должна быть написана на языке программирования, соответствующем конкретному операционному блоку. Так, для персонального компьютера это будет любой из языков высоко уровня (Pascal, С++, Java и др.), а для микропроцессорного комплекта или цифрового процессора – соответствующий язык ассемблера.

К достоинствам программной реализации относятся:

- неизменная структура системы при различных алгоритмах и областях применения;

- хорошая гибкость, позволяющая достаточно легко изменять алгоритмы работы системы за счет коррекции или изменения программы;

- существенное ускорение, облегчение и удешевление проектирования, изготовления и отладки системы, поскольку вместо прибора разрабатывается программа.

Недостатком программной реализации является относительно низкое быстродействие по причине последовательного выполнения операций программы в одном процессоре: как бы ни увеличивали скорость выполнения команд, она будет оставаться ниже производительности соответствующего устройства, реализованного аппаратно.

Аппаратно-программная реализация подразумевает, что часть функций системы ЦОС выполняется аппаратно (аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразования, умножение, умножение с накоплением, прием/передача данных и др.), а другая часть функций выполняется программно. Пример аппаратно-программной реализации показан на рис. 62, где к процессору, работающему по заданной программе, подключены:

Рис. 62 Аппаратно-программная реализация ЦОС

- АЦП и ЦАП преобразователи;

- модули внешней памяти, хранящие программы, разнообразные константы и таблицы функций (например, sin и cos), что позволяет заменять длительное их вычисление быстрым обращением к памяти;

интерфейс – специальные вспомогательные схемы, обеспечивающие согласование сигналов на стыках с модулями внешней памяти, АЦП, ЦАП, каналом связи (регистры стыковки также могут быть отнесены к интерфейсу);

- система синхронизации, обеспечивающая временное согласование всех элементов системы.

Аппаратно-программная реализация сочетает положительные свойства аппаратной и программной реализаций. Разумное сочетание аппаратных и программных средств позволяет снизить требования к вычислительным возможностям элементной базы и упростить реализацию систем ЦОС в целом, для отладки которой требуются специальные средства отладки.