Использование микропроцессоров в средствах связи.
В целом МПр, которые используются в средствах связи, можно разделить на две группы с точки зрения общих технических возможностей обработки данных.
К первой относятся универсальные МПр (процессоры общего назначения). Эти процессоры предназначены для выполнения широкого набора вычислительных операций. В дополнение к стнадартным операциям, современные МПр могут выполнять на аппаратном уровне криптографические алгоритмы RSA и DSA с 2048-разрядным ключами для защиты информации (например, МПр типа UI-traSPARC T1).
Ко второй группе относятся специальные МПр, например процессоры цифровой обработки сигналов, сетевые процессоры. Эти процессоры предназначены для выполнения ограниченного набора вычислительных операций, но за счет, того, что эти операции поддерживаются аппаратными средствами, выполнение идет с высокой скоростью и минимальной задержкой по времени. Необходимость в таком решении возникает при цифровой обработке акустических и видео-сигналов, при обработке радиосигналов, в ходе кодирования/декодирования информации и т.п.
Следует отметить, что специальные МПр зачастую непосредственно подключены к физическим интерфейсам, к аппаратуре преобразования и кодирования, к различным датчикам, антеннам излучения, коммутационным приборам. Это позволяет уменьшить время реакции МПр на событие. В результате специальные МПр монтируются непосредственно в модули.
Специальные МПр могут реализовываться в виде микроконтроллеров – программируемых однокристальных вычислительных устройств с встроенным набором средств для ввода-вывода данных, применяемое для решения задач управления и первичной обработки данных. Иерархия процессов согласно их использованию в современных средствах связи представлена на рис.7.
Различают следующие специализированные МПр:
Сетевые (коммуникационные) процессоры реализуют аппаратную поддержку и управление интерфейсами и коммуникационными протоколами такими как Ethernet, HDLC, X.25, E1 (G.703), USB, ATM, а также аппаратную поддержку протоколов шифрования (IPsec). Примерами таких МПр являются Моторола МС683хх, МРС8хх, AMD Am186CC, Intel IXA IXP 2XXX, Intel IXP 4XXX. Кроме того, существуют специальные модемные процессоры для поддержки стандартов V.3x, V.9x.
Процессоры цифровой обработки сигналов, ПЦОС или цифровые сигнальные процессоры ЦСП (digital signal processor, DSP) предназначены для реализации методов цифровой обработки сигналов: фильтрация, спектральный анализ, смешение сигналов, масштабирование. Отличительной особенностью ПЦОС является обработка больших объемов данных в реальном времени, но с ограниченным набором операций.
Рис.8 – Функциональная иерархия процессоров в современных средствах связи.
Процессор цифровой обработки сигналов выполняют четко алгоритмизированные задачи кодирования, декодирования, ЦАП/АЦП. Примерами ПЦОС являются МПр типа TI TMS 320, Analog Devices ADSP 21xxx, Motorola DSP56xxx, Motorola DSP96xxx. Процессоры ПЦОС выполняют вычислительные операции (как правило, сложение и умножение) в системах анализа сигналов, при реализации кодеков или кодеров различного назначения. Эти процессоры широко применяются в системах сотовой связи стандартов GSM, CDMA для осуществления кодирования и сжатия исходного аналогового речевого сигнала. Аппаратная часть ПЦОС оптимизирована для выполнения операций с плавающей точкой или с целыми числами. Это позволяет за счет точности и скорости вычислений максимально точно кодировать, а затем воспроизводить переданные сигналы, особенно в условиях зашумления.
Процессоры встраиваемых (управляющих) приложений предназначены для автоматической реализации функций управления и обладают следующими основными свойствами:
Работа без взаимодействия с человеком;
Несредственное подключение к объекту управления;
Работа в реальном времени;
Несложные алгоритмы вычислений;
Наличие автоматических алгоритмов регулирования и адаптации при изменении характеристик входных данных.
Различают следующие виды встроенных процессов:
Универсальные встроенные процессоры;
Процессоры с расширенными коммутационными возможностями;
Процессоры с расширенными возможностями дискретного ввода/вывода.
Рассматривая в целом схему на рис.9 можно отметить, что производительность, сложность архитектуры, стоимость увеличиваются снизу вверх. В тоже время при движении сверху вниз разрядность, тактовая частота, производительность снижаются. В составе ЦУУ, как правило, применяются универсальные МПр. В составе ГУУ могут применяться универсальные или сетевые процессоры. В составе ИУУ могут применяться процессоры цифровой обработки сигналов, процессоры ввода/вывода и процессоры сетевых или внутренних интерфейсов (процессоры встраиваемых приложений).
Необходимо добавить, что нередко специализированные процессоры (в том числе сетевые) выполняются по технологии программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Устройство ПЛИС представляет собой матрицу логических вентилей (цифровых устройств, реализующих логические функции И-НЕ, ИЛИ-НЕ и т.п.), логика работы и переключения которых может быть задана программным образом. Отличительной чертой ПЛИС является наличие архитектуры, допускающей реконфигурирование цифровых цепей и базирующейся на массиве конфигурируемых логических блоков ( configurable logic blocks, CLBs), окруженных блоками ввода/вывода. При этом программируемые переключатели и маршрутизаторы, входящие в состав микросхемы, позволяют осуществлять маршрутизацию сигналов в ПЛИС любым, наперед заданным образом. Разработчики оборудования используют ПЛИС в основном из-за их малых размеров, высокой скорости работы, малого энергопотребления и возможности обновления логики работы. ПЛИС может быть реконфигурирована и перепрограммирована в соответствии с нуждами конкретной задачи, не затрачивая ресурсы на дорогостоящее производство заказных микросхем. Микросхема ПЛИС может включать от 1 до 3 миллионов вентилей, время затрачиваемое на переключение вентилей – по крайней мере 25 нс.
Лекция 3. Языки программирования. Типы и форматы данных. Системы и форматы команд. Способы адресации.