Общие свойства процессоров цифровой обработки сигналов и особенности их архитектуры.
Можно выделить следующие основные свойства ПЦОС, обеспечивающие эффективную реализацию алгоритмов ЦОС:
быстрое выполнение типовых операций ЦОС;
аппаратная реализация комплексной операции умножения с накоплением (суммирование локальных произведений);
применение арифметики с фиксированной и плавающей точкой (запятой) с различной разрядностью;
параллельное выполнение отдельных частей алгоритма, которое достигается аппаратной реализацией ряда типовых алгоритмов;
большая внутрикристальная память данных и память программ;
разнообразие режимов адресации применительно к различным задачам: организация буферов, поддержка двоично-инверсной адресации в БПФ и т. д.;
обработка в реальном времени данных, поступающих с высокой скоростью;
наличие внутрикристальной периферии (последовательных и параллельных интерфейсов, портов ввода/вывода, таймеров);
малое время обращения к элементам внешней периферии.
Процессоры ЦОС для удобства можно разделить на два обширных класса: универсальные и специализированные. В число распространенных процессоров ЦОС входят, например, такие устройства с фиксированной точкой (запятой), как TMS320С54х от Texas Instruments и DSP563x Motorola, и такие устройства с плавающей запятой, как TMS320C4x (Texas Instruments) и ADSP21xxx SHARC(Analog Devices).
Существует два типа специализированных устройств:
1.Аппаратное обеспечение, разработанное для эффективного выполнения специальных алгоритмов ЦОС, таких, как цифровая фильтрация и быстрое преобразование Фурье. Устройства данного типа иногда называют алгоритмическими процессорами ЦОС.
Таблица 3.6 – Общие свойства ПЦОС
Свойства | Применение |
Быстрое умножение с накоплением | Большинство алгоритмов ЦОС (фильтрация, преобразования, спектральный анализ, нелинейная обработка и т. д.) содержат операции сложения и умножения |
Архитектура с параллельным доступом к памяти | Увеличение производительности, поскольку многие операции ЦОС, работающие с большими объемами данных, требуют чтения команд программы и многократного обращения к данным во время каждого командного цикла |
Режимы специальной адресации | Эффективная поддержка массивов данных и буферов типа PIРО ("первым вошел — первым вышел") |
Управление специальными программами | Эффективное управление циклами в многоитеративных алгоритмах ЦОС; быстрое прерывание, поддерживающее часто повторяемые команды типа ввода/вывода |
Внутрикристальная периферия и интерфейсы ввода/вывода | Внутрикристальная периферия, включающая в себя разнообразные устройства (компандеры, кодеки, таймеры, интерфейсы ввода/вывода, приспособленные к внешней периферии общего назначения и др.), позволяет разрабатывать компактные системы малой стоимости |
2. Аппаратное обеспечение, разработанные для специального приложения, например, в сфере контроля, телекоммуникаций или цифрового аудио. Устройства данного типа иногда называют процессорами ЦОС специального назначения (специализированными).
В качестве примера специализированных процессоров ЦОС можно привести процессор Cirrus CS8420 для конверторов частоты дискретизации в цифровой аудиоаппаратуре, подавитель речевого эха в многоканальной телефонии Mitel MT9300, процессор БПФ PDSP16515A и программируемый КИХ-фильтр VPDSP16256.
Все универсальные и специализированные процессоры можно построить с помощью отдельных чипов или блоков умножений, АЛУ, ячеек памяти и т.д.
Рассмотрим архитектурные особенности процессоров ЦОС, которые позволили применять цифровую обработку в реальном режиме времени во многих областях.
Общие принципы построения ПЦОС и особенности их архитектуры Термин «архитектура» обычно используется для описания состава, принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных узлов вычислительной системы. Этот термин включает в себя также изложение возможностей программирования, форматов данных, системы команд, способов адресации и т. д. Таким образом, термин "архитектура" относится как к аппаратным средствам или программному обеспечению, так и к их комбинации.
Традиционно простым примером, на котором иллюстрируются особенности алгоритмов ЦОС и процессоров ПЦОС, является алгоритм реализации КИХ-фильтра.
Выходной сигнал такого фильтра, как известно, определяется выражением
где х(п) — отсчеты входного сигнала; ak — коэффициенты фильтра.
В соответствии с алгоритмом, выборки входного сигнала умножаются на коэффициенты фильтра и суммируются. Подобные вычисления используются и во многих других алгоритмах ЦОС. Таким образом, базовой операцией ЦОС является операция умножения и добавление (накопление) результата умножения. Подобную операцию часто обозначают при описаниях мнемоникой МАС.
Для того, чтобы работать с высокой производительностью, процессор должен выполнять операцию МАС за один цикл (такт) работы процессора. Отсчеты сигнала, коэффициенты фильтра и команды программы хранятся в памяти. Для выполнения операции требуется произвести три выборки из памяти — команды и двух сомножителей. Следовательно, для работы с высокой производительностью эти три выборки необходимо произвести за один такт работы процессора. При этом подразумевается, что результат операции остается в устройстве выполнения операции (в центральном процессорном устройстве ЦПУ), а не помещается в память. В более общем случае нужна еще операция записи результата в память, т. е. необходимы четыре обращения к памяти за цикл. Таким образом, производительность процессора, прежде всего, определяется возможностями обмена данными между ЦПУ и памятью процессора и организацией их взаимодействия.
На рис. 3.7 приведена общая аппаратная архитектура процессора ПЦОС, подходящая для цифровой обработки сигналов в реальном времени. Она характеризуется следующими особенностями:
1. Многошинная структура с раздельной памятью для данных и инструкций программы. Обычно память для хранения данных содержит входные данные, промежуточные значения и выходные выборки, а также фиксированные коэффициенты, например, для цифровой фильтрации или БПФ. Команды программы хранятся в специально отведённых ячейках памяти.
2. Порт ввода-вывода позволяет обмениваться данными с внешними устройствами (АЦП, ЦАП) или передавать цифровые данные другим процессорам. Прямой доступ к памяти (ПДП), если он есть, позволяет быстро обмениваться блоками данных с памятью (ОЗУ) для хранения данных, причём обычно это происходит под внешним управлением.
3. Арифметические устройства для логических и арифметических операций, в число которых входят АЛУ, аппаратные умножители и схемы сдвига (умножители-накопители).
Такая архитектура наиболее приемлема, так как большинство алгоритмов ЦОС (фильтрация, корреляция, преобразование Фурье) включают повторяющие арифметические операции, такие, как умножение, сложение, обращение к памяти и интенсивная передача данных через центральный процессор. Архитектура стандартных микропроцессоров не предназначена для этих целей. При разработке аппаратуры ЦОС важно оптимизировать под операции цифровой обработки сигналов и аппаратную архитектуру, и систему команд. В процессорах ЦОС для этого широко используется концепция параллелизма. В частности применяются следующие средства:
- гарвардская структура;
- конвейерная обработка;
- быстрые специализированные аппаратные умножители-накопители;
- специальные команды, предназначенные для ЦОС;
- дублирование;
- встроенная кэш-память;
- расширенный параллелизм – векторная архитектура (SIMD) архитектура с командными словами сверхбольшой длинны (VLIW) и статическая суперскалярная обработка.
- Общие принципы получения информации в физических исследованиях. Основные цели обработки сигналов. Преимущества цифровых методов обработки сигналов. Примеры практического применения.
- Содержание, этапы, методы и задачи цифровой обработки сигналов. Основные методы и алгоритмы цос.
- Основные направления, задачи и алгоритмы цифровой обработки сигналов
- Дискретные и цифровые сигналы. Основные дискретные последовательности теории цос.
- Линейные дискретные системы с постоянными параметрами. Импульсная характеристика. Физическая реализуемость и устойчивость.
- Линейные разностные уравнения с постоянными параметрами, их практическое значение и решение.
- Соотношение между z-преобразованием и преобразованием Фурье
- Обратное z-преобразование и методы его нахождения: на основе теоремы о вычетах, разложение на простые дроби и в степенной ряд.
- Передаточная функция дискретных систем. Диаграммы нулей и полюсов. Условие устойчивости.
- Частотная характеристика дискретных систем. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики.
- Фазовая и групповая задержка. Цифровая частота и единицы измерения частоты, которые используются в цифровой обработке сигналов.
- Общая характеристика дискретного преобразования Фурье. Задачи, решаемые с помощью дпф. Дискретный ряд Фурье.
- Дискретный ряд Фурье
- Свойства дискретных рядов Фурье. Периодическая свертка двух последовательностей.
- Дискретное преобразование Фурье. Основные свойства.
- Общая характеристика ряда и интеграла Фурье, дискретного ряда Фурье и дискретного преобразования Фурье. Равенство Парсеваля.
- Прямой метод вычисления дпф. Основные подходы к улучшению эффективности вычисления дпф.
- Алгоритмы бпф с прореживанием по времени. Основные свойства.
- Двоичная инверсия входной последовательности для
- Алгоритмы бпф с прореживанием по частоте. Вычисление обратного дпф.
- Вычисление периодической, круговой и линейной свертки. Алгоритм быстрой свертки. Вычислительная эффективность.
- Вычисление линейной свертки с секционированием.
- Амплитудный спектр, спектр мощности. Определение и алгоритмы получения.
- Оценка спектра мощности на основе периодограммы. Свойства периодограммы. Методы получения состоятельных периодограммных оценок.
- Основные проблемы цифрового спектрального анализа. Взвешивание. Свойства весовых функций. Модифицированные периодограммные оценки спм.
- 1.6.1. Просачивание спектральных составляющих и размывание спектра
- Взвешивание. Свойства весовых функций
- Паразитная амплитудная модуляция спектра
- Эффекты конечной разрядности чисел в алгоритмах бпф
- Метод модифицированных периодограмм
- Метод Блэкмана и Тьюки получения оценки спектральной плотности мощности. Сравнительная оценка качества методов получения спм.
- Сравнение методов оценки спектральной плотности мощности
- Основные характеристики цифровых фильтров. Рекурсивные и нерекурсивные цифровые фильтры, их преимущества и недостатки.
- Структурные схемы бих-фильтров (прямая и каноническая, последовательная и параллельная формы реализации).
- Структурные схемы ких-фильтров (прямая, каскадная, с частотной выборкой, схемы фильтров с линейной фазой, на основе метода быстрой свертки).
- Проектирование цифровых фильтров. Основные этапы и их краткая характеристика.
- Расчет цифровых бих-фильтров по данным аналоговых фильтров. Этапы и требования к процедурам перехода.
- Общая характеристика аналоговых фильтров-прототипов: Баттерворта, Чебышева I и II типа, Золоторева-Каура (эллиптические). Методика применения билинейного z-преобразования.
- Эффекты конечной разрядности чисел в бих-фильтрах. Ошибки квантования коэффициентов, ошибки переполнения и округления. Предельные циклы.
- Расчет цифровых ких-фильтров: методы взвешивания и частотной выборки.
- Эффекты конечной разрядности чисел в ких-фильтрах.
- Общая структурная схема системы цос. Дискретизация сигналов. Теорема отсчетов.
- Погрешности дискретизации. Выбор частоты дискретизации в реальных условиях. Эффект наложения спектров
- Дискретизация узкополосных сигналов
- Выбор частоты дискретизации на практике
- Квантование сигналов. Погрешность квантования. Отношение сигнал/шум и динамический диапазон при квантовании сигналов. Равномерное и неравномерное квантование
- Анализ ошибок
- Отношение сигнал/шум и динамический диапазон
- Способы реализации алгоритмов и систем цос. Понятие реального времени обработки.
- Особенности цос, влияющие на элементную базу, ориентированной на реализацию цифровых систем обработки сигналов.
- Общие свойства процессоров цифровой обработки сигналов и особенности их архитектуры.
- Архитектура Фон Неймана и гарвардская архитектура в пцос. Преимущества и недостатки.
- Универсальные процессоры цос. Общая характеристика процессоров с фиксированной и плавающей точкой (запятой).
- Основные различия между микроконтроллерами, микропроцессорами и сигнальными процессорами.