2. Цифровые процессоры обработки сигналов в режиме реального времени (dsp – Digital Signal Processor).

ЦПОС — специализированные процессоры, предназначенные для выполнения алгоритмов цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени.

Основные характеристики ЦПОС:

·возможность программирования выполняемых процессов;

·наличие гибких высокоскоростных арифметических средств;

·возможность выполнения за один такт операции умножения, сдвига и других арифметических и логических операций;

·выполнение операций суммирования произведений с высокой скоростью;

·наличие буферов для циклического запоминания сигналов;

·отсутствие непроизводительных затрат на организацию программных циклов и ответвлений.

2.1. Базовая архитектура ПЦОС

Отличительной чертой задач цифровой обработки сигналов является поточный характер обработки больших объемов данных в реальном

масштабе времени, требующий от технических средств высокой производительности и возможности интенсивного обмена с внешними

устройствами. Это достигается в настояще время благодаря специфической архитектуре ПЦОС, называемой базовой архитектурой ПЦОС.

Базовая архитектура ПЦОС – это совокупность характерных особенностей процессора, направленная на повышение его

производительности и отличающая ПЦОС от микросхем других типов.

Она обусловлена:

• применением модифицированной гарвардской архитектуры;

• широкому использованием конвейерного режима работы;

• наличием специализированного устройства умножения;

• наличием специальных команд для цифровой обработки сигналов;

• реализацией короткого командного цикла.

Гарвардская архитектура в классическом варианте подразумевает размещение программы и данных в раздельных ЗУ и их передачу по

раздельным шинам. Это позволяет полностью совмещать во времени выборку и исполнение команд. Модифицированная гарвардская архитектура допускает обмен содержимым между памятью программ и памятью данных, что расширяет возможности устройства.

Конвейер

Конвейер также применяется в целях повышения

производительности ПЦОС.

Так, например, в четырехкаскадном конвейере (например, в ПЦОС TMS320C2xx) ПЦОС может обрабатывать одновременно четыре команды, причем все команды находятся на разных стадиях выполнения.

В четырехкаскадном конвейере предварительную выборку команды, дешифрирование, выборку операнда и исполнение команд можно

осуществлять независимым образом. Пока производится предварительная

выборка команды N, предыдущая команда N─1 дешифрируется, команда

N─2 выбирает операнд, а N─3 исполняется. Следует отметить, что конвейер реализован автоматически таким образом, что специалист, программирующий ПЦОС никак не замечает его наличие.

Специализированное устройство умножения

Для ПЦОС характерным является наличие аппаратного умножителя, позволяющего выполнять умножение двух чисел за один командный такт. В универсальных же процессорах умножение обычно реализуется за несколько тактов, как последовательность операций сдвига и сложения.

Специальные команды для цифровой обработки сигналов

Другой особенностью ПЦОС является включение в систему специальных команд как, например, умножение с накоплением (MAC):

С = А • В + С, с указанным в команде числом выполнений в цикле и с правилом изменения индексов используемых элементов массивов А и В; инверсия битов адреса, разнообразные битовые операции. В ПЦОС реализуется аппаратная поддержка программных циклов и кольцевых буферов, когда один или несколько операндов извлекаются из памяти в цикле исполнения команды.

Короткий командный цикл

В ПЦОС широко используются методы сокращения длительности командного цикла, характерные, в том числе, для универсальных RISC-

процессоров.

ПЦОС с фиксированной и плавающей точкой

ПЦОС образуют два класса: более дешевые ПЦОС обработки данных в формате с фиксированной точкой и более дорогие ПЦОС, аппаратно поддерживающие операции над данными в формате с плавающей точкой.

Для многих задач, связанных с выполнением интегральных и дифференциальных преобразований, особую значимость имеет точность вычислений, обеспечить которую позволяет экспоненциальный формат представления данных. Алгоритмы компрессии, декомпрессии, адаптивной фильтрации в цифровой обработке сигналов связаны с определением логарифмических зависимостей и весьма чувствительны к точности представления данных в широком

динамическом диапазоне. Работа с данными в формате с плавающей точкой существенно упрощает и ускоряет обработку, повышает надежность программы, поскольку не требует выполнения операций округления и нормализации данных, отслеживания ситуаций потери значимости и переполнения.

Платой за дополнительные «комфорт и скорость» является высокая

сложность функциональных устройств, выполняющих обработку данных в

формате с плавающей точкой, необходимость использования более

сложных технологий производства микросхем, больший процент

отбраковки изделий и, как следствие, дороговизна ПЦОС.

Состав ЦПОС

ЦПОС может содержать большое разнообразие функциональных блоков, реализованных аппаратно. Некоторые наиболее важные из нихперечислены ниже:

•Центральный арифметический блок — этот блок является той частью ЦПОС, которая выполняет наиболее важные арифметические функции, такие как умножение и сложение. Это именно та часть, которая делает ЦПОС столь быстрым по сравнению с традиционными процессорами и делает возможным эффективное выполнение алгоритмов нерекурсивной и рекурсивной фильтрации, быстрого преобразования Фурье (БПФ) и других;

•Вспомогательный арифметический блок — он предназначен для выполнения других математических вычислений и логических операций в

то время, пока основной арифметический блок занят.

•Быстродействующие высокоточные АЦП и ЦАП блоки — необходимы для работы процессора с аналоговыми сигналами. Это делает ЦПОС весьма удобными для реализации фильтров, преобразований, кодирования и многих других задач обработки аналоговых сигналов (речи, изображения, музыки)

•Порты связи — необходимы любой системе ЦОС. На вход процессора поступает первичная информация, а обработанная информация выдается во внешний мир через эти порты.

Выделим общие преимущества ЦОС по сравнению с другими способами:

•хорошая стабильность и воспроизводимость;

•отсутствие таких дестабилизирующих факторов, присущих аналоговым устройствам, как температурный и временной дрейф, разброс параметров, воздействие наводок и помех;

•гибкость — возможность программной реализации алгоритмов обработки измерительной информации и изменение параметров аппаратуры;

•возможность создания адаптивных систем с перестраиваемой структурой;

•простота настройки и повышение метрологических характеристик без использования трудоемких и прецизионных операций (подгонка образцовых резисторов).

Недостатки ЦОС связаны с некоторыми потерями информации при дискретизации сигнала и его квантовании, а также с ограничениями на сложность алгоритмов обработки, если необходимо выполнять обработку

сигналов в реальном масштабе времени.