O que é um processador DSP? DSP multinúcleo TMS320C6678
Hoje, as conversas que eram populares em meados da década de 1980 entre os engenheiros eletrônicos sobre o grau de atraso da eletrônica soviética em relação à ocidental já foram esquecidas. Em seguida, o grau de desenvolvimento da eletrônica foi avaliado pelo desenvolvimento de processadores para computadores pessoais. A Cortina de Ferro estava a fazer o seu trabalho; naquela altura, nem podíamos imaginar que a electrónica soviética ficasse atrás da electrónica ocidental, não por um ou dois anos, mas para sempre.
Engenheiros soviéticos comuns, proibidos de participar dos maiores seminários profissionais do mundo sobre eletrônica e não a par dos segredos descobertos pela KGB, poderiam julgar o desenvolvimento da eletrônica a partir do programa Vremya e dos filmes de Hollywood há dez anos. Depois da empolgação com os aparelhos eletrônicos de James Bond, concluiu-se que: todos esses são efeitos especiais do cinema; tudo é criado em microprocessadores especializados (nunca foi especificado quais); e que “onde precisar e quem precisar, temos coisas mais legais”. Após conclusões tão profundas, os engenheiros soviéticos, com um novo impulso criativo em seus institutos de pesquisa, continuaram a criar obras-primas em 155 microcircuitos TTL, ou, o mais próximo do complexo industrial militar, na série 133.
Para minha vergonha, devo admitir que eu também, até meados dos anos 90, sugeri que processadores especializados eram algo completamente complexo e inimaginável. Mas, felizmente, os tempos mudaram e os primeiros processadores especializados que conheci foram processadores de sinais digitais ou processadores de sinais (DSP, Digital Signal Processor).
Os processadores de sinal surgiram como consequência do desenvolvimento das tecnologias digitais, que foram cada vez mais introduzidas nas aplicações “analógicas” tradicionais: comunicações por rádio e fios, equipamentos de vídeo e áudio, medição e eletrodomésticos. Dispositivos puramente digitais também exigiram a criação de processadores especializados para processamento de sinais: modems, unidades de disco, sistemas de processamento de dados, etc. A principal característica distintiva dos DSPs dos microprocessadores convencionais é sua máxima adaptabilidade para resolver problemas de processamento de sinais digitais. Trata-se precisamente de controladores “especializados”, cuja especialização reside em uma arquitetura e sistema de comando que permitiria a execução ideal de operações de conversão e filtragem de sinais em tempo real. Os microcontroladores convencionais ou não fornecem comandos que executem tais operações, ou sua operação é muito lenta, o que impossibilita sua utilização em processos de velocidade crítica. Portanto, o uso de microprocessadores tradicionais levou, por um lado, à complexidade injustificada e ao aumento do custo do projeto do circuito do dispositivo e, por outro lado, ao uso ineficaz e unilateral das capacidades do controlador. Os DSPs foram chamados a resolver esta contradição e cumpriram perfeitamente a sua tarefa.
Os processadores de sinal surgiram no início dos anos 80. O primeiro processador de sinal amplamente conhecido foi o DSP TMS32010 lançado em 1982 pela Texas Instruments, com desempenho de vários MIPS (milhões de instruções por segundo), criado com tecnologia de 1,2 mícron. Seguindo a Texas Instruments, outras empresas começaram a produzir DSPs. Atualmente, a Texas Instruments é líder na produção de DSPs, possuindo cerca de metade do mercado desses controladores. O segundo maior fabricante de DSPs é a Lucent Technologies, que produz cerca de um terço desses dispositivos. Os quatro primeiros são completados pela Analog Devices e pela Motorola, que têm participações de mercado aproximadamente iguais e, juntas, produzem aproximadamente um quarto de todos os DSPs. Os restantes fabricantes, embora entre eles existam empresas conhecidas como Samsung, Zilog, Atmel e outras, respondem pelos restantes 5-6 por cento do mercado de processadores de sinal.
É claro que os criadores de tendências entre os fabricantes são as empresas líderes nesta área e, em primeiro lugar, a Texas Instruments. As políticas das empresas líderes na produção e promoção de processadores de sinal variam significativamente.
A Texas Instruments pretende produzir a mais ampla gama possível, capaz de cobrir todas as aplicações possíveis de processadores com desempenho cada vez maior. Atualmente, o desempenho dos processadores de sinal chega a 8.800 MIPS, e eles são produzidos com tecnologia de 0,65 mícron a 0,1 mícron. A frequência do clock atinge 1,1 GHz.
A Lucent Technologies concentra-se em grandes fabricantes de equipamentos finais e oferece seus produtos através de uma rede de distribuição, sem recorrer a uma ampla campanha publicitária. A empresa é especializada em DSP para equipamentos de telecomunicações, em particular, numa direção tão promissora como a criação de estações de comunicação celular.
A Analog Devices, pelo contrário, segue uma política de marketing e campanha publicitária ativa, como evidenciado pela abreviatura no nome do DSP desta empresa SHARK e Tiger SHARK (tubarão e tubarão tigre). Na área técnica, os processadores desta empresa são otimizados para consumo de energia e para construção de sistemas multiprocessadores.
A Motorola distribui seus processadores através de sua extensa rede de distribuição. Na arquitetura DSP, a Motorola foi a primeira a seguir o caminho de criar simultaneamente um processador de sinal e um microcontrolador clássico em um chip, que operam como um sistema, o que simplifica muito a vida dos desenvolvedores de equipamentos ao simplificar o projeto do circuito.
A arquitetura e as tecnologias de fabricação de DSPs já estão bastante desenvolvidas, porém, os requisitos de estabilidade de operação e precisão dos cálculos de DSP levam ao fato de que não é possível se livrar da alta complexidade dos dispositivos funcionais que realizam o processamento de dados. (especialmente em formato de ponto flutuante), o que não reduz significativamente os custos na produção de processadores. O custo do DSP pode variar de 2 a 180 ou mais dólares por unidade.
Características dos processadores DSP
Os processadores de sinal apresentam aritmética de alta velocidade, transmissão e recepção de dados em tempo real e arquitetura de memória de acesso múltiplo.
Qualquer operação aritmética durante a execução requer as seguintes operações elementares: seleção de operandos; realizar adição ou multiplicação; salvando o resultado ou repetindo-o. Além disso, o processo de computação requer atrasos, amostragem de valores de células de memória sucessivas e cópia de dados de memória para memória. Nos processadores de sinais, o aumento da velocidade de execução de operações aritméticas é alcançado devido a: execução paralela de ações, acesso múltiplo à memória (busca de dois operandos e armazenamento do resultado), presença de um grande número de registros para armazenamento temporário de dados, implementação de hardware de capacidades especiais: implementação de atrasos, multiplicadores, endereçamento de anel etc. Os processadores de sinal também implementam suporte de hardware para loops de programa, buffers de anel e a capacidade de recuperar simultaneamente vários operandos da memória durante um ciclo de execução de comando.
A principal vantagem e diferença entre DSPs e microprocessadores de uso geral é que o processador interage com muitas fontes de dados no mundo real. O processador pode receber e transmitir dados em tempo real sem interromper as operações matemáticas internas. Para esses fins, conversores analógico-digital e digital-analógico, geradores, decodificadores e outros dispositivos para “comunicação” direta com o mundo exterior são integrados diretamente no chip.
A construção de memória de acesso múltiplo é conseguida principalmente através do uso da arquitetura Harvard. A arquitetura Harvard refere-se a uma arquitetura que possui dois barramentos de dados fisicamente separados, permitindo que dois acessos à memória ocorram simultaneamente. Mas isso por si só não é suficiente para realizar operações DSP, especialmente quando se utiliza dois operandos em uma instrução. Portanto, a arquitetura Harvard adiciona memória cache para armazenar as instruções que serão utilizadas novamente. Ao utilizar memória cache, o barramento de endereços e o barramento de dados permanecem livres, possibilitando a busca de dois operandos. Esta extensão - arquitetura Harvard mais cache - é chamada de arquitetura Harvard estendida ou SHARC (Super Harvard ARChitecture).
Consideraremos as características específicas do DSP utilizando a família DSP568xx da Motorola, que combina os recursos de processadores de sinais digitais e microcontroladores universais.
O núcleo DSP56800 é um processador CMOS programável de 16 bits projetado para realizar processamento de sinais digitais e tarefas computacionais em tempo real e consiste em quatro unidades funcionais: controle, geração de endereços, ALU e processamento de bits. Para aumentar a produtividade, as operações nos dispositivos são realizadas em paralelo. Cada um dos dispositivos pode funcionar de forma independente e simultânea com outros três, pois possui seu próprio conjunto de registros e lógica de controle. O núcleo implementa a execução simultânea de diversas ações: o dispositivo de controle seleciona a primeira instrução, o dispositivo de geração de endereços gera os endereços da segunda instrução e a ALU multiplica a terceira instrução. Transferências e operações combinadas são amplamente utilizadas.
A memória interna pode conter (para uma família):
Memória de programa flash de até 60K
Memória de dados flash de até 8K
Programas de RAM de até 2K
Dados RAM até 4K
Memória flash do programa de download 2K
Um grande número de dispositivos periféricos são implementados nos microchips da família: geradores PWM, ADCs de 12 bits com amostragem simultânea, decodificadores de quadratura, temporizadores de quatro canais, controladores de interface CAN, interfaces de comunicação serial de dois fios, interfaces seriais, um programável oscilador com PLL para gerar a frequência de clock do núcleo DSP e etc.
Características gerais
Desempenho 40 MIPS com frequência de clock de 80 MHz e tensão de alimentação de 2,7:3,6 V;
Somador-multiplicador paralelo 16x16 de extremidade única;
Dois acumuladores de 36 bits, incluindo bits de extensão;
Shifter rotativo de 16 bits de ciclo único;
Implementação em hardware dos comandos DO e REP;
Três barramentos de dados internos de 16 bits e três barramentos de endereço de 16 bits;
Um barramento de interface externa de 16 bits;
Uma pilha de sub-rotinas e interrupções sem limitação de profundidade.
Os chips da família DSP568xx destinam-se ao uso em dispositivos de baixo custo, eletrodomésticos que exigem baixo custo e não requerem parâmetros ultra-altos: modems com e sem fio, sistemas de mensagens digitais sem fio, secretárias eletrônicas digitais, câmeras digitais, especializadas e controladores multifuncionais, dispositivos de controle de servo motores e motores elétricos CA.
Em geral, os processadores de sinais já atingiram um estágio de desenvolvimento tal que podem ser usados em dispositivos que vão desde estações espaciais até brinquedos infantis.
Recentemente vi como as aplicações de processadores de sinal podem ser inesperadas usando o exemplo de um brinquedo. Um dia, um conhecido me procurou e me pediu para consertar uma boneca falante que seus amigos alemães haviam dado para sua filha. A boneca, aliás, era maravilhosa segundo uma amiga, ela entendia até cinquenta frases e mantinha “conscientemente” uma conversa. Na Alemanha custou cento e cinquenta marcos, o que me fez pensar que os pais se arrependem mais da quebra da boneca do que os filhos. De qualquer forma, minha filha adorou a boneca, principalmente porque antes de ficar muda ela falava alemão. Sem qualquer esperança de sucesso, comecei a consertar esta boneca. Usei uma lima para lixar a resina epóxi com que o circuito foi preenchido e, sob uma espessa camada de epóxi, descobri meia dúzia de pacotes de microcircuitos, sendo o central o DSP do DSP56F... o os últimos dígitos, infelizmente, foram irremediavelmente apagados. Nunca foi possível fazer o boneco falar e, infelizmente, não determinei quanta inteligência o processador de sinais adicionou a ele. Como descobri mais tarde, o filho mais velho dos meus amigos, para fazer a boneca gritar mais alto, primeiro conectou nela a tensão em vez de 3 V, 4,5 volts, o que ainda não era “letal”, e embora o brinquedo chiasse, gritou, mas depois de 220 V ... . Daí a primeira conclusão - as altas tecnologias são boas, mas nem sempre e nem em todos os lugares. A segunda conclusão é que em breve, talvez, poderemos ver o DSP em utensílios de cozinha, calçados e roupas, pelo menos não há obstáculos técnicos para isso.
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O que é DSP?
Os processadores de sinais digitais (DSP, Processadores de Sinais Digitais) recebem como entrada sinais físicos pré-digitalizados, como som, vídeo, temperatura, pressão e posição, e realizam manipulações matemáticas sobre eles. A estrutura interna dos processadores de sinais digitais é especialmente projetada para que possam executar funções matemáticas como adição, subtração, multiplicação e divisão com muita rapidez.
Os sinais devem ser processados de forma que as informações que eles contêm possam ser exibidas graficamente, analisadas ou convertidas em outro tipo de sinal útil. No mundo real, os sinais correspondentes a fenómenos físicos como som, luz, temperatura ou pressão são detectados e manipulados por componentes analógicos. Em seguida, um conversor analógico-digital pega o sinal real e o converte em formato digital como uma série de uns e zeros. Nesta fase, entra no processo um processador de sinal digital, que coleta as informações digitalizadas e as processa. Em seguida, ele envia as informações digitalizadas de volta ao mundo real para uso posterior. As informações são fornecidas de duas maneiras - digital ou analógica. No segundo caso, o sinal digitalizado passa por um conversor digital para analógico. Todas essas ações são realizadas em altíssima velocidade.
Para ilustrar esse conceito, considere o diagrama de blocos abaixo, que mostra como um processador de sinal digital é usado como parte de um reprodutor de áudio MP3. Durante a fase de gravação, um sinal de áudio analógico entra no sistema vindo de um receptor ou outra fonte. Este sinal analógico é convertido em sinal digital usando um conversor analógico-digital e enviado a um processador de sinal digital. O processador de sinal digital codifica-o no formato MP3 e armazena o arquivo na memória. Durante a fase de reprodução, o arquivo é recuperado da memória, decodificado por um processador de sinal digital e convertido por um conversor digital para analógico em um sinal analógico que pode ser reproduzido no sistema de alto-falantes. Num exemplo mais complexo, o processador de sinal digital pode executar funções adicionais, tais como controle de volume, compensação de frequência e fornecer uma interface de usuário.
A informação gerada por um processador de sinal digital pode ser usada por um computador, por exemplo, para controlar sistemas de segurança, telefones, sistemas de home theater ou compressão de vídeo. Os sinais podem ser comprimidos para uma transmissão mais rápida e eficiente de um local para outro (por exemplo, em sistemas de teleconferência para transmissão de voz e vídeo por linhas telefônicas). Os sinais também podem ser sujeitos a processamento adicional para melhorar a sua qualidade ou fornecer informações que não estão inicialmente disponíveis para humanos (por exemplo, em tarefas de cancelamento de eco em telemóveis ou melhoria de imagem de computador). Os sinais físicos podem ser processados na forma analógica, mas o processamento digital proporciona melhor qualidade e velocidade.
Como o DSP é programável, ele pode ser usado em uma ampla variedade de aplicações. Ao criar um projeto, você pode escrever seu próprio software ou usar software fornecido pela Analog Devices ou por terceiros.
Para obter mais informações sobre os benefícios do uso de DSPs no processamento de sinais do mundo real, você pode ler a primeira parte do Processamento Digital de Sinais 101 - Uma Introdução ao Design de Sistemas DSP, intitulada "Por que um DSP?"
O que há dentro de um processador de sinal digital (DSP)?
O processador de sinal digital inclui os seguintes componentes principais:
- Memória do programa: Contém programas que o processador de sinal digital usa para processar dados
- Memória de dados: Contém informações que precisam ser processadas
- Núcleo computacional: Executa processamento matemático acessando o programa contido na memória de programa e os dados contidos na memória de dados
- Subsistema de E/S: Fornece uma gama de funções para interagir com o mundo exterior
Para saber mais sobre processadores Analog Devices e microcontroladores analógicos de precisão, recomendamos que você revise os seguintes recursos:
O processamento digital de sinais é um assunto complexo e pode sobrecarregar até mesmo os profissionais de DSP mais experientes. Fornecemos apenas uma breve visão geral aqui, mas Analog Devices também oferece recursos adicionais que fornecem informações mais detalhadas sobre o processamento de sinais digitais:
- - revisão de tecnologias e questões de aplicação prática
- Série de artigos na revista Analog Dialogue: (em inglês)
- Parte 1: Por que você precisa de um processador de sinal digital? Arquiteturas DSP e vantagens do processamento de sinais digitais em relação aos circuitos analógicos tradicionais
- Parte 2: Saiba mais sobre filtros digitais
- Parte 3: Implementação de algoritmos em uma plataforma de hardware
- Parte 4: Considerações de programação para suporte de E/S em tempo real
- : Palavras usadas com frequência e seus significados
Os laboratórios práticos de DSP são uma maneira rápida e eficaz de se familiarizar com o uso de DSPs da Analog Devices. Eles permitirão que você adquira habilidades práticas e confiantes no trabalho com processadores de sinais digitais da Analog Devices por meio de palestras e exercícios práticos. Você pode encontrar a programação e informações de inscrição na página Treinamento e Desenvolvimento.
Processamento de sinal digital DSP (processador de sinal digital)
PeculiaridadesDSP
DSPs são processadores especializados para aplicações computacionalmente intensivas.
Se olharmos mais de perto, por exemplo, o processo de multiplicação de dois números com armazenamento do resultado em microprocessadores tradicionais, podemos ver como o tempo do computador é gasto: primeiro, um comando é buscado (o endereço do comando é definido para o barramento de endereços ), então o primeiro operando (o endereço do operando é definido para o barramento de endereços), então o operando é transferido para o acumulador, então o segundo operando é buscado, etc. A aceleração deste processo em um processador de uso geral é impossível devido à presença de um único barramento de endereços e um único barramento de dados, bem como de um único banco de dados. Em vista disso, todas as operações para recuperar operandos da memória, buscar uma instrução e armazenar um operando são realizadas sequencialmente usando o mesmo barramento de dados e barramento de endereços. Além disso, se considerarmos a operação de soma cíclica de uma série aritmética, podemos ver que aqui o overhead de tempo está associado a lembrar o endereço do primeiro comando do ciclo, verificar o estado do ciclo (contador) e retornar para o primeiro comando. Além disso, existem grandes sobrecargas durante operações de salto e retorno de sub-rotina (escrita e restauração de valores de registro da pilha) e muitas outras operações. Se levarmos em conta o grande número de operações matemáticas ao realizar o processamento digital de sinais, fica claro que são inevitáveis perdas muito sensíveis na precisão dos cálculos durante o arredondamento, o que não pode deixar de afetar o resultado geral. Isso ocorre devido à mesma largura de todos os registros dos processadores de uso geral.
Com o processamento digital de sinais, todos estes custos são inaceitáveis. Para superar esta deficiência dos processadores de uso geral, foram desenvolvidos processadores de sinais digitais (DSP - Digital Signal Processor).
Arquitetura Harvard de três ônibus
A sua peculiaridade reside principalmente no facto de, ao contrário dos dois barramentos a que estamos habituados: o barramento de endereços e o barramento de dados, bem como um banco de memória, o DSP possui pelo menos 6-7 barramentos diferentes e 2-3 bancos de memória. Este recurso visa agilizar ao máximo a execução da operação de multiplicação durante o armazenamento do resultado, que é sem dúvida o mais utilizado e que consome muitos recursos no processamento digital de sinais. A arquitetura DSP permite em um ciclo de máquina produzir:
- buscar um comando através do barramento de endereço do programa e do barramento de dados do programa;
- buscar dois operandos para uma operação de multiplicação através de duas linhas de endereço de dados;
- inserir operandos em acumuladores através de dois barramentos de dados;
- operação de multiplicação;
- salve o resultado no acumulador.
Assim, a arquitetura Harvard de três barramentos permite que quase qualquer operação seja executada em um ciclo de máquina.
Como exemplo da eficácia do uso de DSP ao implementar algoritmos de processamento de sinal digital, o tempo de execução de uma transformada de Fourier complexa de 1024 pontos é de 20 ms para um 486DX2 de 66 MHz (32 bits) e 3,23 ms para um 33 MHz de 24 bits. DSP56001 da Motorola ou 3,1 ms para DSP TMS320C30 de 32 bits e 33 MHz com aritmética flutuante da Texas Instruments.
Porém, como já mencionado, os processadores de sinais digitais distinguem-se não apenas pelo alto desempenho, medido na velocidade das operações de multiplicação/acumulação (MIPS - milhões de instruções por segundo), mas também por características como a sequência de execução do programa, operações aritméticas e endereçamento de memória, permitindo reduzir ao mínimo o tempo improdutivo. Em geral, o DSP difere de outros tipos de microprocessadores e microcontroladores nas seguintes cinco maneiras principais:
- Aritmética rápida.
O processador DSP deve realizar multiplicação, multiplicação com acumulação, mudança cíclica, bem como operações aritméticas e lógicas padrão em um ciclo.
- Volume dinâmico estendido para operação de multiplicação/acumulação.
A operação de cálculo da soma de uma determinada sequência de valores é fundamental para algoritmos implementados no DSP. A proteção contra overflow é necessária para evitar perda de dados.
- Buscando dois operandos em um ciclo.
Obviamente, a maioria das operações executadas por um DSP requerem dois operandos. Assim, para atingir o desempenho máximo, o processador deve ser capaz de buscar dois operandos simultaneamente, o que também requer um sistema de endereçamento flexível.
- Disponibilidade de buffers cíclicos implementados em hardware (integrados e externos).
Uma ampla classe de algoritmos implementados no DSP requer o uso de buffers cíclicos. O suporte de hardware para ciclo de ponteiro de endereço, ou endereçamento modular, reduz a sobrecarga da CPU e simplifica a implementação do algoritmo.
- Organize loops e ramificações sem perda de desempenho.
Os algoritmos DSP envolvem muitas operações repetitivas que podem ser implementadas como loops. A capacidade de sequenciar a execução de um programa de código em loop sem perda de desempenho distingue o DSP de outros processadores. Da mesma forma, perder tempo ao realizar uma operação de ramificação condicional também é inaceitável no processamento de sinais digitais.
No entanto, não se deve pensar que os DSPs possam substituir completamente os processadores de uso geral. Normalmente, os processadores de sinais digitais possuem um conjunto de instruções simplificado que não permite que operações não matemáticas sejam executadas com a mesma eficiência que os processadores de uso geral. Uma tentativa de combinar poder para cálculos matemáticos e flexibilidade para outros tipos de operações em um processador leva a um aumento injustificado no custo. Portanto, os DSPs são frequentemente utilizados na forma de coprocessadores (matemáticos, gráficos, aceleradores, etc.) com o processador principal ou como processador independente, se isso for suficiente.
DSPempresasMotorola
A Motorola produz atualmente três famílias de processadores de sinais digitais. Estas são as séries DSP56100, DSP56000 e DSP96000. Todos os microcircuitos desta série são baseados na arquitetura DSP56000 e diferem na profundidade de bits (16, 24, 32 bits, respectivamente) e em alguns dispositivos integrados. Desta forma, a compatibilidade dos chips das três famílias é alcançada de baixo para cima. Todos os DSPs da Motorola são construídos na mesma arquitetura Harvard de três barramentos descrita anteriormente, com um grande número de componentes, portas, controladores, bancos de memória e barramentos operando em paralelo para atingir desempenho máximo.
Transferência de dados ocorre em barramentos de dados bidirecionais (um para o DSP56100 (XDB) e dois para o DSP56000 e DSP96000 (XDB e YDB)), no barramento de dados do programa (PDB) e no barramento de dados geral (GDB). Além disso, o DSP96000 possui um barramento de acesso direto à memória (DDB) separado. A transferência de dados entre barramentos ocorre via interna dispositivo de gerenciamento de pneus.
Endereçamento realizado em dois barramentos unidirecionais: o barramento de endereço de dados e o barramento de endereço de programa.
Bloco de manipulação de bits permite controlar com flexibilidade o estado de qualquer bit em registros e células de memória. Ter esse recurso é uma vantagem sobre os DSPs de outros usuários.
Unidade Lógica Aritmética (ALU) executa todas as operações aritméticas e lógicas e inclui registros de entrada, acumuladores, registros de expansão de acumulador (8 bits, permitindo 256 overflows sem perda de precisão), uma unidade paralela de multiplicação e armazenamento (MAS) de ciclo único, bem como registros de deslocamento flexíveis. comandos do sistema permitem que você execute a ALU em um ciclo de instruções de multiplicação, multiplicação com salvamento do resultado, soma, subtração, mudança e operações lógicas. Uma característica do Motorola DSP é a capacidade de duplicar os registros de entrada da ALU e, assim, aumentar a profundidade de bits dos números processados. Outra característica importante é a presença de uma operação de divisão, que muitas vezes está ausente em outros fabricantes e é substituída por uma operação de multiplicação pelo número inverso, o que leva à perda de precisão.
Bloco de geração de endereço executa todos os cálculos relacionados à determinação de endereços na memória. Este bloco opera independentemente de outros blocos do processador. Em um ciclo, duas operações de leitura da memória ou uma operação de gravação podem ser realizadas. Os DSPs da Motorola possuem um sistema de endereçamento extremamente poderoso que permite que quase qualquer manipulação de dados seja realizada em um único comando. Esta importante característica distingue os DSPs produzidos pela empresa de seus análogos. O endereçamento de módulo é útil para organizar buffers de anel sem verificação fora dos limites, evitando assim sobrecarga de tempo. A capacidade de endereçar com inversão significativa de bits facilita a implementação de FFT.
Bloquear gerenciamento execução programas contém 6 registros, entre os quais Ponteiro de endereço de loop E Contador de ciclo, permitindo organizar suporte de hardware para organização de loops no Motorola DSP, que dispensa ciclos de máquina adicionais para verificar as condições de saída do loop e alteração do contador de loops. O comando do ciclo DO especifica explicitamente o número de repetições.
A pilha do sistema é uma parte separada de 15 palavras de RAM e pode armazenar informações sobre 15 interrupções, 7 loops ou 15 saídas de sub-rotina. Os dados da pilha são lidos em um ciclo, reduzindo assim a sobrecarga do processador.
O principal diferencial do DSP da Motorola é que todos os chips possuem emulador no chip, permitindo a depuração de programas sem o uso de hardware adicional. Assim, não há necessidade de adquirir ferramentas de depuração caras. O emulador permite escrever/ler registros e células de memória, definir pontos de interrupção, execução passo a passo de programas e outras ações enviando comandos por um barramento de 4 fios.
Para reduzir o consumo de energia quando não estiver computando, são fornecidos dois modos de baixo consumo de energia: PARAR E ESPERE.
Para trabalhar em conjunto com outros processadores e canais de acesso direto à memória, um Interface HOST.
Possuindo todas as propriedades acima necessárias para o processamento de sinais digitais, os DSPs da Motorola possuem um sistema de comando extremamente poderoso e flexível que permite ao usuário trabalhar de maneira conveniente e eficiente com os processadores.
Família DSP96000
A família de DSPs DSP96000 possui uma arquitetura de 32 bits e suporta operações de ponto flutuante. Os microcircuitos da família são projetados para sistemas de informática multimídia. Os DSPs desta série podem operar como chips independentes e, por meio de duas portas independentes de 32 bits, podem trocar dados sequencialmente com outros processadores.
Os microcircuitos da família incluem 6 bancos de memória, 8 barramentos e 4 unidades de computação autônomas: uma ALU, uma unidade de controle de programa, uma unidade de geração de endereço duplo e um controlador de acesso direto à memória de dois canais integrado.
Características dos chips da família DSP96000:
- 49,5 MIPS a 40 MHz
- 60 MFLOPS a 40 MHz, ciclo de 50 ns
- Organização de 32 bits
- 2 bancos de memória de dados RAM 512x32 bits
- 2 bancos de memória de dados ROM 512x32 bits
- Programa RAM 1024x32 bits
- ROM de inicialização de 56 bytes
- memória externa endereçável 2x232 palavras de dados e memória de programa de 32 bits
- emulador embutido
- 2 canais DMA
- 2 canais de troca com processadores externos
- Pacote PGA ou QFP de 223 pinos
DSPempresasTexasInstrumentos
Os DSPs desta empresa são representados pelos seguintes microprocessadores: TMS 32010, TMS 320C20, TMS 320C25, TMS 320C30, TMS 320C40, TMS 320C50.
Recursos da arquitetura TMS320C25
A arquitetura TMS320C2x é baseada na arquitetura TMS32010, o primeiro membro da família de microprocessadores DSP. Além disso, seu conjunto de instruções se sobrepõe ao conjunto de instruções do microprocessador TMS32010, que mantém a compatibilidade do software de baixo para cima.
O microprocessador TMS320C2x possui uma única bateria e usa arquitetura Harvard na qual a memória de dados e a memória de programa são separadas em diferentes espaços de endereço. Isso permite bloquear completamente a chamada e a execução de um comando a tempo. O sistema de instruções inclui comandos para troca de dados entre duas áreas de memória. Fora do microprocessador, os espaços de memória de dados e programas são combinados no mesmo barramento para maximizar o intervalo de endereços em ambas as áreas de memória e, ao mesmo tempo, minimizar o número de pinos. Dentro do microprocessador, os espaços de programas e dados são roteados para barramentos separados para aumentar a potência do processador e a velocidade de execução do programa.
Maior flexibilidade no projeto do sistema é fornecida por dois grandes blocos de RAM localizados no chip, um dos quais pode ser usado como memória de programa e memória de dados. A maioria das instruções do processador é executada em um único ciclo de máquina usando memória externa de programa de acesso rápido e memória RAM interna. A flexibilidade do microprocessador TMS320C2x também permite a conexão de memória externa lenta ou dispositivos periféricos utilizando o sinal READY; mas neste caso os comandos são executados em vários ciclos de máquina.
Organização da memória
O chip TMS32020 contém 544 palavras de 16 bits de memória RAM, das quais 288 palavras (blocos B1 e B2) são sempre alocadas para dados, e 256 palavras (bloco B0) podem ser usadas como memória de dados ou como memória de programa em diferentes processadores. configurações. O TMS320C25 também é equipado com uma ROM mascarável de palavras de 4K, e o TMS320E25 é equipado com uma memória de palavras de 4K com EPROM apagável por UV.
O TMS320C2x é fornecido com três espaços de endereçamento separados - para memória de programa, para memória de dados e para dispositivos de E/S, conforme mostrado na Fig. 6.5. Esses espaços fora do chip são diferenciados usando os sinais -PS, -DS, -IS (para programa, dados, espaços de E/S, respectivamente). Os blocos de memória B0, B1, B2, localizados no chip, cobrem um total de 544 palavras de memória de acesso aleatório (RAM). O bloco RAM B0 (256 palavras) está localizado nas páginas 4 e 5 da memória de dados, se for alocado para dados, ou nos endereços >FF00 - >FFFF, se fizer parte da memória de programa. O bloco B1 (somente dados) está localizado nas páginas 6 e 7, e o bloco B2 ocupa as 32 palavras mais altas da página 0. Observe que o restante da página 0 é ocupado por 6 registros endereçáveis e uma área livre; 1 a 3 páginas também representam uma área de reserva. As áreas de reserva não podem ser utilizadas para armazenar informações; seu conteúdo fica indefinido quando lido.
A memória interna de programa (ROM) localizada no chip do processador pode ser usada como as palavras inferiores de 4K da memória de programa. Para fazer isso, um sinal de baixo nível deve ser aplicado ao pino MP/*MC. Para proibir o uso da área ROM interna, o MP/*MC deve ser definido para um nível alto.
Memória externa e interface de E/S
O microprocessador TMS32020 suporta uma ampla gama de sistemas de interface. O espaço de dados, programas e endereços de E/S fornece interfaces com memória e dispositivos externos, aumentando as capacidades do sistema. A interface de memória local consiste em:
- Barramento de dados de 16 bits (D0-D15);
- Barramento de endereços de 16 bits (A0-A15);
- espaços de endereço para dados, programas e E/S selecionados por sinais (*DS, *PS e *IS);
- vários sinais de controle do sistema.
O sinal R/*W controla a direção da transmissão e o sinal *STRB controla a transmissão.
O espaço de E/S contém 16 portas de entrada e 16 portas de saída. Essas portas fornecem uma interface completa de 16 bits para dispositivos externos através do barramento de dados. A E/S única usando as instruções IN e OUT é concluída em dois ciclos de instrução; entretanto, usar um contador de repetições reduz o tempo de acesso de uma porta para 1 ciclo.
O uso de E/S é simplificado pelo fato de que a E/S é realizada da mesma forma que o acesso à memória. Os dispositivos de E/S são mapeados para o espaço de endereço de E/S usando endereços de processador externo e o barramento de dados, da mesma forma que a memória. Ao endereçar a memória interna, o barramento de dados está no terceiro estado e os sinais de controle estão no estado passivo (alto).
A interação com memória e dispositivos de E/S em diversas velocidades é acompanhada por um sinal READY. Ao se comunicar com dispositivos lentos, o TMS320C2x espera até que o dispositivo conclua sua operação e sinaliza ao processador através da linha READY, após o que o processador continua a operação.
Unidade Lógica Aritmética Central
A Unidade Lógica Aritmética Central (CALU) contém um registrador de deslocamento de escala de 16 bits, um multiplicador paralelo de 16 x 16, uma unidade lógica aritmética (ALU) de 32 bits, um acumulador de 32 bits e vários registradores de deslocamento adicionais localizados tanto no saída do multiplicador e na saída da bateria.
Qualquer operação da ALU é executada na seguinte sequência:
- os dados são capturados da RAM para o barramento de dados,
- os dados passam pelo registrador de deslocamento de escala e pela ALU, na qual são realizadas operações aritméticas,
- o resultado é transferido para o acumulador.
Uma entrada da ALU está sempre conectada à saída do acumulador, e a segunda pode receber informações do registrador de produto multiplicador (PR) ou carregadas da memória por meio de um registrador de deslocamento de escala.
Operações de transportador
O pipeline de comando consiste em uma sequência de operações de acesso ao barramento externo que ocorrem durante a execução do comando. O pipeline de pré-busca-decodificação-execução geralmente é invisível para o usuário, exceto em alguns casos em que o pipeline deve ser interrompido (por exemplo, durante uma ramificação). Enquanto o pipeline está em execução, a pré-busca, a decodificação e a execução de instruções são independentes umas das outras. Isso permite que as equipes se sobreponham. Assim, durante um ciclo, dois ou três comandos podem estar ativos, cada um em diferentes estágios de trabalho. Portanto, obtemos um transportador de dois níveis para o TMS32020 e um de três níveis para o TMS320C25.
O número de níveis de pipeline nem sempre afeta a velocidade de execução do comando. A maioria das instruções é executada no mesmo número de ciclos, independentemente de as instruções serem buscadas na memória externa, na RAM interna ou na ROM interna.
O hardware adicional disponível no processador TMS320C25 permite que o número de níveis de pipeline seja expandido para três, o que melhora o desempenho do processador. Esses recursos incluem o Contador de Pré-captura (PFC), o Microcall Stack (MCS) de 16 bits, o Registrador de Instrução (IR) e o Registrador de Fila de Instrução (QIR).
Com um pipeline de três níveis, o PFC contém o endereço da próxima instrução a ser pré-capturada. Assim que a pré-captura for concluída, o comando é carregado no IR. Se o IR armazenar um comando que ainda não foi executado, o comando pré-capturado será colocado no QIR. Depois disso, o PFC é aumentado em 1. Assim que o comando atual for executado, o comando do QIR será sobrecarregado no IR para execução posterior.
O contador de programa (PC) contém o endereço da instrução a ser executada a seguir e não é utilizado para operações de captura.
Mas normalmente o PC é usado como um ponteiro para a posição atual no programa. O conteúdo do PC aumenta após cada comando executado. Quando ocorre uma interrupção ou chamada de sub-rotina, o conteúdo do PC é colocado na pilha para que um retorno ao local desejado no programa possa ser realizado posteriormente.
Os ciclos de pré-captura, decodificação e execução do pipeline são independentes entre si, o que permite que os comandos executáveis se sobreponham no tempo. Durante qualquer ciclo, três comandos podem estar ativos simultaneamente, cada um em um estágio diferente de conclusão.
Processadores DSP.doc
Processadores DSP
Processamento Digital de Sinais (DSP) - Processamento Digital de Sinais (DSP) - é usado em muitas aplicações.Primeiramente é necessário esclarecer o significado das palavras que compõem este conceito:
Computação digital usando sinais discretos para representar dados em formato digital
Sinal é um parâmetro variável pelo qual a informação é transmitida ao longo de um circuito elétrico
Processamento - execução de operações nos dados de acordo com as instruções do programa
Processamento de sinal digital alterando ou analisando informações medidas por sequências discretas de números
os sinais vêm do mundo real - esta estreita ligação com o mundo real leva a muitos requisitos especiais, tais como a necessidade de reagir aos sinais recebidos em tempo real, medi-los e convertê-los em formato digital
os sinais são discretos - o que significa perda de informações entre amostras discretas
Versatilidade:
sistemas digitais podem ser reprogramados para outras aplicações (pelo menos onde chips DSP programáveis são usados)
sistemas digitais podem ser transferidos para vários equipamentos
Reprodutibilidade:
sistemas digitais podem ser facilmente duplicados
sistemas digitais não dependem de tolerâncias precisas de componentes
características dos sistemas digitais não variam com a temperatura
Simplicidade:
algumas coisas podem ser feitas mais facilmente em sistemas digitais do que em sistemas analógicos
Em todas as aplicações, os processadores DSP são caracterizados por propriedades comuns:
eles usam muitos cálculos matemáticos
eles lidam com sinais do mundo real
a pesquisa de sinal dura um tempo finito
Arquiteturas de memória
As operações típicas de DSP requerem muitas adições e multiplicações simples.
Adição e multiplicação requerem:
buscar dois operandos
realizar adição ou multiplicação (geralmente ambas)
salve o resultado ou segure-o até repetir
Arquitetura de Harvard
arquitetura von Neumann modificada
Uma verdadeira arquitetura Harvard dedica um barramento para buscar instruções (o barramento de endereços) e outro para buscar operandos (o barramento de dados). Mas isso não é suficiente para realizar operações DSP, pois basicamente todos utilizam dois operandos. Portanto, a arquitetura Harvard, em relação ao processamento digital de sinais, utiliza o barramento de endereços para acesso aos dados. É importante notar que muitas vezes é necessário buscar três componentes - uma instrução com dois operandos, o que a própria arquitetura Harvard é incapaz de fazer. Neste caso, esta arquitetura inclui uma memória cache. Ele pode ser usado para armazenar as instruções que serão usadas novamente. Ao utilizar memória cache, o barramento de endereços e o barramento de dados permanecem livres, possibilitando a busca de dois operandos. Esta extensão - arquitetura Harvard mais cache - é chamada de arquitetura Harvard estendida ou SHARC (Super Harvard ARChitecture).
A arquitetura Harvard requer dois barramentos de memória. Isso aumenta significativamente o custo de produção do chip. Assim, por exemplo, um processador DSP operando com palavras de 32 bits e em um espaço de endereço de 32 bits requer pelo menos 64 pinos para cada barramento de memória, totalizando 128 pinos. Isso leva a tamanhos de chips maiores e dificuldades no projeto de circuitos.
Mesmo a operação mais simples do DSP, a adição, que envolve dois operandos e armazena o resultado na memória, requer quatro acessos à memória (três para buscar os dois operandos e a instrução, e um para armazenar o resultado na memória). Isto está além das capacidades da arquitetura de Harvard. Alguns processadores utilizam um tipo diferente de arquitetura para superar esse obstáculo. Esta é uma arquitetura de von Neumann modificada.
A arquitetura von Neumann usa apenas um barramento de memória:
Essa arquitetura possui vários recursos positivos. É mais barato e requer menos pinos de barramento. A arquitetura von Neumann é mais fácil de usar porque o programador pode colocar instruções e dados em qualquer lugar da memória livre.
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Efeito de sobreposição
O sinal é amostrado em determinados intervalos de tempo e não se sabe o que acontece entre as amostras. Suponha que em algum momento o sinal analógico tenha um certo salto ou impulso. E deixe esse salto ocorrer durante o intervalo de tempo entre duas amostras discretas. Como isso não mede o pulso, após amostrar todo o sinal analógico não podemos determinar se houve realmente algum pulso.
Num caso menos óbvio, o sinal pode ser representado por componentes que mudam rapidamente. Mas, novamente, é impossível acompanharmos essas mudanças rápidas. Portanto, a amostragem deve ser feita a uma velocidade suficientemente rápida para capturar as mudanças mais rápidas no sinal. Às vezes podemos ter algum conhecimento prévio sobre o sinal ou fazer algumas suposições sobre o comportamento do sinal entre amostras.
Se a amostragem não for feita com velocidade suficiente, será impossível rastrear as mudanças mais rápidas no sinal.
No diagrama mostrado, o sinal de alta frequência é amostrado menos de duas vezes por período. O resultado é uma representação incorreta do sinal de forma discreta, pois se suavizarmos agora as amostras resultantes com alguma curva, obteremos uma representação do sinal de baixa frequência. Este fenômeno, no qual um sinal com uma frequência após a amostragem aparece como um sinal com uma frequência diferente, é chamado de efeito de aliasing.
É importante observar que o problema com o aliasing de frequência é que é impossível saber com qual sinal de frequência você está lidando. Mas às vezes podemos ter algum conhecimento prévio sobre o sinal ou fazer algumas suposições sobre o comportamento do sinal entre amostras.
Nyquist mostrou que para representar claramente todos os componentes de frequência, é necessário amostrar a uma taxa que seja duas ou mais vezes a frequência mais alta do sinal.
No diagrama, o sinal de alta frequência é amostrado duas vezes durante um período. Se desenharmos agora uma curva suave conectando as amostras, o resultado será um sinal semelhante ao da entrada analógica. Mas se a amostragem discreta for realizada em pontos onde o sinal tem amplitude zero, então não haverá sinal algum. É por isso que é necessário amostrar em uma frequência que seja pelo menos duas vezes maior que a frequência mais alta do sinal. Isso evita o efeito de sobreposição.
A frequência máxima do sinal que permite definir a taxa de amostragem é chamada de frequência Nyquist.
O que Nyquist realmente diz é que a amostragem deve ser feita em uma frequência superior às frequências que compõem a largura de banda do sinal, e não na frequência máxima.
^ Interface de E/S
Na prática, o DSP lida principalmente com o mundo real. Embora muitas vezes esquecido, esse recurso é uma das diferenças mais significativas entre os processadores DSP e os microprocessadores de uso geral:
Em uma aplicação DSP típica, o processador interage com muitas fontes de dados no mundo real. Em ambos os casos, o processador pode receber e transmitir dados em tempo real sem interromper as operações matemáticas internas. Existem três fontes de dados para processadores DSP:
sinais de entrada e saída
interação com vários controladores de sistema
interação com processadores DSP semelhantes
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Conversão de sinal analógico
A maioria das aplicações DSP lida com sinais analógicos, portanto o sinal analógico deve ser convertido para o formato digital.
O sinal analógico, contínuo e definido com precisão infinita, é convertido em uma sequência discreta cujos componentes são valores representados em formato digital.
Ao converter um sinal de uma forma analógica para uma forma discreta, algumas informações são perdidas devido a:
erros nas medições
imprecisões na sincronização
restrições na duração das medições
Antes da amostragem, o sinal analógico contínuo deve ser previamente armazenado. Por outro lado, ao medir o sinal, ele mudará.
Somente após o sinal ter sido previamente salvo é que ele pode ser medido e os valores medidos convertidos para o formato digital.
Amostras de sinais discretos, que são valores medidos digitalmente de um sinal analógico, geralmente são coletadas em intervalos regulares.
É importante notar que o sinal é amostrado somente quando todo o sinal foi previamente armazenado. Isso significa que ADCs mais lentos podem ser usados. Mas o circuito responsável pelo pré-armazenamento do sinal deve operar rápido o suficiente para que o sinal não tenha tempo de mudar significativamente. Uma vez armazenado o sinal, a ALU não necessita de alta velocidade para convertê-lo para o formato digital.
Ao medir um sinal analógico, não se sabe o que realmente está sendo medido. Durante o processo de medição do sinal, algumas informações são perdidas.
Às vezes você pode ter algumas informações preliminares sobre o sinal ou fazer suposições sobre seu possível comportamento, o que restaurará parcialmente as informações perdidas durante a amostragem.
^ Erros de amostragem
Ao converter um sinal analógico para digital, sua precisão é limitada pelo número de bits disponíveis para representar os dados.
O diagrama mostra um sinal analógico que é convertido para o formato digital com precisão de amostragem de 8 bits.
Um sinal analógico que varia suavemente em uma representação discreta terá um formato escalonado devido à limitação imposta à precisão de sua representação.
Os erros resultantes da digitalização de um sinal analógico são não lineares e dependentes do sinal.
A não linearidade dos erros significa que eles não podem ser calculados usando matemática convencional.
A dependência do sinal significa que os erros são coerentes e não podem ser reduzidos usando técnicas convencionais.
Problemas de erro são comuns no processamento de sinais digitais. Esses erros surgem de precisão limitada (ou seja, comprimento da palavra), são não lineares (portanto, impossíveis de calcular) e dependentes do sinal (portanto, coerentes). A ocorrência de erros impossibilita o cálculo preciso do algoritmo DSP com restrições na precisão da apresentação dos dados. Portanto, a única saída para esta situação é testar o funcionamento do algoritmo com diferentes sinais de entrada. A não linearidade dos erros também leva à instabilidade, especialmente ao usar filtros IIR.
O comprimento da palavra de máquina usada no processamento de sinal digital determina a precisão e a faixa dinâmica. A imprecisão na sincronização leva a erros no sinal discreto selecionado.
Os erros introduzidos pela sincronização também são não lineares e dependem do sinal.
Os sistemas DSP reais estão sujeitos a três fontes de erro:
limitação ao converter digitalmente um sinal de sua precisão pelo comprimento finito de uma palavra de máquina
precisão limitada dos cálculos aritméticos realizados pelo processador
limitação da precisão do sinal pelo comprimento da palavra da máquina ao convertê-lo da forma discreta de volta para analógica
O modelo de amostragem com influência de ruído aleatório é claro na compreensão da essência do efeito. Mas na realidade este modelo não é absolutamente correto, especialmente para sistemas de feedback como os filtros IIR.
O efeito associado ao aparecimento de erros é semelhante à presença de ruído aleatório no sistema.
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