ЭУМК по дисциплине "Проектирование проблемно-ориентированных вычислительных средств" › Теория › Тема 1. История развития цифровых процессоров обработки сигналов

# Электронный учебно-методический
комплекс по дисциплине
"Проектирование проблемно-ориентированных вычислительных средств"

для специальности

1-40 02 02 «Электронные вычислительные средства»

Оглавление | Программа | Теория | Практика | Контроль знаний | Об авторах

РАЗДЕЛ 1.
ЦИФРОВЫЕ ПРОЦЕССОРЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
Тема 1. История развития цифровых процессоров обработки сигналов
1.1. Введение
1.1.1. Цели и задачи дисциплины, основные понятия и определения

Дисциплина «Проектирование проблемно-ориентированных вычислительных средств» является одной из основных дисциплин специализации и направлена на подготовку специалистов в области проектирования и эксплуатации вычислительных средств, ориентированных на решение определенного класса задач. Она предусматривает изучение как основ организации и построения проблемно-ориентированных процессоров, так и построения специализированных вычислительных средств и систем на их основе. Целью дисциплины является изучение студентами принципов организации, построения, функционирования проблемно-ориентированных вычислительных средств и их структурных компонентов, а также знакомство со специальными командами, ориентированными на цифровую обработку сигналов. Содержание курса включает сведения о принципах организации, основах построения, функционирования и программирования цифровых процессоров обработки сигналов (ЦПОС) и проектировании вычислительных средств (ВС) на их основе. Курс является базовым для последующего изучения дисциплины «Программирование проблемно-ориентированных вычислительных средств реального времени». Содержание дисциплины должно найти отражение в дипломных проектах.

Задачи изучения дисциплины:

- формирование у студентов технического мышления;
- получение практических навыков проектирования проблемно-ориентированных вычислительных средств.

В результате изучения дисциплины студенты должны:

знать:

- структуру и архитектурные особенности цифровых процессоров обработки сигналов;
- системы команд и основы программирования цифровых процессоров обработки сигналов;
- принципы построения проблемно-ориентированных вычислительных средств;;

уметь:

- ориентироваться в принципах работы конкретных проблемно-ориентированных микропроцессоров;
- разрабатывать программы для проблемно-ориентированных микропроцессоров;
- использовать специализированные микропроцессоры при проектировании проблемно-ориентированных вычислительных средств;

иметь представление о:

- основах построения систем цифровой обработки сигналов;
- современном уровне и перспективах развития ЦПОС;

владеть методами проектирования ВС на базе ЦПОС;

иметь опыт разработки программ для ЦПОС, их отладки, проектирования специализированных вычислительных систем.

Программа дисциплины рассчитана на три семестра и включает 80 часов лекций (48 часов в первом семестре и 32 часа во втором), 32 часа практических занятий (по 16 часов в первом и втором семестре), 32 часа лабораторных работ (по 16 часов в первом и втором семестре) и курсовой проект в третьем семестре.
В конце первого и второго семестров – экзамен, третьего – защита курсового проекта.
Поскольку, как следует из названия курса, мы будем рассматривать вычислительные системы, ориентированные на решение определенной проблемы, то в рамках небольшого курса не возможно охватить все такие системы. Поэтому мы остановимся на одном классе таких систем, который получил в последнее время широкое распространение, а именно на цифровой обработке сигналов и процессорах, ориентированных на решение данного класса задач.
Цифровые процессоры обработки сигналов, обозначаемые в дальнейшем как ЦПОС (или ЦПС, или DSP), обеспечивают по сравнению с универсальными микропроцессорами существенно более высокую производительность в силу своей специфической, ориентированной на обработку сигналов структуры и соответствующего набора команд.
Быстрое исполнение команд арифметических операций за один такт, параллельное вычисление адреса в блоке вычисления адреса, возможность мультипроцессорного режима и последовательный интерфейс открывают широкие возможности для использования ЦПОС в обработке сигналов и новые области применения цифровой техники в промышленности и бытовой электронике, в которых до недавнего времени доминировала аналоговая техника.
К областям применения процессоров обработки сигналов можно отнести следующие:

1. автоматизация (системы регулирования и управления),
2. техника связи,
3. информационная техника (обработка изображений, распознавание речи),
4. измерительная техника (спектральный анализ, преобразования сигналов).

Эти области применения часто характеризуются тем, что они ставят особенно высокие требования к системе по пропускной способности обработки данных и работы в реальном времени.
В связи со сложной структурой этих процессоров качество разработанного программного обеспечения (особенно его целевая ориентация на оптимальное использование отдельных функциональных блоков ЦПОС) оказывает значительное влияние на производительность всей системы.

1.1.2. Предыстория разработки универсальных цифровых процессоров обработки сигналов

Математические основы цифровой обработки сигналов уже давно известны. Вплоть до 60-х годов применение знаний по цифровой обработке сигналов ограничивалось малым числом задач, решаемых с использованием больших цифровых ЭВМ.
Большая часть задач реального времени могла быть решена, если вообще это было возможно, только на аналоговых вычислительных машинах. Как пример можно назвать операцию интегрирования при помощи операционного усилителя. Это преимущество аналоговой техники еще сегодня используется для некоторых задач реального времени. Основными недостатками аналоговой техники были и остаются ограниченная точность, сложность и малая гибкость.
Развитие микропроцессорной техники в начале 70-х годов сделало возможным существенный рост производительности цифровых схем, а также их миниатюризацию и децентрализацию вычислительной техники. Это были существенные предпосылки для стремительного использования цифровой техники для обработки сигналов.
Все это привело к усовершенствованию универсальных микропроцессоров, широкое использование которых при их массовом производстве обуславливает относительно низкие цены на продукцию. С другой стороны начали разрабатываться специальные схемы высокой интеграции, структура которых оптимизирована для определенных областей применения и которые обеспечивают существенно более высокую производительность в этих областях по сравнению с универсальными микропроцессорами.
Универсальные процессоры характеризуются тем, что вычисление и задание адреса данных и команд происходят в тех же АЛУ и шинах адреса и данных. Такие процессорные структуры называют фон-неймановскими.
Они характеризуются непрерывной обработкой всех операций, что обусловлено общим адресным пространством для данных и команд. Оно приводит к меньшим внутренним и внешним аппаратным затратам и применяется поэтому в большинстве универсальных микропроцессоров.
Необходимая для сигнальной обработки пропускная способность может быть достигнута только путем разделения адресации команд и данных. В соответствии с этим в гарвардской архитектуре данные и команды расположены в различных адресных пространствах для того, чтобы сделать возможным параллельное чтение команд и данных. Наряду с раздельной памятью эта архитектура требует двойную структуру шин (шина данных и программная шина). Благодаря организации внутренней последовательности машинных циклов команды (конвейер) производительность может быть почти удвоена при той же вычислительной мощности АЛУ.
Более эффективное использование АЛУ и тем самым повышение производительности вычислений достигается, если внешние интерфейсы согласованы с АЛУ. Исходя из 3-х интерфейсов данных АЛУ (два входа и один выход), для обеспечения максимальной пропускной способности требуется передача данных и команд через 4 отдельные шины шину команд, две шины входных данных и одну шину выходных данных с соответствующими адресными генераторами.
Модифицирование базовой гарвардской структуры путем введения коммутатора шин между шинами данных обоих адресных пространств обеспечивает более высокую гибкость выполнения программы и передачи операндов в АЛУ.
В 1979 г. фирма Intel объявила о создании первого сигнального процессора I2920. В Советском Союзе выпускался аналог данного ЦПОС - КМ1813ВЕ1, отличающийся рядом важных усовершенствований (рис.1.1а). Область применения - обработка речевых сигналов. Необходимые для этого функциональные группы сигнального процессора: аналоговые входы и выходы со своими преобразователями, цифровая часть обработки, были расположены на одном кристалле и обеспечивали минимальное внешнее аппаратное обрамление.

######

###### Рисунок 1.1 – Микросхемы цифровых процессоров обработки сигналов

Таким образом, в ЦПОС I2920 цифровая обработка сигналов может проводиться параллельно с аналого-цифровым и цифро-аналоговым преобразованием.
Функционально завершенное решение для генерирования команд, цифровой обработки и аналоговых входов и выходов обеспечивает с одной стороны построение узлов с минимальными аппаратными затратами, но с другой стороны ограничивает производительность АЛУ для больших массивов данных и универсальность процессора из-за использования аналоговых входов и выходов. Производительность первого ЦПОС была ограничена

- временем командного цикла в 400 нс,
- оследовательным исполнением команд без ветвлений,
- малой скоростью ввода данных из-за итерационного метода аналого-цифрового преобразования,
- отсутствием быстрого умножителя.

Тем самым использование ЦПОС I2920 ограничивалось в основном обработкой низкочастотных аналоговых сигналов.
Потребность в существенно более быстрых ЦПОС привела к созданию цифровых ЦПОС со встроенными мультиплексорами и быстродействующими входами и выходами при отсутствии медленных функциональных аналоговых групп.
1.1.3. Свойства и структуры ЦПОС

Многообразие алгоритмов цифровой обработки сигналов, в особенности большое число разнообразных операций фильтрации и преобразований, требует наряду с различными комбинациями арифметических команд также специфического доступа к данным. Примером может служить известный алгоритм "бабочки" для быстрого Фурье-преобразования. Отсюда возникают различные требования к внутренним структурам и интерфейсам ЦПОС.
Универсальные ЦПОС в отличие от выше упомянутых ориентированы на общие требования цифровой обработки сигналов. Они обладают структурой, позволяющей реализовать разнообразнейшие алгоритмы и максимальную пропускную способность арифметического устройства. Кроме всего прочего для этого необходимо:

- функциональные быстродействующие арифметические группы, особенно умножитель,
- специальные регистры и вычислители для манипуляции адресами и данными без использования аккумулятора или АЛУ,
- внутренняя или полная гарвардская структура.

По аналогии с универсальными микропроцессорами ЦПОС, как правило, обладают полной системной шиной для подключения внешней памяти и адресации интерфейсов ввода-вывода. Поэтому эти процессоры могут быть использованы как автономные, причем часто возможно их применение в мультипроцессорных системах.
Первые ЦПОС, имеющие арифметику с фиксированной запятой характеризовались

- 16-битовой арифметикой с фиксированной запятой,
- адресным пространством до 64к слов.

Отсутствие 32-битовых АЛУ и АСС с соответствующими 32-битовыми шинами, а также 16-битового параллельного интерфейса, обуславливает ограниченную производительность этого ЦПОС и его последующую замену новыми разработками.
В ЦПОС TMS32010 (рис.1.1б) фирмы Texas Instruments уже отсутствуют указанные выше ограничения в структуре.
Универсальные свойства ЦПОС TMS32010 обусловили его широкое применение.
С дальнейшим развитием полупроводниковой технологии до середины 80-х годов происходило, прежде всего, улучшение отдельных характеристик и расширение существующих структур:

- время командного цикла;
- размер адресного пространства и внутренней памяти;
- число регистров и вычислителей адреса;
- внешние каналы связи,
- без существенного изменения структуры арифметического узла.

Другими представителями ЦПОС этого класса являются:

- TS68931 фирмы Thomson Semiconductor,
- DSP56000 фирмы Motorola (рис.1.1г),
- PC85011 фирмы Philips.

ЦПОС, имеющие арифметику с плавающей запятой осуществляют операции с плавающей запятой за время одного командного цикла с размерностью данных в 24 или 32 бита. В основном они имеют время цикла не более 150 нс и адресное пространство до 1 МБайт. Однако ЦПОС и умножители с плавающей запятой имеют специфические для каждой фирмы форматы.
Первым ЦПОС с использованием 32-битовой арифметики с плавающей запятой был mPD77230. Он имеет похожий на стандарт IEEE 754 формат представления чисел с плавающей запятой, причем знак числа стоит между порядком и мантиссой, представление и обработка данных происходит в дополнительном коде.
К другим процессорам с плавающей запятой относятся:

- DSP32 фирмы AT&T,
- 86232 фирмы Fujitsu,
- DSP96002 фирмы Motorola,
- TMS320C30 фирмы TI (рис.1.1д).

Оглавление | Программа | Теория| Практика | Контроль знаний | Об авторах
© БГУИР , 2012