СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Аппаратные средства цифровой обработки сигналов

Основное назначение процессоров цифровой обработки сигналов, ПЦОС (DSP) - выполнение вычислительных операций (сложение и умножение) при обработки цифровой информации. Как правило, DSP применяются в системах анализа сигналов, при реализации кодеков или кодеров различного назначения. Например, DSP применяются в системах сотовой связи стандартов GSM, CDMA для осуществления сжатия исходного аналогового речевого сигнала.

При использовании 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 цифровой линии связи, а на выходе - восстанавливается исходный сигнал. Типовая структурная схема устройства цифровой обработки сигналов (без канала связи для передачи) приведена на рисунке 7.1.

Структурная схема устройства цифровой обработки

Рис. 7.1 - Структурная схема устройства цифровой обработки

сигналов

Для обеспечения работы системы в реальном масштабе времени, ПЦОС должен закончить все вычисления в пределах интервала дискретизации l/faBX и передать выходной отсчет сигнала на выходной цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) до момента поступления следующего отсчета с аналого-цифрового преобразователя.

Обработка сигналов ПЦОС выполняется непрерывно, пока имеется входной сигнал. В случае, если выполняется обработка ограниченного числа отсчётов входного сигнала, например восьми отсчётов, то значения этих восьми отсчётов постоянно хранятся в памяти ПЦОС и непрерывно обновляются, поскольку на входе с частотой faBX, появляются новые отсчёты.

Процессоры ПЦОС работают в реальном масштабе времени и выполняют четко алгоритмизированные задачи. ПЦОС можно разделить на ПЦОС с обработкой данных в формате с фиксированной точкой и более дорогие ПЦОС, аппаратно поддерживающие операции над данными в формате с плавающей точкой. Использование данных в формате с плавающей точкой обусловлено необходимостью обеспечить повышенную точность вычислений при интегральных и дифференциальных преобразованиях. то дает возможность максимально точного воспроизведения переданного сигнала, особенно в условия зашумления, поэтому в DSP для хранения данных используется слово длиной не менее 32 бит.

Это позволяет работать с числами в диапазоне: ±1,2x10' 32...±3,4x1038 или по стандарту ANSI/IEEE 754-1985: -216...±216 (65536)

Конструктивное исполнение ПЦОС показано на рис. 7.2. Для обеспечения возможности ускоренной обработки данных ПЦОС имеют гарвардскую архитектуру, как это показано на рис. 7.2. Следует отметить, что для повышения производительности некоторые ЦСП используют модифицированную или супегар- вардскую архитектуру (SHARC, super harvad architecture computer), которая допускает обмен содержимым между памятью программ и памятью данных, что расширяет возможности устройства.

В архитектуре SHARC появились два достаточно важных компонента: кэш команд/инструкций и контроллер ввода - вывода. Важность этой «добавки» обусловлена тем, что алгоритмы цифровой обработки сигналов вообще тратят большую часть времени на циклы. Это значит, что один и тот же набор команд будет постоянно передаваться из памяти команд в ЦПУ.

Структурная блок-схема ПЦОС

Рис. 7.2 Структурная блок-схема ПЦОС

Контроллер ввода - вывода на рис. 7.2 связан с памятью данных. Здесь предусмотрены высокоскоростные последовательные и параллельные порты связи. Специальное аппаратное обеспечение позволяет передавать эти потоки данных непосредственно в память (прямой доступ к памяти, или DMA), без необходимости передавать их в регистры ЦПУ. Для ПЦОС, на рис. 7.2, характерным является наличие аппаратного умножителя (multiplier), позволяющего выполнять умножение двух чисел за один командный такт.

Общими особенностями конструктивного исполнения ПЦОС являются:

  • 1. Наличие выделенной оперативной памяти для хранения программ - это память энергонезависимая;
  • 2. Наличие выделенной оперативной памяти для хранения данных - это память энергозависимая;
  • 3. наличие функциональных блоков, которые выполняют только операцию умножения и только операцию сдвига.

Особенностью ПЦОС является наличие аккумуляторов повышенной емкости, в частности для 32-разрядного DSP разрядность аккумулятора может составлять до 80 бит. Кроме того, в DSP применяются теневые регистры для хранения результатов вычисления. Теневой регистр - это сдвоенный регистр, содержимое одного из них может быть переписано в другой (дублирование, синхронизация) за один такт.

Программы для DSP разрабатываются на языке программирования Ассемблер и Си. Соотношение Ассембле / Си по количеству разработчиков примерно 1:10. В целом язык Си по сравнению с Ассемблером требует больше памяти, что несколько увеличивает DSP, однако программы, написанные на С могут быть более переносимыми, чем программы, написанные на Ассемблере.

Критериями для оценки ПЦОС являются следующие.

Производительность - измеряется в терминах пропускной способности (throughput), измеряется количеством инструкций, выполняемых в единицу времени (millions in-structions per second, MIPS). Иногда учитывается задержка (latency) - время от начала обработки некоторого массива данных до завершения обработки.

Энергоэффективность - указывает на такой ограничивающий фактор при разработке ПЦОС, как потребляемая мощность. Энергоэффективность рассматривается как одна из наиболее важных целей проектирования. Для ее измерения обычно применяется метрика, определяемая как количество миллионов операций в секунду на один ватт потребляемой мощности {MIPS/W).

Площадь кристалла МПр и общая стоимость разработки тесно связаны между собой по следующим причинам:

  • -стоимость разработки, как правило, определяется сложностью разрабатываемого устройства, т.е. количеством транзисторов, входящих в его состав, а, следовательно, его площадью;
  • -стоимость изготовления назначается полупроводниковыми фабриками пропорционально площади спроектированного кристалла;
  • -цена выпускаемых микросхем зависит от % выхода годных кристаллов; этот процент в свою очередь, определяется площадью кристалла.

Рассмотрим характеристики ПЦОС TMS320C2x. Этот ПЦОС обладает следующими особенностями:

  • - выполнение умножения и сохранения результатов за один командный цикл;
  • - наличие четырехстадийного (четырехкаскадного) конвейера;
  • - наличие команд, поддерживающих вычисления с плавающей точкой;
  • - наличие внутреннего ПЗУ программ (ROM) размером 4Кслов для TMS320C25 или ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (EPROM) 4Кслов для TMS320E25;
  • - выполнение программ осуществляется чтением из памяти программ RAM, расположенной на кристалле процессора;
  • - объем памяти программ RAM — 544 машиных слова, из которых 256 машиных слов могут быть использованы как память данных;
  • - расширяемая внешняя память может иметь объем 128Кслов (64К слов на память программ, 64К слов на память данных);
  • - реализована возможность перемещения содержимого памяти данных и памяти программ блоками;
  • - реализована возможность организации циклов ожидания при доступе к «медленной» внешней памяти ОЗУ или внешним устройствам;
  • - содержит на кристалле таймер и последовательный порт ввода/вывода;
  • - микросхема ПЦОС включает пять (TMS320C20) или восемь (TMS320C25) вспомогательных регистров и специальное арифметическое устройство для них;
  • - наличие режима прямого доступа к памяти DMA (только для МПр TMS320C25).

Простейший ПЦОС TMS320C20x имеет производительность до 40 миллионов операций в секунду, время машинного цикла составляет 200 нс, ЦПУ процессора 16-ти разрядное, АЛУ - 32-х разрядное, аккумулятор - 32-х разрядный. Имеются схемы сдвига (shifters), умножитель, встроенная энергонезависимая Flash-память ёмкостью 32К слов, где длина слова равна 16 разрядам.

Скорость обмена с внешними устройствами (ЦАП, АЦП) через синхронный последовательный порт составляет до 20 Мбит/сек, буфер ввода/вывода имеет 4 места в очереди, которая обслуживается по дисциплине FIFO (первый пришёл - первый ушёл) с 8-ю и 16-ю разрядными данными. Имеется внутренний генератор тактовой частоты, который может использовать внешние опорные частоты для синхронизации.

Рассмотрим далее особенности реконфигурируемой гарвардской архитектуры, которая описана А.А. Беляевым.

Масштабируемость ПЦОС предполагает возможность в рамках заданной архитектуры, изменять отдельные параметры и функциональные возможности разрабатываемого ПЦОС. В частности, изменяется объем памяти программ и памяти данных; производительность (число операций, выполняемых процессором за один такт); число фаз конвейера.

Реконфигурируемость означает выполнение операций не только над скалярными, но и над векторными данными, представленными в форматах 16/32/64/128 бит с фиксированной и плавающей точкой. Указанные возможности реализуются при помощи реконфигурируемого тракта обработки данных.

В DSP-ядре Е1соге-30 российского производства имеется возможность перераспределения общего заданного объема памяти между памятью программ и данных. Таким образом, в указанном процессорном ядре реализована реконфигурируемая гарвардская архитектура.

Эффективное взаимодействие в составе «системы-на-кри- сталле» предполагает возможность встраивания и эффективного взаимодействия DSP-ядер в составе системы на кристалле обеспечивают следующие архитектурные решения:

  • - применение стандартных интерфейсов;
  • - двухпортовая память программ и данных, что позволяет производить обмен данными на фоне выполнения программ;
  • - аппаратные поддержка синхронизации вычислительных потоков;
  • - Система поддержки входящих и исходящих прерываний.

В реконфигурируемой гарвардской архитектуре ПЦОС память программ PRAM динамически отделена от памяти данных, причем память данных также разделена на две области (XRAM и YRAM) и адресуется двумя указателями, что позволяет в течение одного процессорного такта выполнять чтение инструкции и из- влечение/запись двух операндов.

Наиболее гибко ресурсы памяти могут использоваться в архитектуре DSP-ядра Elcore-ЗОМ, имеющего подвижную границу между памятью программ и данных - данное ядро имеет реконфигурируемую гарвардскую архитектуру. Характеристики такого ПЦОС по данным на 2012 г. показаны в таблице 7.1 (по данным А.А. Беляева).

Таблица 7.1 Характеристики ПЦОС Elcore

Основные технические характеристики DSP-ядер серии Е1соге-хх

DSP-ядро

Входит в состав м/схемы

Память

программ

Память

данных

Технология,

нм

Рабочая

частота.

МГц

Производительность, млн. операций в секунду

плав, точка, 32 р.

фикс, точка. 32 р.

фикс.

точка.

16 р.

Elcore-14

1892ВМЗТ

4Кх32

36Кх32

250

80

240

320

640

Е1соге-24

1892ВМ2Я

4Кх32

40Кх32

250

80

480

640

1280

Е1соге-26

1892ВМ4Я 1892ВМ5Я

4Кх32

16Кх32

250

100

600

800

1600

Е1соге-28

1892ВМ7Я

8Кх32

32Кх32

180

250

1500

2000

6000

Е1соге-09

1891ВМ7Я

8Кх32

32Кх32

90

500

3000

4000

12000

Elcore-ЗОМ

1891ВМ10Я

8Кх32

32Кх32

130

300

1800

2400

7200

Сравнение ПЦОС отечественного производства и ПЦОС иностранного производства приведено в таблице 7.2.

Таблица 7.2 Сравнительные характеристики ПЦОС

Процессор

Фирма

Технология,

нм

Тактовая

частота,

МГц

Потреб.

МОЩНОСТЬ,

Вт

Пр о изв од ите ль н о сть

Конвейер, число фаз

(уст./исп.)

MOPs (16 р) (MMACs)

MFLOPs

1892ВМЗТ

НПЦ «ЭЛВИС»

250

80

0,8

640

240

3 (2/1)

1892ВМ2Я

НИЦ «ЭЛВИС»

250

80

1,0

1280

480

3 (2/1)

1892ВМ4Я

НПЦ «ЭЛВИС»

250

100

1,2

3200

1200

4 (3/1)

1892ВМ5Я

НПЦ «ЭЛВИС»

250

100

1,2

3200

1200

4 (3/1)

TMS320C6701

Texas Instruments

180

166

1,1

1333

1000

И (6/5)

1892ВМ7Я

НПЦ «ЭЛВИС»

130

250

2,4

24000

8000

7(4/3)

ADSP-21469

Analog Devices

130

450

1,5

900 MMACs

2700

10(6/4)

TMS320C6713

Texas Instruments

130

300

1,2

2400

1800

И (6/5)

ADSP-TS201S

Analog Devices

130

600

3,5

14400

3600

10(6/4)

ADSP-TS203S

Analog Devices

130

500

2,2

12000

3000

10(6/4)

1892ВМ10Я

НПЦ «ЭЛВИС»

130

250

1,2

16000

4000

7(5/2)

1891ВМ7Я (Эль брус-2 С+)

ЗАО «МЦСТ» НТЩ «ЭЛВИС»

90

500

25

48000*»

12000 *>

7(5/2)

1892ВМ11Я

НПЦ «ЭЛВИС»

65

500

1,0

32000

8000

7(5/2)

TMS320C6655

Texas Instruments

40

1250

3,1

40 GMACs

20000

11 (6/5)

TMS320C6657

Texas Instruments

40

1250

4,4

80 GMACs

40000

11 (6/5)

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >