Тема 1.9 Аппаратно-программные особенности процессоров

Аппаратно-программные особенности процессоров

Методические рекомендации

Аппаратно-программная реализация подразумевает, что часть функций системы ЦОС выполняется аппаратно, а другая часть функций выполняется программно.

Аппаратно-программная реализация сочетает в себе все достоинства, как аппаратной, так и программной реализаций. Сочетание аппаратных и программных средств позволяет снизить требования к вычислительным возможностям и упростить реализацию систем ЦОС в целом, для отладки которой требуется специальные средства отладки.

В настоящее время широко применяются цифровые системы передач (ЦСП).

Для реализации цифровой обработки сигналов и систем управления в реальном времени применяются цифровые процессоры обработки сигналов (ЦПОС) или их равнозначное название – цифровые сигнальные процессоры (ЦСП), англоязычное сокращение – DSP (Digital Signal Processor).

Первый цифровой процессор обработки сигналов появился в 80-х годах, с производительностью 5 млн. операций в секунду фирмы Texas Instruments TMS320C10. Последующие процессоры стали выполняться фирмами Analog Devices, Motorola, Lucent Technologies и т. д. В настоящее время современный рынок представлен большим разнообразием ЦПОС, с производительностью в несколько миллиардов операций в секунду. Совершенствуясь, ЦПОС в свою очередь активизируют разработку новых методов и алгоритмов ЦОС с растущей вычислительной сложности. Таким образом, динамически развивающаяся взаимосвязь “алгоритм ЦОС - ЦПОС” в значительной мере определяет научно-технический прогресс в области телекоммуникаций, включая глобальную сеть Internet, и систем мультимедиа.

В настоящее время, в условиях жесткой конкуренции, производство ЦПОС и реализация на их базе новых алгоритмов ЦОС получило высокие темпы развития.

Цифровой процессор обработки сигналов (ЦПОС) чаще всего определяется как процессор, предназначенный для выполнения обработки данных и решения задач анализа и управления в реальном масштабе времени с использованием ''оцифрованных'' реальных сигналов, в том числе и реализации алгоритмов ЦОС в реальном масштабе времени. Примером различия задачи решаемой в реальном и в нереальном масштабе времени, может служить задача обработки изображений.

Для описания состава, принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных узлов вычислительной системы используется термин «архитектура». Данный термин включает в себя изложение возможностей программирования, форматов данных, системы команд, способов адресации и т. д. Поэтому, термин ''архитектура'' относится и к программному, и к аппаратному обеспечению.

Архитектура процессоров формируется с момента появления первых ЦПОС алгоритмами ЦОС. Особенности процессоров определяются требованиями, возникающими при реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов.

Особенности ЦОС таковы:

• высокая скорость поступления данных. Скорость обработки данных определяется производительностью процессора, которая выражается количеством миллионов условных одно-цикловых команд, выполняемых в секунду;

• широкий диапазон изменения значений входных/выходных данных. Обычно диапазон данных составляет 40-80 дБ, а в радиоприемных устройствах может доходить до 100 дБ, следовательно, необходимо иметь такую элементную базу, которая обеспечила бы организацию обработки данных большой разрядности;

• большое количество операций сложения, умножения и логических операций. Эти операции требуются для вычисления одного выходного отсчета, следовательно, элементная база должна быть ориентирована на быстрое выполнение таких операторов. Должно быть организовано аппаратное умножение с накоплением и создана большая память данных и память программ с удобным и быстрым доступом к ним;

• параллелизм алгоритмов, отражающихся в том, что для каждого набора данных выполняются такие действия, которые могут совмещаться по времени;

• необходимость обеспечения гибкости и перестройки цифровых систем обработки сигналов, что связано с изменением разнообразных и адаптивных системах;

• регулярность алгоритмов, т. е. Повторяемость отдельных операций.

Можно выделить основные свойства ЦПОС, обеспечивающие реализацию алгоритмов ЦОС:

• быстрое выполнение типовых операций ЦОС;

• аппаратная реализация комплексной операции умножения с накоплением;

• параллельное выполнение отдельных частей алгоритма, которое достигается аппаратной реализацией ряда типовых алгоритмов;

• большая внутренняя память программ и память данных;

• применение арифметики с ПТ и ФТ.;

• обработка в реальном времени данных, поступающих с высокой скоростью;

• малое время обращения к элементам внешней периферии;

• наличие внутри кристальной периферии, позволяющей разрабатывать компактные системы малой стоимости;

• разнообразие режимов адресации применительно к различным задачам.

Литература [1].

Вопросы для самоконтроля

1 Чем определяются особенности процессоров?

2 Перечислите основные свойства ЦПОС