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

1.2. Цифровые процессоры обработки сигналов семейства TMS320
1.2.1. Особенности цифровой обработки сигналов

Устройства цифровой обработки сигналов преобразуют входной сигнал с помощью средств вычислительной техники в соответствие с заданной задачей и заданным алгоритмом обработки.
Обобщенная структурная схема устройства ЦОС может быть представлена в следующем виде (рис. 1.2):

######

###### Рисунок 1.2 – Обобщенная структурная схема устройства ЦОС

АЦП осуществляет дискретизацию входного сигнала x(t) по времени и квантование выборочных значений сигнала, следующих с периодом Тд, по уровню.
Выходной цифровой сигнал x(nТд) с АЦП в виде последовательного или параллельного кода поступает на вход цифрового вычислителя (ЦВ). На выходе ЦВ формируется цифровой сигнал y(nТд) в соответствие с некоторым алгоритмом цифровой обработки А: y(nТд) = A[x(nТд)].
ЦАП и схема сглаживания (СС) служат для преобразования цифрового сигнала y(nТд) в выходной аналоговый сигнал y(t).
ЦОС имеет некоторые общие особенности:

- большой объем вычислений;
- работа в реальном времени;
- обработка оцифрованных данных;
- гибкость системы ЦОС.

В качестве примера ЦОС рассмотрим алгоритм цифровой фильтрации.
Алгоритм работы цифрового фильтра в общем виде определяется выражением

######

где y(nТ) – выходная последовательность, x(nТ) – входная последовательность, ak, bk – коэффициенты, описывающие конкретную систему.
Таким образом, цифровой фильтр есть просто линейная комбинация равноотстоящих отсчетов x(n-k) некоторой функции x(n) и ранее вычисленных выходных значений y(n).
Анализ алгоритма ЦФ показывает, что основным алгоритмическим элементом является операция вычисления суммы произведений некоторых пар чисел.
Еще одним алгоритмом ЦОС является алгоритм БПФ, который также использует операцию суммирования произведений и двоичную перестановку данных.
Помимо большого объема вычислений алгоритмы ЦОС должны выполняться в реальном времени. Это означает, что ЦОС должна осуществляться без пропусков и задержек, заметных пользователю.
Чтобы обработка могла осуществляться посредством цифровых процессоров, соответствующую прикладную задачу следует уложить в рамки дискретной системы.
Таким образом, ЦПС должны удовлетворять следующим основным требованиям:

- применение гарвардской архитектуры:
- широкое использование конвейерного режима работы;
- наличие специализированного аппаратного устройства умножения;
- существование специальных команд для ЦОС.

1.2.2. Эволюция процессоров семейства TMS320 и их основные технические характеристики

Всем этим требованиям удовлетворяют процессоры семейства TMS320 производства фирмы Texas Instruments, мирового лидера в области компонентов для устройств на базе цифровых процессоров сигналов (ЦПС).
Первый процессор TMS32010 появился в 1982 году (рис. 1.3). Данные, команды и 8 селектируемых параллельных интерфейсов имеют 16-битвую ширину данных. Высокая арифметическая производительность TMS32010 достигается наряду с его внутренней гарвардской структурой также за счет последовательной структуры потока данных в арифметическом узле.
Потоки данных с умножителя (16 x 16 = 32 бит), 32-битовые АЛУ и аккумулятор, включая сдвиговый регистр, делают возможным высокопроизводительную поточную обработку.

######

###### Рисунок 1.3 – Эволюция процессоров семейства TMS320

Следующее, второе поколение процессоров фирмы Texas Instruments включает в себя следующие модели TMS32020, TMS320C25, TMS320C26.
Несмотря на сохранение структуры TMS32010, главным образом арифметического узла с 16-битовым умножителем, 32-битовых АЛУ и АСС, его производительность существенно повышена путем расширения существующих функциональных групп и интерфейсов:

- расширение встроенного ОЗУ, являющегося составной частью адресного пространства в 64к слов;
- возможность мультипроцессорной обработки;
- реализация последовательных двунаправленных каналов.

ЦПОС TMS320C25 - новая КМОП-версия фирмы Texas Instruments, совместимая с TMS32020. Путем удвоения тактовой частоты до 40 МГц достигается время командного цикла около 100 нс. Развитие TMS320C25 по отношению к своим предшественникам связано, прежде всего, с расширением имеющихся функциональных блоков.
ЦПОС TMS320C30 относится к 3-му поколению ЦПОС фирмы Texas Instruments. Это первый процессор в семействе TMS320 с плавающей запятой. Его время командного цикла составляет всего 60 нс. По своей структуре он существенно отличается от своих предшественников.
Существенная разгрузка CPU достигается за счет организации передачи данных через контроллер ПДП. Он обслуживает каналы передачи данных через периферийную шину независимо от выполнения программы в CPU.
CPU также обладает параллельной шинной структурой для параллельной адресации и подготовки данных для АЛУ и умножителя. 32-битовый параллельный умножитель обрабатывает данные в 16- и 32-битовом формате с фиксированной или плавающей запятой в пределах одного командного цикла. В соединении с расширенными регистрами (40 бит) результаты перемножения могут быть запомнены в 40-битовом формате с плавающей запятой (32Е8) или переданы в АЛУ для дальнейшей обработки. Данный процессор имеет производительность CPU в 16,7 MIPS и 33 MFLOPS.
В настоящее время фирма Texas Instruments поддерживает три основных платформы сигнальных процессоров:
TMS320 C6000 - Самые мощные серийно выпускаемые сигнальные процессоры на сегодняшний день в мире. Производительность процессоров данной платформы с плавающей запятой достигает 1000 MFLOPs (С67х) и 4800 MIPs с фиксированной запятой (С62х, С64х).
TMS320 C5000 - Процессоры предназначены для применений в устройствах, в которых критична как производительность, так и потребляемая мощность. Могут использоваться как в портативных устройствах, так и в мощных стационарных вычислителях цифровой обработки сигналов. Данная платформа содержит два семейства: С54х и С55х.
TMS320 C2000 - Основное назначение процессоров данной платформы - управление сложными электроприводами и элетродвигателями. Они содержат для этого весь необходимый набор периферии: многоканальные АЦП, ШИМ, последовательные порты, имеют большой объем FLASH памяти. Существуют два семейства данной платформы это С24х и новое высокопроизводительное С28х.

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