Дата последнего обновления файла 15.02.2013

Особенности сигнальных процессоров

Микропроцессоры — это универсальные цифровые микросхемы, в которых вычислительный блок под управлением программы может выполнять различные действия. В результате все микропроцессоры позволяют обменять свое предельное быстродействие на сложность реализуемого алгоритма. Место микропроцессоров в классификации цифровых устройств приведено на рисунке 1.

Классификация микропроцессоров
Рисунок 1. Классификация микропроцессоров

Однако при создании цифровых устройств на микропроцессорах особенности решаемой задачи накладываются на архитектуру конкретного класса микропроцессоров. Рассмотрим основные задачи, которые приходится решать при обработке сигналов (вне зависимости от аналоговой или цифровой реализации схемы):

  1. суммирование нескольких сигналов;
  2. перенос спектра сигналов;
  3. фильтрация сигналов;
  4. вычисление спектра сигнала (быстрое преобразование Фурье);
  5. помехоустойчивое кодирование (подавление шума для аналоговых систем связи);
  6. формирование кадров (только для цифровых систем связи)
  7. скремблирование сигнала (формирование одинаковой вероятности передачи нулей и единиц)

Последние три пункта из перечисленных видов цифровой обработки сигналов осуществляются на низкой частоте, поэтому обычно для их реализации требуется небольшая часть производительности процессора. Наибольшая производительность требуется при обработке высокочастотных сигналов. Это обусловлено малым временем между соседними отсчетами сигнала. За один и тот же промежуток времени требуется большее количество простых операций.

Теперь рассмотрим две первые задачи. При суммировании сигналов для выполнения операции требуется одна команда двоичного суммирования. Операция переноса спектра входного сигнала на заданную частоту требует операцию умножения и операцию формирования очередного отсчета синусоидальной функции. Это означает, что данная операция потребует большей производительности процессора по сравнению с предыдущей операцией обработки сигналов. Теперь сравним операцию суммирования и операцию умножения. При умножении двух чисел требуется вычислить несколько частных произведений и просуммировать их. Аппаратный умножитель позволяет выполнять операцию умножения за один машинный цикл процессора, поэтому наличие аппаратного умножителя является неотъемлемой чертой сигнальных процессоров.

Теперь проанализируем процесс фильтрации сигналов. При реализации частотных фильтров во временной области приходится осуществлять операцию свёртки. Типовая схема цифрового фильтра приведена на рисунке 2.

Типовая схема цифрового фильтра
Рисунок 2. Типовая схема цифрового фильтра

Из рисунка явно прослеживается последовательность одинаковых участков алгоритма. Многократно приходится умножать цифровой отсчет сигнала на коэфициент фильтра и суммировать результат с предыдущей суммой. При этом следует отметить такую особенность сумматора, как большая разрядность. Для 16-разрядного сигнального процессора разрядность чисел на выходе умножителя будет равна тридцатидвум разрядам. При суммировании нескольких чисел тоже увеличивается разрядность результата. При суммировании 256 одинаковых чисел значение результата увеличится в 256 раз, что соответствует увеличению разрядности числа на восемь разрядов (28=256). Поэтому разрядность сумматора в 16-разрядном сигнальном процессоре будет равна сорока разрядам (32+8=40).

В результате мы сформировали еще одно требование к сигнальному процессору. Сигнальный процессор должен содержать в своем составе не просто аппаратный умножитель, а умножитель-накопитель данных (MAC). Причем операция умножения-накопления должна выполняться за один машинный цикл микропроцессора. Хотелось бы отметить тот факт, что операция умножения-накопления является составной частью не только алгоритма фильтрации, но и быстрого преобразования Фурье (половина базового алгоритма "бабочка")

Теперь поговорим еще об одном методе увеличения быстродействия сигнального процессора. В обычном процессоре применяется одношинная структура операционного блока процессора. В сигнальном процессоре применяется как минимум трехшинные структуры операционного блока процессора. Это позволяет одновременно подавать на вход арифметико-логического устройства или умножителя-накопителя два операнда и записывать результат в оперативное запоминающее устройство.

Еще одной важной особенностью микропроцессоров является способ организации циклического выполнения программы (операция умножения-накопления MAC при реализации цифрового фильтра или операция "бабочка" при реализации быстрого преобразования Фурье должны повторяться заданное количество раз). В вычислительном микропроцессоре для организации цикла используется особая переменная — параметр цикла. В конце цикла эта переменная сравнивается с заданным значением (обычно с нулем) и осуществляется переход на начало цикла. В результате алгоритм фильтрации будет выглядеть следующим образом:

  1. Сформировать адрес очередной ячейки линии задержки фильтра
  2. Считать очередной отсчет входного сигнала из линии задержки фильтра
  3. Сформировать адрес очередного коэффициента фильтра
  4. Считать очередной коэффициент фильтра
  5. Умножить отсчет входного сигнала из линии задержки на коэффициент фильтра (чаще всего за несколько машинных циклов)
  6. Просуммировать результат с уже накопленной суммой (сформировать очередной отсчет сигнала на выходе фильтра)
  7. Изменить значение переменной-параметра цикла
  8. Сравнить полученное значение с заданной величиной
  9. Перейти на начало цикла или выйти из него (обычно это длительная процедура, занимающая несколько машинных циклов)

В сигнальных процессорах организация цикла и формирование очередного адреса коэффициента и отсчета фильтра осуществляется аппаратно, поэтому не требует дополнительного времени. Все указанные особенности позволяют увеличить быстродействие сигнального процессора, не увеличивая его тактовую частоту, в результате алгоритмическое быстродействие сигнального процессора при выполнении операций обработки сигналов многократно превосходит быстродействие вычислительного микропроцессора. Перечислим отличительные свойства сигнального процессора:

  1. Наличие аккумулятора-накопителя MAC с 40-разрядным сумматором и аккумулятором
  2. Наличие аппаратного сдвигателя чисел
  3. Наличие аппаратной организации цикла
  4. Наличие двух формирователей адреса
  5. Трехшинная структура операционного блока микропроцессора

Литература:

  1. Ричард Лайонс Цифровая обработка сигналов. — 2-е. — М: Бином-Пресс, 2006. — 656 с.
  2. Куприянов М. C. Матюшкин Б. Д. Цифровая обработка сигналов. — 2-е. — СПб: Политехника, 2000. — 592 с.
  3. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. — 2-е. — СПб: Питер, 2006. — с. 751
  4. Цифровой сигнальный процессор Материал из Википедии

Вместе со статьей "Особенности сигнальных процессоров" читают:

Базовая архитектура сигнальных процессоров семейства ADSP2100
http://digteh.ru/dsp/ADSP2100/

Что такое микроконтроллеры, микропроцессоры и сигнальные процессоры
http://digteh.ru/proc/MicroProc.php

Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС)
http://digteh.ru/digital/PLD/


Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2017

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс

Поиск по сайту сервисом ГУГЛ

пЕИРХМЦ@Mail.ru


Яндекс.Метрика
Rambler's Top100