Прикладное программирование в информационно-навигационных системах

Конспект лекций

2011г.

Введение

Целью данной дисциплины является получение студентом

знания:

на уровне представлений:

• о современном состоянии и направлениях развития аппаратных и программных средств обработки информации в навигационных комплексах;

• о специфических условиях разработки, отладки и сопровождения программного обеспечения встраиваемых вычислительных систем;

на уровне воспроизведения:

• методики разработки и отладки программного обеспечения типичных современных микропроцессоров;

на уровне понимания:

• современных средств разработки и отладки программного обеспечения типичных современных микропроцессоров;

умения:

• разрабатывать программное обеспечение для встроенных вычислительных систем навигационных комплексов;

• применять интегрированную среду разработки и отладки программного обеспечения при решении практических задач;

• использовать специальную литературу и другие информационные данные (в том числе на иностранных языках);

навыки:

• разработки и отладки программного обеспечения типичных современных микропроцессоров с применением интегрированной среды разработки и отладки ПО.

• работы с технической документацией, технической литературой, справочниками и другими информационными источниками.

Получение перечисленных знаний, умений и навыков достигается в процессе работы в конкретной аппаратной и программной среде, в качестве которой рассматривается:

- на аппаратном уровне – цифровой сигнальный контроллер TMS320F28335;

- на программном уровне - интегрированная среда программирования и отладки Code Composer Studio.

Курс состоит из трех разделов, первый из которых посвящен изучению цифрового сигнального контроллера TMS320F28335, второй - интегрированной среды программирования и отладки Code Composer Studio. В третьем разделе в процессе выполнения шести лабораторных работ студентом осваивается методика программирования и отладки вычислительных средств информационно-навигационных систем.

Лекция №1 «Цифровые сигнальные процессоры. Архитектура, особенности организации вычислений. Направления повышения производительности (VLIW, SIMD)»

1. Архитектура, особенности организации вычислений.

Цифровой сигнальный процессор (ЦСП) – проблемно-ориентированный процессор, предназначенный для выполнения обработки данных и решения задач анализа и управления «оцифрованных» реальных сигналов в реальном масштабе времени, в том числе с использованием алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС).

Основными методами повышения производительности, наряду с традиционным повышением тактовой частоты, являются структурные и архитектурные решения

Многие алгоритмы ЦОС содержат МАС операции, содержащие перемножение двух сомножителей и добавление произведения к предыдущей сумме. Для быстрого выполнения этой операции процессор должен обеспечивать выборку команды, двух операндов и выполнение умножения и сложения в одном машинном цикле.

Архитектура шин

Архитектура фон Неймана – программа и данные хранятся в общей памяти, которая подключается к процессору шинами адреса и данных.

Гарвардская архитектура – программа и данные хранятся в отдельных блоках памяти, которые подключается к процессору шинами адреса и данных, отдельными для памяти программ и памяти данных. Шина памяти данных может иметь увеличенную ширину для одновременной выборки нескольких операндов.

Конвейерное выполнение команд – одновременное выполнение различных этапов нескольких последовательных команд, реализуемое в различных функциональных устройствах ЦСП. Число этапов m различно у разных ЦСП и называется глубиной конвейера (доходит до 11). Пример для 4 этапов: выборка команды, декодирование команды, подготовка операндов, выполнение операции Время выполнения одного этапа называется командным циклом, который равен одному, иногда двум периодам тактовой частоты процессора. При отсутствии конвейера команда выполняется за m циклов. При наличии конвейера в каждом цикле выполняются m команд - разные этапы, и каждый цикл содержит выполнение последнего этапа, какой-либо команды.

Возможность конвейеризации обеспечивается независимостью работы различных узлов процессора.

Условием правильной работы конвейера является равная длина команд и линейный характер программы, условные переходы могут нарушать работу конвейера, поскольку следующая команда определяется после выполнения последнего этапа команды условного перехода.

Аппаратная реализация программных функций

Наряду с арифметико-логическим устройством ЦСП содержа дополнительные функциональные устройства, способные работать одновременно с АЛУ и аппаратно реализовывать вычисление функций.

Это прежде всего умножитель, реализующий операцию умножения за один цикл.

Другим распространенным устройством является сдвигатель, осуществляющий сдвиг операнда на некоторое число разрядов, например, при сложении двух чисел с плавающей точкой.

Кроме того многие ЦПС имеют дополнительные АЛУ, вспомогательные АЛУ, увеличенное число аккумуляторов, регистровые файлы и т.п. Примером аппаратных устройств являются также генераторы адресов, счетчики циклов и т.п. элементы устройств управления.

Дальнейшее развитие этот подход получил в многоядерных процессорах.

Специфические команды ЦОС

Комбинированные и специализированные команды для выполнения нескольких связанных операций в одном цикле, а также для выполнения операций над несколькими операндами.