ЦСРС_1 / Grebeshkov_Tehnika_mikroproz_sistem_v_kommutazii_uchebnik_dlya_vuzov_2011

Техника микропроцессорных систем в коммутации

ляции светодиода (до 90 мА), входные сигналы находятся в широком диапазоне от 100 мВ до 2400 мВ. При этом величина тока смещения может контролироваться внешним микроконтроллером. В набор микросхем для приема сигнала также может входить усилительограничитель. В настоящее время рассмотренная схема формирования оптического сигнала объединяется со схемой оптического приемника и изготавливается в виде трансивера (приемопередатчика) на одном кристалле. Это решение, однако, требует специальных мер по отводу тепла, выделяемого микросхемой оптического трансивера.

В качестве микропроцессорных средств обработки сигналов рассмотрим процессоры цифровой обработки сигналов, ПЦОС (DSP) или цифровые сигнальные процессоры. Эти микропроцессоры находят самое широкое применение в телекоммуникациях при решении большого круга задач, в частности для подавления помех, адаптивной импульсно-кодовой модуляции и иных видов кодирования сигналов, для мультиплексирования каналов, кодирования/декодирования, в том числе DTMF, шифрования данных. При этом ПЦОС решают математические задачи свертки, корреляционного анализа, преобразование Гильберта, быстрого преобразования Фурье, решения задачи адаптивной фильтрации, взвешивание сигналов, синтез сигналов.

Как правило, при цифровой обработки сигналов в телекоммуникациях аналоговая звуковая или видео–информация на входе при помощи аналого-цифрового преобразователя переводится в цифровую форму, затем полученный цифровой сигнал передается по каналу связи, а на выходе – восстанавливается исходный аналоговый сигнал. Типовая структурная схема устройства цифровой обработки сигналов (без канала связи для передачи) приведена на рисунке 4.2 [90].

Представленное на рисунке 4.2 цифровое устройство в случае обработки «изначально» цифровых сигналов лишается блоков ФНЧ, УВХ, АЦП, ЦАП и ФНЧ. Но в любом случае рассматриваемое устройство должно работать в реальном масштабе времени.

271

Техника микропроцессорных систем в коммутации

Рисунок 4.3 а) показывает восемь входных отсчѐтов x[n], сохраненных в данный момент времени, тогда как рис. 4.3 б) показывает изменения после появления нового отсчѐта на входе. Идея круговой буферизации состоит в том, что конец массива данных с отсчѐтами соединѐн с его началом. Ячейка ЗУ (ЯЗУ) с адресом 20041 рассматривается как следующая за ячейкой ЗУ с адресом 20048, также, как ЯЗУ с адресом 20044 – рассматривается как следующая за 20045. За массивом следят с помощью указателя – переменной, значение которой является адресом ячейки памяти, указывающим, где находится самый последний обрабатываемый отсчѐт. Например, на рис. 4.3a) указатель содержит адрес 20044, в то время как на рис. 4.3 б) он содержит адрес 20045. Когда появляется новый отсчѐт, он заменяет самый «старый» отсчѐт в массиве, и указатель перемещается на один адрес вперед. Круговые буферы эффективны, потому что когда появляется новый отсчѐт, должно быть изменено только одно значение – значение указателя.

Чтобы управлять круговым буфером, необходимы четыре параметра. Первый – указатель, который указывает начало кругового буфера в памяти (в этом примере, 20041). Второй – указатель на конец массива (например, 20048), или переменная, которая содержит его длину (например, 8). Третий параметр – шаг адресации памяти. На рис. 4.3 размер шага равен единице, например: ячейка с адресом 20043 содержит один отсчѐт, ячейка с адресом 20044 содержит следующий отсчѐт, и так далее. Часто значение шага исключительно важно. Например, адресация может относиться к байтам, и каждый отсчѐт может требовать двух или четырех байт, чтобы хранить значение отсчета. Соответственно, размер шага должен быть равен двум или четырѐм. Эти три параметра определяют размер и конфигурацию кругового буфера, и не будут меняться в течение выполнения программы.

Четвертый параметр – указатель на самый последний отсчѐт, должен изменяться с каждым появлением нового отсчѐта. Другими словами, должна использоваться программируемая логика МПр, которая контролирует, как обновляется значение четвертого параметра, основываясь на значении первых трех параметров. Процессоры ПЦОС должны быть оптимизированы для применения управляющих

274

Техника микропроцессорных систем в коммутации

круговых буферов так, чтобы достичь самой высокой из возможных скоростей работы.

Пусть для каждого нового отсчѐта в схеме на рис. 4.3, ПЦОС должен выполнить следующую операцию:

y[n] a0 x[n] a1x[n 1] a2 x[n 2] a3x[n 3] a4 x[n 4] ...

где

y [n] – значение n-го сигнала на выходе; a0, a1, a2 – коэффициенты преобразования;

x [n] – значение n-го отсчѐта входного сигнала.

Коэффициенты преобразования, по аналогии с входными отсчѐтами, записываются в круговой буфер коэффициентов.

Для выполнения описываемой операции, ПЦОС выполняет следующую последовательность действий:

1.Получает значение отсчѐта с аналогово-цифрового преобразователя и создает прерывание.

2.Загружает из оперативной памяти программ и запускает на исполнение требуемую (под)программу по прерыванию.

3.Записывает значение отсчѐта в круговой буфер входного сигнала.

4.Обновляет указатель для кругового буфера входного сигнала.

5.Устанавливает в ноль регистр–аккумулятор (при наличии регистра–аккумулятора) или рабочий регистр.

6.Управляет программным циклом обработки отсчѐта для каждого из коэффициентов.

7.Выбирает коэффициент из кругового буфера коэффициентов.

8.Обновляет указатель для кругового буфера коэффициентов.

9.Выбирает отсчѐт из кругового буфера входного сигнала.

10.Обновляет указатель для кругового буфера входного сигнала.

11.Умножает коэффициент на отсчѐт.

12.Добавляет произведение в регистр–аккумулятор или в рабочий регистр.

275

Техника микропроцессорных систем в коммутации

13.Перемещает результат – значение выходного отсчѐта из аккумулятора или регистра в имеющийся буфер приѐма/передачи.

14.Перемещает выходной отсчѐт из буфера приѐма/передачи

в цифро-аналоговый преобразователь.

Перечисленные действия надо выполнять максимально быстро. Так как операции 6–12 повторяются многократно (один раз для каждого коэффициента), этим операциям нужно уделить особое внимание. Традиционные микропроцессоры SISD в раздел 1.5 выполняют эти 14 действий последовательно, одно за другим, тогда как ПЦОС для ускорения вычислений могут выполнять эти действия параллельно, в том числе за счет использования в ПЦОС Гарвардской архитектуры. В некоторых случаях действия в цикле (операции 6–12) могут быть завершены в отдельном такте. Следует отметить, что для повышения производительности некоторые ЦСП используют модифицированную или супергарвардскую архитектуру (SHARC), которая допускает обмен содержимым между памятью программ и памятью данных, что расширяет возможности устройства. Рисунок 4.4 иллюстрирует особенности cупергарвардской архитектуры.

Термин «cупергарвардская архитектура» был введѐн фирмой Analog Devices, чтобы описать особенности ПЦОС типа ADSP-2106X и типа ADSP-211XX (см. рис. 4.4). Идея состоит в том, чтобы усовершенствовать гарвардскую архитектуру, добавляя некоторые конструктивные особенности для улучшения производительности. В составе ПЦОС с архитектурой SHARC появились два достаточно важных компонента: кэш команд и контроллер ввода – вывода. Важность этой «добавки» в архитектуру ПЦОС объясняется тем, что алгоритмы цифровой обработки сигналов тратят большую часть времени на выполнение операций в циклах, например в таких, как операции 6–12, рассмотренных выше. Это значит, что один и тот же набор команд будет постоянно передаваться из памяти команд в ЦПУ. В этом случае супергарвардская архитектура обладает преимуществом, а именно – наличием кэша команд. Этот кэш содержит, например, 32 последние по времени исполнения команды. При первом запуске на исполнение в рамках цикла команды должны передаваться по шине команд.

276

Техника микропроцессорных систем в коммутации

которые действуют каждый со скоростью в 40 Мбит/с, в то время как шесть параллельных портов, каждый из которых обеспечивает передачу данных со скоростью 40 Мбит/с, совокупно на скорости 240 Мбит/с. Специальное аппаратное обеспечение позволяет передавать эти потоки данных непосредственно в память (режим прямого доступа к памяти), без необходимости передавать их в регистры ЦПУ. Другими словами, операции 1 и 14 рассмотренные выше, происходят независимо и одновременно с другими действиями, при этом циклы ЦПУ не используются. Шина команд и шина данных доступны через контакты на корпусе микросхемы ПЦОС, что обеспечивает дополнительный интерфейс к внешней памяти и внешним устройствам. Для повышения производительности часто используют конвейерную организацию вычислений, которая подробно рассматривается в главе 5.

Для ПЦОС, чья упрощенная схема приведена на рис. 4.4, характерным является наличие аппаратного умножителя (multiplier), позволяющего выполнять умножение двух чисел за один командный такт. В процессорах общего назначения умножение обычно реализуется за несколько тактов, как последовательность операций сдвига и сложения. Также в ПЦОС используются специальные команды как, например, умножение с накоплением (код операции MAC): С = А x В + С, с указанным в команде числом выполнений в цикле и правилом по умолчанию для изменения индексов используемых элементов массивов А и В. Применяются инверсия битов адреса, разнообразные битовые операции и сдвиги (shifter). В ПЦОС реализуется аппаратная поддержка программных циклов и кольцевых буферов, когда один или несколько операндов извлекаются из памяти в цикле исполнения команды.

Генераторы значений адресов управляют адресами, посылаемыми в память команд и данных, определяя, где информация должна считываться, а где записываться. Это избавляет от необходимости использовать такты ЦПУ, чтобы следить за тем, как хранятся данные. Например, в DSP SHARC, каждый из двух генераторов может контролировать по восемь круговых буферов. В итоге в ПЦОС при обработке данных используются:

умножитель (устройство умножения);

278

Техника микропроцессорных систем в коммутации

лами примерно в десять миллионов раз меньше, чем абсолютное значение чисел. Как следствие, получаются большие промежутки между большими числами, но малые промежутки между малыми числами.

Процедуры компрессии, декомпрессии, адаптивной фильтрации связаны с определением логарифмических зависимостей, результаты которых существенно зависят от точности представления данных в широком динамическом диапазоне. Работа с данными в формате с плавающей точкой существенно упрощает и ускоряет обработку, повышает точность и достоверность, поскольку не требует выполнения операций округления и нормализации данных, отслеживания ситуаций потери значимости и переполнения. Однако для операций с плавающей точкой необходимы функционально более сложные устройства для чего необходимо использовать более сложные технологии производства микросхем, что в итоге и приводит к удорожанию изделия в целом.

Особенностью конструктивного исполнения ПЦОС является:

Наличие энергонезависимой выделенной оперативной памяти для хранения программ с возможностью перепрограммирования.

Наличие энергозависимой выделенной оперативной памяти для хранения данных.

Наличие функциональных блоков, которые выполняют только операцию умножения и только операцию сдвига.

Наличие аккумуляторов повышенной емкости, в частности для 32-разрядного ПЦОС разрядность аккумулятора может составлять до 80 бит.

Наличие аккумулятора повышенной разрядности в ПЦОС обусловлено необходимостью уменьшить ошибку округления, связанную с многократными математическими операциями с фиксированной точкой. Кроме того, в ПЦОС применяются теневые регистры для хранения результатов вычисления. Теневой регистр – это сдвоенный регистр, содержимое одного из них может быть переписано в другой регистр в процессе дублирования или синхронизации содержимого за один такт. В результате, в случае обработки прерываний

280