DSP (Digital Signal Processor)

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 11:28, 9 апреля 2016.
Digital Signal Processor

DSP (Digital Signal Processor) (в переводе с английского языка, означает цифровой сигнальный процессор (ЦСП) или, его еще называют, как сигнальный микропроцессор (СМП) с его архитектурой, оптимизированной для оперативных потребностей цифровой обработки сигналов) - специализированный микропроцессор, особенностью работы которого является поточный характер обработки больших объемов данных в реальном масштабе времени и, обычно, с интенсивным обменом данных с другими внешними устройствами. (Нужен для преобразования сигналов, представленных в виде цифр, как правило, в режиме реального времени).

Реальный масштаб времени (реальное время работы, Real Time Scale) – это такой режим работы устройства, при котором регистрация и арифметическая обработка (а при необходимости и анализ, визуализация, сохранение, систематизация, синтез и передача по каналам связи) данных производится без потерь информации, поступающей от ее источника

Описание

Цель DSP

Цель DSP состоит в том, чтобы обычно измерять, фильтровать и/или сжимать непрерывные реальные аналоговые сигналы. Большинство микропроцессоров общего назначения могут также успешно выполнить алгоритмы цифровой обработки сигналов, но у выделенного DSP обычно есть лучшая степень эффективности, таким образом, они более подходят в портативных устройствах, таких как мобильные телефоны, из-за ограничений потребляемой мощности. DSP часто использует специальную архитектуру памяти, которая в состоянии выбрать многократные данные и/или инструкции одновременно.

Типичная система цифровой обработки

Цифровая обработка

Алгоритмы цифровой обработки сигналов обычно требуют быстрое выполнение большого количество математических операций и неоднократность на ряде выборок данных. Сигналы (возможно, от аудио или видео) постоянно преобразовываются из аналогового в цифровой сигнал, используются в цифровой форме, и затем преобразовываются назад в аналоговую форму. У многих приложений DSP есть ограничения на задержку; т.е. для системы, чтобы функционировать, операция DSP должна быть завершена в некотором установленном времени и задержана, обработка не жизнеспособна.

Преимущества DSP

Большинство микропроцессоров общего назначения и операционных систем могут успешно выполнить алгоритмы DSP, но не подходят для использования в портативных устройствах, таких как мобильные телефоны из-за ограничений эффективности питания. А специализированный, цифровой сигнальный процессор, однако, имеет тенденцию предоставлять решение меньшей стоимости, с лучшей производительностью, более низкой задержкой и без необходимости специализированного охлаждения или больших батарей.

Архитектура

Архитектура цифрового сигнального процессора оптимизирована в частности для цифровой обработки сигналов. Наиболее также поддерживаются некоторые функции, как процессор приложений или микроконтроллер, так как обработка сигналов редко - единственная задача системы. Некоторые полезные функции оптимизации алгоритмов DSP описаны в общих чертах ниже.

Архитектура и ее особенности

Архитектура ЦСП имеет ряд особенностей, в отличии от микропроцессоров общего применения. Она заключается в максимальном ускорении выполнения однотипных задач по цифровой обработке сигналов (поиск сигналов, преобразование Фурье и т.п.). В математике такие задачи приводятся к более простым по правилу "разделяй и властвуй". В нашем случае таким типом подзадач является поэлементное произведение элементов многокомпонентных векторов действительных чисел(это числа, которые могут быть записаны в виде конечной или бесконечной (периодической или непериодической) десятичной дроби.) и последующему суммированию результатов произведения.

Исходя из этого, процессоры специально оптимизируют под определенные операции(в нашем случае под перемножение и суммирование). В следствии чего растет производительность и быстродействие. Первоочередно ЦСП направлены на многократное умножение с очень быстрым расчетом адресов перемножаемых элементов массивов:

  1. "Умножение с накоплением"(как правило, реализована аппаратно и выполняется за один машинный цикл) (M = M + X × Y), где M, X и Y — элементы действительных массивов с автоматическим расчетом адресов элементов массивов. (MAC)
  2. Аппаратная реализация многократного повторения заданного набора команд.
  3. Использование нескольких портов обращения к памяти DSP для одновременного(за один машинный такт) выбора команд и двух аргументов операции для быстрого выполнения умножения с накоплением.
  4. Способность к векторно-конвейерной обработки при помощи генераторов адресных последовательностей.

Однако архитектура изменялась из-за ограниченности аппаратных ресурсов первых ЦСП. Память делилась на независимые сегменты, детерминированная работа команд(время выполнения известно) дала начало планированию работы в реальном времени, из-за маленького конвейера несанкционированные переходы происходят гораздо быстрее чем в универсальных, редкий набор регистров и инструкций.

Архитектура программного обеспечения

По стандартам процессоров общего назначения, системы команд DSP часто некорректны. Один смысл для архитектуры программного обеспечения - то, что оптимизированные руками подпрограммы ассемблерного кода, обычно, упаковываются в библиотеки для повторного использования, вместо того, чтобы полагаться на усовершенствованные технологии компилятора, чтобы обработать существенные алгоритмы.

Цифровые сигнальные процессоры иногда используют жестко фиксированное по времени кодирование, чтобы упростить аппаратные средства и эффективность кодирования умножения. Многократные арифметические модули могут потребовать, чтобы архитектура памяти поддерживала несколько выполнений за командный цикл. Специальные средства управления циклом, такие как архитектурная поддержка выполнения нескольких командных слов в очень трудном цикле, без издержек для вызовов команды или тестирования выхода.

Аппаратная архитектура

Архитектура памяти

DSP обычно оптимизируется под потоковую передачу данных и использует специальную архитектуру памяти, которая в состоянии выбрать многократные данные и/или инструкции одновременно, такие как Гарвардская архитектура или измененная архитектура фон Неймана, которые используют отдельную программу и памяти данных (иногда даже параллельный доступ на многократных шинах данных).

DSP может иногда полагаться на поддержку кода, чтобы знать об иерархиях кэша и связанных задержках. Это - компромисс, который допускает лучшую производительность. Кроме того, используется широкое применение прямой доступ к памяти.

Адресация и виртуальная память

DSPS часто использует многозадачные операционные системы, но не имеет никакой поддержки виртуальной памяти или защиты. Операционные системы, которые используют виртуальную память, требуют большего количества времени для переключения среди процессов, которое увеличивает задержку.

  • Аппаратные средства адресации по модулю
    • Разрешает реализацию круговых буферов, без необходимости тестировать на упаковку
  • Бит-реверсная адресация, специальный способ адресации
    • Полезно для вычисления быстрого преобразования Фурье
  • Исключение блока управления памятью
  • Модуль вычисления адреса памяти

Примеры: TMS320Cхххх, ADSP-21XX

Рис. 1. Архитектура процессоров семейства ADSP-218x

Особенности ЦСП

Характерные особенности ЦСП (DSP):

  • оперативные запоминающие устройства, постоянное запоминающее устройство;
  • интерфейсы как последовательный, так и параллельный;
  • схема обработки прерываний;
  • центральный пункт управления оптимизировано для многократно повторяющихся математических операций в реальном масштабе времени.

Основные параметры ЦСП

Основные параметры ЦСП:

  1. Тип арифметики(с фиксированной/плавающей точкой).
  2. Разрядность данных(для фиксированной/плавающей - 16/32 бита, соответственно).
  3. Быстродействие.
  4. Тактовая частота(внутренняя и/или внешняя) и Время командного цикла(время выполнения одного этапа команды).
  5. Количество выполняемых команд за единицу времени.
  6. Количество выполняемых операций за единицу времени (MIPS).
  7. Количество выполняемых операций с плавающей точкой за единицу времени.
  8. Количество выполняемых операций умножения с накоплением за единицу времени.
  9. Виды (RAM и флэш-память) и объём внутренней памяти(сколько данных ЦСП может обработать без обращения к внешней памяти).
  10. Адресуемый объём памяти.
  11. Количество и параметры портов ввода-вывода.
  12. Состав внутренних дополнительных устройств(таймеры, компрессоры и тд).
  13. Напряжение питания и потребляемая мощность.
  14. Состав и функциональность средств разработки и поддержки.
  15. Перечень языков программирования, для которых есть компиляторы под данную систему;
  16. Наличие и возможности средств отладки готовых программ;
  17. Доступность документации и технической поддержки;
  18. Наличие библиотек стандартных подпрограмм и математических функций;
  19. Наличие, доступность и возможности совместимых устройств — АЦП, ЦАП, контроллеры питания и т. д.
  20. Допустимые параметры окружающей среды.
  21. Другие, в зависимости от назначения.

Сферы применения

Выделяют достаточно много сфер применения ЦСП.

Сферы применения DSP:

  1. Коммуникации (Кодирование информации и/или уплотнение каналов(спектральное))
  2. Распознавание чего-либо
  3. Анализатор спектра (прибор для наблюдения и измерения относительного распределения энергии электрических (электромагнитных) колебаний в полосе частот) и т.д.

Зачастую, это сферы, где необходима быстродействующая обработка каких либо сигналов (информации).

История

До того, как появились микросхемы DSP, множество приложений DSP были реализованы, используя секционные микропроцессоры. BS Chip(разрядно-модульный кристалл) AMD 2901 со своим набором компонентов пользовался популярностью. AMD также создавала аналогичные модели, однако, очень часто обнаруживались характерные особенности конкретной разработки. Эти секционные архитектуры временами содержали периферийную микросхему множителя. Примерами этих множителей был ряд от TRW, включая TDC1008 и TDC1010, некоторые из которых включали аккумулятор, обеспечивая необходимую функцию умножения с накоплением (MAC) .

В 1976г. году Ричард Уиггинс предложил концепцию "Speak & Spell" Полу Бредлову, Ларри Брантингхаму, и Джину Францу в научно-исследовательском центре Texas Instruments (Даллас). Два года спустя, в 1978г., они создали первую "Speak & Spell" с технологической главной центральной частью, являющейся TMS5100, как первый цифровой сигнальный процессор отрасли. Это также влекло другие этапы, будучи первой микросхемой, для использования кодирования с линейным предсказанием, чтобы выполнить речевой синтез.

В свою очередь, Intel 1978г. производил "процессор аналогового сигнала"-2920. Он включал конвертер из аналогового сигнала в цифровой и обратно, на микросхеме с встроенным внутрь сигнальным процессором, но он не обладал аппаратным множителем и не пользовался спросом на рынке. В 1979г. AMI выпускал периферийный прибор обработки данных-S2811. Он создавался, как связующее устройство микропроцессора, со способностью настройки владельцем. S2811, аналогично, не пользовался спросом на рынке.

В 1980г. реализован первый автономный процессор: DSP – NEC µPD7720 и AT&T DSP1 – были представлены на МК(Международной Конференци) Твердотельных схем '80. Эти два процессора вдохновили исследование в телекоммуникациях PSTN.

АльтамираDX1 - другое раннее DSP, используемое квадрафонические целочисленные конвейеры с задержанными ответвлениями и предсказаниями ветвлений.

TMS32010 - еще один ЦСП, произведенный Texas Instruments (TI), и представленный в 1983г., обладал большим успехом. Он основывался на Гарвардской архитектуре, и так содержал индивидуальную инструкцию и память данных. Он обладал специальной системой команд с инструкциями: загрузка с накоплением или умножение с накоплением. Он умел работать над 16-ти разрядными числами и для умножения на это требовалось 390 нс. TI - теперь лидер рынка в ЦСП общего назначения.

Около пяти лет назад начало распространяться 2-е поколение ЦСП. У них было 3-и памяти для хранения 2-х операндов в одно и то же время, и включали аппаратные средства, для ускорения сложных циклов, а также существовал наименьший адресуемый элемент, способный к адресации цикла. Какие-то из них управляются на 24-х-разрядных переменных и похожей модели, но для MAC затратилось 21 нс. Это такие устройства, как: AT&T DSP16A, Motorola 56000.

Основное улучшение 3-го поколения - разработка специальных модулей и инструкций в канале передачи данных, или редкое использование в роли сопроцессоров. Эти модули позволили достаточно сильное прямое аппаратное ускорение, определенных, но тяжело решаемых математических проблем, как преобразование Фурье или операции над матрицами. Некоторые микросхемы, как Motorola MC68356, даже включали больше, чем одно ядро процессора, для параллельной работы.

Четвертое поколение лучше всего характеризуется изменениями в системе команд и кодировании/декодировании инструкции. Были добавлены расширения SIMD, VLIW и появились суперскалярная архитектура. Как всегда, тактовые частоты увеличились, MAC потребовал 3 нс.

Источники