Çfarë është një procesor DSP? DSP me shumë bërthama TMS320C6678

10.05.2024

Sot, bisedat që ishin të njohura në mesin e viteve tetëdhjetë midis inxhinierëve elektronikë për shkallën në të cilën elektronika sovjetike mbeti pas atyre perëndimore tashmë janë harruar. Pastaj shkalla e zhvillimit të elektronikës u gjykua nga zhvillimi i procesorëve për kompjuterë personalë. Perdja e Hekurt po bënte punën e saj në atë kohë, ne as që mund ta imagjinonim që elektronika sovjetike të mbetej pas atyre perëndimore jo një apo dy vjet, por përgjithmonë.

Inxhinierët e zakonshëm sovjetikë, të cilët nuk u lejuan të merrnin pjesë në seminaret më të mëdha profesionale në botë për elektronikën dhe të pavetëdijshëm për sekretet e zbuluara nga KGB-ja, mund të gjykonin zhvillimin e elektronikës nga programi Vremya dhe nga filmat e Hollivudit dhjetë vjet më parë. Pas ngazëllimit për pajisjet elektronike të James Bond-it, u konkludua se: të gjitha këto janë efekte speciale të kinemasë; gjithçka krijohet në mikroprocesorë të specializuar (asnjëherë nuk u specifikua se cilët); dhe se "ku kemi nevojë dhe kush ka nevojë, kemi gjëra më të freskëta". Pas përfundimeve të tilla të thella, inxhinierët sovjetikë, me një impuls të ri krijues në institutet e tyre kërkimore, vazhduan të krijonin kryevepra në 155 mikroqarqe TTL, ose, më të afërt me kompleksin ushtarako-industrial, në serinë 133.

Për turpin tim, më duhet të pranoj se edhe unë, deri rreth mesit të viteve nëntëdhjetë, nënkuptova se përpunuesit e specializuar ishin diçka krejtësisht komplekse dhe e paimagjinueshme. Por, për fat të mirë, kohët kanë ndryshuar, dhe procesorët e parë të specializuar me të cilët u njoha ishin procesorët dixhital të sinjalit ose procesorët e sinjalit (DSP, Digital Signal Processor).

Procesorët e sinjalit u shfaqën si pasojë e zhvillimit të teknologjive dixhitale, të cilat po futeshin gjithnjë e më shumë në aplikacionet tradicionale "analoge": komunikimet me radio dhe me tela, pajisjet video dhe audio, matjet dhe pajisjet shtëpiake. Pajisjet thjesht dixhitale kërkonin gjithashtu krijimin e procesorëve të specializuar për përpunimin e sinjalit: modemë, disqe, sisteme të përpunimit të të dhënave, etj. Tipari kryesor dallues i DSP-ve nga mikroprocesorët konvencionale është përshtatshmëria maksimale e tyre për zgjidhjen e problemeve të përpunimit të sinjalit dixhital. Këta janë pikërisht kontrollorë "të specializuar", specializimi i të cilëve qëndron në një arkitekturë dhe sistem komandimi të tillë që do të lejonte konvertimin optimal të sinjalit dhe operacionet e filtrimit të kryheshin në kohë reale. Mikrokontrolluesit konvencionalë ose nuk ofrojnë komanda që kryejnë fare operacione të tilla, ose funksionimi i tyre është shumë i ngadaltë, gjë që e bën të pamundur përdorimin e tyre në procese kritike për shpejtësinë. Prandaj, përdorimi i mikroprocesorëve tradicionalë çoi, nga njëra anë, në kompleksitet të pajustifikuar dhe rritje të kostos së dizajnit të qarkut të pajisjes, dhe nga ana tjetër, në përdorim joefektiv dhe të njëanshëm të aftësive të kontrolluesit. DSP-të u thirrën për të zgjidhur këtë kontradiktë dhe e përballuan detyrën e tyre në mënyrë të përsosur.

Procesorët e sinjalit u shfaqën në fillim të viteve '80. Procesori i parë i sinjalit i njohur gjerësisht ishte TMS32010 DSP i lëshuar në 1982 nga Texas Instruments, me një performancë prej disa MIPS (milion udhëzime në sekondë), krijuar duke përdorur teknologjinë 1.2 mikron. Pas Texas Instruments, kompani të tjera filluan të prodhojnë DSP. Aktualisht, Texas Instruments është lider në prodhimin e DSP-ve, ajo zotëron rreth gjysmën e tregut për këta kontrollues. Prodhuesi i dytë më i madh i DSP-ve është Lucent Technologies, i cili prodhon rreth një të tretën e këtyre pajisjeve. Katërshja e parë përfundohet nga Analog Devices dhe Motorola, të cilat kanë pjesë afërsisht të barabarta të tregut dhe së bashku prodhojnë afërsisht një të katërtën e të gjithë DSP-ve. Prodhuesit e mbetur, megjithëse midis tyre ka kompani të tilla të njohura si Samsung, Zilog, Atmel dhe të tjera, përbëjnë 5-6 përqind të mbetur të tregut të procesorëve të sinjalit.

Është e qartë se prirjet midis prodhuesve janë kompanitë kryesore në këtë fushë dhe, para së gjithash, Texas Instruments. Politikat e kompanive lider në prodhimin dhe promovimin e procesorëve të sinjalit ndryshojnë ndjeshëm.

Texas Instruments synon të prodhojë gamën më të gjerë të mundshme, të aftë për të mbuluar të gjitha aplikacionet e mundshme të procesorit me performancë gjithnjë në rritje. Aktualisht, performanca e procesorëve të sinjalit arrin deri në 8800 MIPS, dhe ato prodhohen duke përdorur teknologjinë nga 0,65 mikron në 0,1 mikron. Frekuenca e orës arrin 1.1 GHz.

Lucent Technologies fokusohet në prodhuesit e mëdhenj të pajisjeve fundore dhe ofron produktet e saj përmes një rrjeti shpërndarjeje, pa përdorur një fushatë të gjerë reklamimi. Kompania është e specializuar në DSP për pajisjet e telekomunikacionit, në veçanti, në një drejtim kaq premtues aktualisht si krijimi i stacioneve të komunikimit celular.

Analog Devices, përkundrazi, ndjek një politikë aktive marketingu dhe fushatë reklamuese, siç dëshmohet nga shkurtesa në emër të DSP të kësaj kompanie SHARK dhe Tiger SHARK (peshkaqeni dhe tigër peshkaqen). Në fushën teknike, përpunuesit e kësaj kompanie janë të optimizuar për konsumin e energjisë dhe për ndërtimin e sistemeve multiprocesorike.

Motorola shpërndan procesorët e saj përmes rrjetit të saj të gjerë të shpërndarjes. Në arkitekturën DSP, Motorola ishte e para që mori rrugën e krijimit në të njëjtën kohë të një procesori sinjali dhe një mikrokontrollues klasik në një çip, të cilët funksionojnë si një sistem, gjë që thjeshton shumë jetën e zhvilluesve të pajisjeve duke thjeshtuar dizajnin e qarkut.

Arkitektura dhe teknologjitë e prodhimit të DSP-ve tashmë janë zhvilluar mjaft mirë, megjithatë, kërkesat për stabilitetin e funksionimit dhe saktësinë e llogaritjeve të DSP-së çojnë në faktin se nuk është e mundur të heqësh qafe kompleksitetin e lartë të pajisjeve funksionale që kryejnë përpunimin e të dhënave. (sidomos në formatin me pikë lundruese), gjë që nuk ul ndjeshëm kostot në prodhimin e përpunuesve. Kostoja e DSP mund të variojë nga 2 në 180 ose më shumë dollarë për njësi.

Karakteristikat e procesorëve DSP

Procesorët e sinjalit kanë aritmetikë me shpejtësi të lartë, transmetim dhe pranim të të dhënave në kohë reale dhe arkitekturë memorie me akses të shumëfishtë.

Çdo veprim aritmetik gjatë ekzekutimit kërkon këto veprime elementare: zgjedhjen e operandëve; kryerja e mbledhjes ose shumëzimit; duke ruajtur rezultatin ose duke e përsëritur atë. Për më tepër, procesi i llogaritjes kërkon vonesa, marrjen e mostrave të vlerave nga qelizat e njëpasnjëshme të memories dhe kopjimin e të dhënave nga memorja në memorie. Në përpunuesit e sinjalit, rritja e shpejtësisë së kryerjes së operacioneve aritmetike arrihet për shkak të: ekzekutimit paralel të veprimeve, aksesit të shumëfishtë në memorie (marrja e dy operandëve dhe ruajtja e rezultatit), prania e një numri të madh regjistrash për ruajtjen e përkohshme të të dhënave, zbatimi i harduerit. të aftësive të veçanta: zbatimi i vonesave, shumëzuesit, adresimi i unazës etj. Procesorët e sinjalit zbatojnë gjithashtu mbështetje harduerike për ciklin e programit, buferat e unazës dhe aftësinë për të tërhequr njëkohësisht disa operandë nga memorja gjatë një cikli ekzekutimi të komandës.

Avantazhi dhe ndryshimi kryesor midis DSP-ve dhe mikroprocesorëve me qëllime të përgjithshme është se procesori ndërvepron me shumë burime të dhënash në botën reale. Procesori mund të marrë dhe transmetojë të dhëna në kohë reale pa ndërprerë operacionet e brendshme matematikore. Për këto qëllime, konvertuesit analog në dixhital dhe dixhital në analog, gjeneratorë, dekoderë dhe pajisje të tjera për "komunikim" të drejtpërdrejtë me botën e jashtme janë ndërtuar direkt në çip.

Ndërtimi i kujtesës me akses të shumëfishtë arrihet kryesisht përmes përdorimit të arkitekturës së Harvardit. Arkitektura e Harvardit i referohet një arkitekture që ka dy autobusë të dhënash fizikisht të ndara, duke lejuar që dy aksese në memorie të ndodhin njëkohësisht. Por vetëm kjo nuk mjafton për të kryer operacionet DSP, veçanërisht kur përdoren dy operandë në një instruksion. Prandaj, arkitektura e Harvardit shton memorie cache për të ruajtur ato udhëzime që do të përdoren përsëri. Kur përdorni memorien cache, autobusi i adresave dhe autobusi i të dhënave mbeten të lirë, gjë që bën të mundur marrjen e dy operandëve. Ky zgjerim - Arkitektura e Harvardit plus cache - quhet arkitekturë e zgjeruar e Harvardit ose SHARC (Super Harvard ARChitecture).

Ne do të shqyrtojmë karakteristikat specifike të DSP duke përdorur familjen DSP568xx nga Motorola, e cila kombinon veçoritë e procesorëve të sinjalit dixhital dhe mikrokontrolluesve universalë.

Bërthama DSP56800 është një procesor CMOS i programueshëm 16-bit i krijuar për të kryer përpunimin e sinjalit dixhital dhe detyrat llogaritëse në kohë reale dhe përbëhet nga katër njësi funksionale: kontrolli, gjenerimi i adresave, ALU dhe përpunimi i biteve. Për të rritur produktivitetin, operacionet në pajisje kryhen paralelisht. Secila prej pajisjeve mund të funksionojë në mënyrë të pavarur dhe njëkohësisht me tre të tjera, sepse ka grupin e vet të regjistrave dhe logjikën e kontrollit. Bërthama zbaton ekzekutimin e njëkohshëm të disa veprimeve: pajisja e kontrollit zgjedh instruksionin e parë, pajisja e gjenerimit të adresave gjeneron adresat e instruksionit të dytë dhe ALU shumëzon instruksionin e tretë. Transfertat dhe operacionet e kombinuara përdoren gjerësisht.

Memoria e integruar mund të përmbajë (për një familje):

Memorie programi flash deri në 60K

Memorie e të dhënave flash deri në 8K

Programet RAM deri në 2K

Të dhënat RAM deri në 4K

Programi i shkarkimit 2K memorie flash

Një numër i madh i pajisjeve periferike janë implementuar në mikroçipet e familjes: gjeneratorë PWM, ADC 12-bitësh me kampionim të njëkohshëm, dekoder kuadratik, kohëmatës me katër kanale, kontrollues të ndërfaqes CAN, ndërfaqe komunikimi serik me dy tela, ndërfaqe serike, një program i programueshëm. oshilator me PLL për të gjeneruar frekuencën e orës së bërthamës DSP etj.

Karakteristikat e përgjithshme

Performanca 40 MIPS në një frekuencë të orës 80 MHz dhe një tension furnizimi prej 2.7: 3.6 V;

Mbledhës shumëzues paralel 16x16 me një skaj;

Dy akumulatorë 36-bitësh, duke përfshirë pjesët e zgjerimit;

Ndërruesi rrotullues 16-bitësh me një cikël;

Implementimi harduerik i komandave DO dhe REP;

Tre autobusë të brendshëm të të dhënave 16-bitësh dhe tre autobusë adresash 16-bitësh;

Një autobus i ndërfaqes së jashtme 16-bit;

Një grumbull nënprogramesh dhe ndërprerjesh që nuk kanë kufizime në thellësi.

Çipat e familjes DSP568xx janë të destinuara për përdorim në pajisje me kosto të ulët, pajisje shtëpiake që kërkojnë kosto të ulët dhe nuk kërkojnë parametra ultra të lartë: modemë me tela dhe me valë, sisteme mesazhesh dixhitale pa tel, aparate telefonike dixhitale, kamera dixhitale, të specializuara dhe kontrollorët me shumë qëllime, pajisjet e kontrollit të servo motorëve dhe motorët elektrikë AC.

Në përgjithësi, përpunuesit e sinjalit kanë arritur tashmë një fazë të tillë të zhvillimit të tyre, saqë mund të përdoren në pajisje që variojnë nga stacionet hapësinore te lodrat e fëmijëve.

Kohët e fundit më është dashur të shoh se sa të papritura mund të jenë aplikimet e përpunuesve të sinjalit duke përdorur shembullin e një lodre. Një ditë më afroi një i njohur dhe më kërkoi të rregulloja një kukull që fliste që vajzës së tij ia kishin dhënë të njohurit gjermanë. Kukulla, me të vërtetë, ishte e mrekullueshme, sipas një shoqeje, ajo kuptoi deri në pesëdhjetë fraza dhe "me vetëdije" mbajti një bisedë. Në Gjermani kushtonte njëqind e pesëdhjetë marka, gjë që më bëri të mendoj se prindërit pendohen më shumë për thyerjen e kukullës sesa për fëmijën e tyre. E bija gjithsesi e donte kukullën, aq më tepër që para se të bëhej memece, ajo fliste gjermanisht. Pa asnjë shpresë suksesi, u nisa për riparimin e kësaj kukulle. Unë përdora një skedar për të grumbulluar rrëshirën epoksi me të cilën ishte mbushur qarku dhe, nën një shtresë të trashë e të trashë epoksidi, zbulova gjysmë duzine pako mikroqarkullimi, qendra e të cilave ishte DSP për DSP56F... shifrat e fundit, për fat të keq, u fshinë në mënyrë të pakthyeshme. Nuk ishte kurrë e mundur që kukulla të fliste dhe, për fat të keq, nuk kam përcaktuar se sa inteligjencë i shtoi procesori i sinjalit. Siç doli më vonë, djali i madh i miqve të mi, për ta bërë kukullën të bërtasë më fort, fillimisht lidhi tensionin me të në vend të 3 V, 4.5 volt, i cili nuk ishte ende "vdekjeprurës" dhe megjithëse lodra gulçonte, bërtiti, por pas 220 V ... . Prandaj përfundimi i parë - teknologjitë e larta janë të mira, por jo gjithmonë dhe jo kudo. Përfundimi i dytë është se së shpejti, ndoshta, do të mund të shohim DSP në enët e kuzhinës, këpucët dhe rrobat, të paktën nuk ka pengesa teknike për këtë.

65 nanometra është synimi i radhës i impiantit të Zelenogradit Angstrem-T, i cili do të kushtojë 300-350 milionë euro. Kompania ka paraqitur tashmë një kërkesë për një kredi preferenciale për modernizimin e teknologjive të prodhimit në Vnesheconombank (VEB), njoftoi Vedomosti këtë javë duke iu referuar kryetarit të bordit të drejtorëve të uzinës, Leonid Reiman. Tani Angstrem-T po përgatitet të nisë një linjë prodhimi për mikroqarqet me një topologji 90 nm. Pagesat për kredinë e mëparshme VEB, për të cilën është blerë, do të fillojnë në mesin e vitit 2017.

Pekini rrëzon Wall Street

Indekset kryesore amerikane shënuan ditët e para të Vitit të Ri me një rënie rekord, miliarderi George Soros ka paralajmëruar tashmë se bota po përballet me një përsëritje të krizës së vitit 2008.

Procesori i parë rus i konsumatorit Baikal-T1, me çmim 60 dollarë, po lëshohet në prodhim masiv

Kompania Baikal Electronics premton të nisë në prodhim industrial procesorin rus Baikal-T1 që kushton rreth 60 dollarë në fillim të 2016. Pajisjet do të jenë të kërkuara nëse qeveria krijon këtë kërkesë, thonë pjesëmarrësit e tregut.

MTS dhe Ericsson së bashku do të zhvillojnë dhe zbatojnë 5G në Rusi

Mobile TeleSystems PJSC dhe Ericsson kanë hyrë në marrëveshje bashkëpunimi në zhvillimin dhe zbatimin e teknologjisë 5G në Rusi. Në projektet pilot, përfshirë gjatë Kupës së Botës 2018, MTS synon të testojë zhvillimet e shitësit suedez. Në fillim të vitit të ardhshëm, operatori do të fillojë një dialog me Ministrinë e Telekomit dhe Komunikacionit Masiv për formimin e kërkesave teknike për gjeneratën e pestë të komunikimeve celulare.

Sergey Chemezov: Rostec është tashmë një nga dhjetë korporatat më të mëdha inxhinierike në botë

Kreu i Rostec, Sergei Chemezov, në një intervistë për RBC, iu përgjigj pyetjeve të ngutshme: për sistemin Platon, problemet dhe perspektivat e AVTOVAZ, interesat e Korporatës Shtetërore në biznesin farmaceutik, foli për bashkëpunimin ndërkombëtar në kontekstin e sanksioneve. presion, zëvendësim importi, riorganizim, strategji zhvillimi dhe mundësi të reja në kohë të vështira.

Rostec po "rrethohet" dhe po shkel dafinat e Samsung dhe General Electric

Bordi Mbikëqyrës i Rostec miratoi "Strategjinë e Zhvillimit deri në vitin 2025". Objektivat kryesore janë rritja e pjesës së produkteve civile të teknologjisë së lartë dhe arritja e General Electric dhe Samsung në treguesit kryesorë financiarë.

Çfarë është DSP?

Procesorët e sinjalit dixhital (DSP, Digital Signal Processors) marrin si hyrje sinjale fizike të para-dixhitalizuara, si zëri, video, temperatura, presioni dhe pozicioni, dhe kryejnë manipulime matematikore mbi to. Struktura e brendshme e procesorëve të sinjalit dixhital është projektuar posaçërisht në mënyrë që ata të mund të kryejnë funksione matematikore si mbledhja, zbritja, shumëzimi dhe pjesëtimi shumë shpejt.

Sinjalet duhet të përpunohen në mënyrë që informacioni që ato përmbajnë të mund të shfaqet grafikisht, të analizohet ose të shndërrohet në një lloj tjetër sinjali të dobishëm. Në botën reale, sinjalet që korrespondojnë me fenomene fizike si zëri, drita, temperatura ose presioni zbulohen dhe manipulohen nga komponentët analogë. Më pas, një konvertues analog në dixhital merr sinjalin real dhe e shndërron atë në një format dixhital si një seri njësh dhe zero. Në këtë fazë, në proces hyn një procesor sinjali dixhital, i cili mbledh informacionin e dixhitalizuar dhe përpunon atë. Më pas ai nxjerr informacionin e dixhitalizuar përsëri në botën reale për përdorim të mëtejshëm. Informacioni jepet në njërën nga dy mënyrat - dixhitale ose analoge. Në rastin e dytë, sinjali i dixhitalizuar kalon përmes një konverteri dixhital në analog. Të gjitha këto veprime kryhen me shpejtësi shumë të lartë.

Për të ilustruar këtë koncept, merrni parasysh bllok diagramin më poshtë, i cili tregon se si përdoret një procesor sinjali dixhital si pjesë e një audio player MP3. Gjatë fazës së regjistrimit, një sinjal audio analog hyn në sistem nga një marrës ose një burim tjetër. Ky sinjal analog konvertohet në një sinjal dixhital duke përdorur një konvertues analog në dixhital dhe dërgohet në një procesor sinjali dixhital. Procesori dixhital i sinjalit e kodon atë në format MP3 dhe e ruan skedarin në memorie. Gjatë fazës së riprodhimit, skedari merret nga memoria, deshifrohet nga një procesor sinjali dixhital dhe konvertohet nga një konvertues dixhital në analog përsëri në një sinjal analog që mund të luhet në sistemin e altoparlantëve. Në një shembull më kompleks, procesori dixhital i sinjalit mund të kryejë funksione shtesë si kontrolli i volumit, kompensimi i frekuencës dhe sigurimi i një ndërfaqeje përdoruesi.

Informacioni i gjeneruar nga një procesor sinjali dixhital mund të përdoret nga një kompjuter, për shembull, për të kontrolluar sistemet e sigurisë, telefonat, sistemet e kinemasë në shtëpi ose kompresimin e videos. Sinjalet mund të kompresohen për transmetim më të shpejtë dhe më efikas nga një vend në tjetrin (për shembull, në sistemet e telekonferencës për transmetimin e zërit dhe të videos përmes linjave telefonike). Sinjalet mund t'i nënshtrohen gjithashtu përpunimit shtesë për të përmirësuar cilësinë e tyre ose për të dhënë informacion që fillimisht nuk është i disponueshëm për njerëzit (për shembull, në detyrat e anulimit të jehonës në telefonat celularë ose përmirësimin e imazhit të kompjuterit). Sinjalet fizike mund të përpunohen në formë analoge, por përpunimi dixhital ofron cilësi dhe shpejtësi të përmirësuar.

Për shkak se DSP është i programueshëm, ai mund të përdoret në një shumëllojshmëri të gjerë aplikacionesh. Kur krijoni një projekt, mund të shkruani softuerin tuaj ose të përdorni softuerin e ofruar nga Pajisjet Analoge ose palë të treta.

Për më shumë informacion mbi përfitimet e përdorimit të DSP-ve në përpunimin e sinjalit në botën reale, mund të lexoni pjesën e parë të Përpunimit të Sinjalit Dixhital 101 - Një Hyrje në Dizajnimin e Sistemit DSP, me titull "Pse një DSP?"

Çfarë ka brenda një procesori të sinjalit dixhital (DSP)?

Procesori dixhital i sinjalit përfshin komponentët kryesorë të mëposhtëm:

Kujtesa e programit: Përmban programe që procesori i sinjalit dixhital përdor për të përpunuar të dhënat
Kujtesa e të dhënave: Përmban informacion që duhet të përpunohet
Bërthama llogaritëse: Kryen përpunim matematikor duke hyrë në programin që përmban memoria e programit dhe të dhënat që gjenden në memorien e të dhënave
Nënsistemi I/O: Ofron një sërë funksionesh për t'u ndërlidhur me botën e jashtme

Për të mësuar më shumë rreth procesorëve të Pajisjeve Analoge dhe mikrokontrolluesve analogë të saktë, ju inkurajojmë të rishikoni burimet e mëposhtme:

Përpunimi dixhital i sinjalit është një temë komplekse dhe mund të mposht edhe profesionistët më me përvojë të DSP. Ne kemi dhënë vetëm një përmbledhje të shkurtër këtu, por Pajisjet Analoge gjithashtu ofrojnë burime shtesë që ofrojnë informacion më të detajuar në lidhje me përpunimin e sinjalit dixhital:

- rishikimi i teknologjive dhe çështjeve praktike të aplikimit

Seria e artikujve në revistën Analog Dialogue: (në anglisht)

Pjesa 1: Pse keni nevojë për një procesor sinjali dixhital? Arkitekturat DSP dhe avantazhet e përpunimit të sinjalit dixhital mbi qarqet tradicionale analoge
Pjesa 2: Mësoni më shumë rreth filtrave dixhitalë
Pjesa 3: Zbatimi i algoritmeve në një platformë harduerike
Pjesa 4: Konsideratat e Programimit për Mbështetjen e I/O në kohë reale

: Fjalët e përdorura shpesh dhe kuptimet e tyre

Laboratorët praktik DSP janë një mënyrë e shpejtë dhe efektive për t'u njohur me përdorimin e DSP-ve të pajisjeve analoge. Ato do t'ju mundësojnë të fitoni aftësi të sigurta dhe praktike në punën me procesorët e sinjalit dixhital të Pajisjeve Analoge përmes një kursi leksionesh dhe ushtrimesh praktike. Orari dhe informacioni i regjistrimit mund të gjenden në faqen e Trajnimit dhe Zhvillimit.

Përpunimi dixhital i sinjalit DSP (procesor dixhital i sinjalit)

VeçoritëDSP

DSP-të janë procesorë të specializuar për aplikacione intensive llogaritëse.
Nëse hedhim një vështrim më të afërt, për shembull, në procesin e shumëzimit të dy numrave me ruajtjen e rezultatit në mikroprocesorët tradicionalë, mund të shohim se si harxhohet koha e kompjuterit: së pari, merret një komandë (adresa e komandës vendoset në autobusin e adresave ), më pas operandi i parë (adresa e operandit vendoset në autobusin e adresave ), më pas operandi transferohet në akumulator, pastaj merret operandi i dytë, etj. Përshpejtimi i këtij procesi në një procesor me qëllim të përgjithshëm është i pamundur për shkak të pranisë së një autobusi të vetëm adresash dhe një autobusi të vetëm të dhënash, si dhe një banke të vetme të dhënash. Duke pasur parasysh këtë, të gjitha operacionet për të tërhequr operandët nga memoria, për të marrë një instruksion dhe për të ruajtur një operand kryhen në mënyrë sekuenciale duke përdorur të njëjtin autobus të dhënash dhe autobus adresash. Përveç kësaj, nëse marrim parasysh funksionimin e përmbledhjes ciklike të një serie aritmetike, mund të shohim se këtu koha e sipërme lidhet me kujtimin e adresës së komandës së parë të ciklit, kontrollimin e gjendjes së ciklit (counter) dhe kthimin në komanda e parë. Gjithashtu, shpenzime të mëdha të përgjithshme ekzistojnë gjatë operacioneve të kërcimit dhe kthimit të nënrutinës (shkrimi dhe rivendosja e vlerave të regjistrit nga pirgu) dhe shumë operacione të tjera. Nëse marrim parasysh numrin e madh të operacioneve matematikore gjatë kryerjes së përpunimit të sinjalit dixhital, bëhet e qartë se humbjet shumë të ndjeshme në saktësinë e llogaritjeve gjatë rrumbullakimit janë të pashmangshme, gjë që nuk mund të mos ndikojë në rezultatin e përgjithshëm. Kjo ndodh për shkak të gjerësisë së njëjtë të të gjithë regjistrave të procesorëve me qëllime të përgjithshme.
Me përpunimin e sinjalit dixhital, të gjitha këto kosto janë të papranueshme. Për të kapërcyer këtë mangësi të procesorëve me qëllime të përgjithshme, u zhvilluan procesorët e sinjalit dixhital (DSP - Digital Signal Processor).

Arkitektura e Harvardit me tre autobusë

E veçanta e tij qëndron kryesisht në faktin se, ndryshe nga dy autobusët me të cilët jemi mësuar: autobusi i adresave dhe autobusi i të dhënave, si dhe një bankë memorie, DSP ka të paktën 6-7 autobusë të ndryshëm dhe 2-3 banka memorie. Ky funksion synon të përshpejtojë maksimalisht ekzekutimin e operacionit të shumëzimit duke ruajtur rezultatin, i cili është padyshim më i përdoruri dhe më intensivi i burimeve në përpunimin e sinjalit dixhital. Arkitektura DSP lejon në një cikël makinerie prodhojnë:

marrja e një komande përmes autobusit të adresave të programit dhe autobusit të të dhënave të programit;
marrja e dy operandëve për një operacion shumëzimi nëpërmjet dy linjave të adresave të të dhënave;
futja e operandëve në akumulatorë nëpërmjet dy autobusëve të të dhënave;
operacioni i shumëzimit;
ruajeni rezultatin në akumulator.

Kështu, arkitektura e Harvardit me tre autobusa lejon pothuajse çdo operacion të kryhet në një cikël makinerie.
Si shembull i efektivitetit të përdorimit të DSP gjatë zbatimit të algoritmeve të përpunimit të sinjalit dixhital, koha e ekzekutimit të një transformimi kompleks Furier me 1024 pikë është 20 ms për një 486DX2 66 MHz (32-bit) dhe 3,23 ms për një 24-bit 33 MHz. DSP56001 nga Motorola ose 3,1 ms për 32-bit 33 MHz DSP TMS320C30 me aritmetikë lundruese nga Texas Instruments.
Sidoqoftë, siç është përmendur tashmë, procesorët e sinjalit dixhital dallohen jo vetëm nga performanca e lartë, e matur në shpejtësinë e operacioneve të shumëzimit/akumulimit (MIPS - miliona instruksione për sekondë), por edhe nga karakteristika të tilla si sekuenca e ekzekutimit të programit, operacionet aritmetike. dhe adresimin e kujtesës, duke ju lejuar të reduktoni kohën joproduktive në minimum. Në përgjithësi, DSP ndryshon nga llojet e tjera të mikroprocesorëve dhe mikrokontrolluesve në pesë mënyrat kryesore të mëposhtme:

Aritmetikë e shpejtë.

Procesori DSP duhet të kryejë shumëzim, shumëzim me akumulim, zhvendosje ciklike, si dhe operacione standarde aritmetike dhe logjike në një cikël.

Vëllimi dinamik i zgjeruar për funksionimin e shumëzimit/akumulimit.

Operacioni i llogaritjes së shumës së një sekuence të caktuar vlerash është thelbësor për algoritmet e zbatuara në DSP. Mbrojtja nga tejmbushja është e nevojshme për të shmangur humbjen e të dhënave.

Marrja e dy operandëve në një cikël.

Natyrisht, shumica e operacioneve të kryera nga një DSP kërkojnë dy operandë. Kështu, për të arritur performancën maksimale, procesori duhet të jetë në gjendje të marrë dy operandë në të njëjtën kohë, gjë që kërkon gjithashtu një sistem adresimi fleksibël.

Disponueshmëria e tamponëve ciklike të implementuar nga hardueri (të integruar dhe të jashtëm).

Një klasë e gjerë e algoritmeve të implementuara në DSP kërkon përdorimin e buferave ciklike. Mbështetja e harduerit për ciklimin e treguesit të adresës, ose adresimin modular, zvogëlon ngarkesën e CPU-së dhe thjeshton zbatimin e algoritmit.

Organizimi i sytheve dhe degëve pa humbje të performancës.

Algoritmet DSP përfshijnë shumë operacione të përsëritura që mund të zbatohen si sythe. Aftësia për të renditur ekzekutimin e një programi kodi në një lak pa humbje të performancës e dallon DSP-në nga procesorët e tjerë. Po kështu, humbja e kohës gjatë kryerjes së një operacioni të degëzimit të kushtëzuar është gjithashtu e papranueshme në përpunimin e sinjalit dixhital.
Sidoqoftë, nuk duhet menduar se DSP-të mund të zëvendësojnë plotësisht procesorët me qëllime të përgjithshme. Në mënyrë tipike, procesorët e sinjaleve dixhitale kanë një grup të thjeshtuar instruksionesh që nuk lejon që operacionet jo matematikore të kryhen me aq efikasitet sa procesorët me qëllime të përgjithshme. Një përpjekje për të kombinuar fuqinë për llogaritjet matematikore dhe fleksibilitetin për llojet e tjera të operacioneve në një procesor çon në një rritje të pajustifikuar të kostos. Prandaj, DSP-të shpesh përdoren në formën e bashkëprocesorëve (matematikor, grafik, përshpejtues, etj.) me procesorin kryesor ose si procesor të pavarur, nëse kjo është e mjaftueshme.

DSPkompanitëMotorola

Motorola aktualisht prodhon tre familje të procesorëve të sinjalit dixhital. Këto janë seritë DSP56100, DSP56000 dhe DSP96000. Të gjitha mikroqarqet e serisë së dhënë bazohen në arkitekturën DSP56000 dhe ndryshojnë në thellësi bit (përkatësisht 16, 24, 32 bit) dhe në disa pajisje të integruara. Në këtë mënyrë arrihet përputhshmëria e çipave nga të tre familjet nga poshtë lart. Të gjithë DSP-të e Motorola-s janë ndërtuar në arkitekturën identike të Harvardit me tre autobusë të përshkruar më sipër, me një numër të madh komponentësh, portash, kontrolluesish, bankash memorie dhe autobusësh që funksionojnë paralelisht për të arritur performancën maksimale.
Transferimi i të dhënave ndodh në autobusët e të dhënave me dy drejtime (një për DSP56100 (XDB) dhe dy për DSP56000 dhe DSP96000 (XDB dhe YDB)), autobusin e të dhënave të programit (PDB) dhe autobusin e përgjithshëm të të dhënave (GDB). Përveç kësaj, DSP96000 ka një autobus të veçantë të aksesit të memories direkte (DDB). Transferimi i të dhënave ndërmjet autobusëve ndodh nëpërmjet interne pajisje për menaxhimin e gomave.
Duke iu drejtuar kryhen mbi dy autobusa me një drejtim: autobusi i adresave të të dhënave dhe autobusi i adresave të programit.
Blloku i manipulimit të bitit ju lejon të kontrolloni në mënyrë fleksibël gjendjen e çdo biti në regjistrat dhe qelizat e memories. Të kesh këtë aftësi është një avantazh ndaj DSP-ve të përdoruesve të tjerë.
Njësia logjike aritmetike (ALU) kryen të gjitha operacionet aritmetike dhe logjike dhe përfshin regjistrat e hyrjes, akumulatorët, regjistrat e zgjerimit të akumulatorit (8-bit, duke lejuar 256 tejmbushje pa humbje të saktësisë), një njësi shumëzuese dhe ruajtëse paralele me një cikël (MAS), si dhe regjistrat e zhvendosjes komandat e sistemit ju lejojnë të ekzekutoni ALU në një cikël udhëzimesh shumëzimi, shumëzim me ruajtjen e rezultatit, mbledhjen, zbritjen, zhvendosjen dhe operacionet logjike. Një tipar karakteristik i Motorola DSP është aftësia për të dyfishuar regjistrat hyrës të ALU dhe kështu të rrisë thellësinë e bitit të numrave të përpunuar. Një veçori tjetër e rëndësishme është prania e një operacioni ndarjeje, i cili shpesh mungon nga prodhuesit e tjerë dhe zëvendësohet nga një operacion shumëzimi me numrin e kundërt, gjë që çon në një humbje të saktësisë.
Blloku i gjenerimit të adresave kryen të gjitha llogaritjet në lidhje me përcaktimin e adresave në memorie. Ky bllok funksionon në mënyrë të pavarur nga blloqet e tjera të procesorit. Në një cikël, mund të kryhen dy operacione leximi nga memoria ose një operacion shkrimi. DSP-të e Motorola-s kanë një sistem adresimi jashtëzakonisht të fuqishëm që lejon pothuajse çdo manipulim të të dhënave të kryhet në një komandë të vetme. Kjo veçori e rëndësishme dallon DSP-të e prodhuara nga kompania nga analogët e tyre. Adresimi i modulit është i dobishëm për organizimin e buferave të unazës pa kontrolle jashtë kufijve, duke shmangur kështu shpenzimet e kohës. Aftësia për të adresuar me përmbysje të konsiderueshme të bitit lehtëson zbatimin e FFT.
Blloko menaxhimi ekzekutimi programet përmban 6 regjistra, ndër të cilët Treguesi i adresës së qarkut Dhe Numër i ciklit, duke ju lejuar të organizoni mbështetje harduerike për organizimin e sytheve në Motorola DSP, e cila nuk kërkon cikle shtesë të makinës për të kontrolluar kushtet për daljen nga cikli dhe ndryshimin e numëruesit të ciklit. Komanda e ciklit DO specifikon në mënyrë eksplicite numrin e përsëritjeve.
Stacki i sistemit është një pjesë e veçantë e 15 fjalëve të RAM-it dhe mund të ruajë informacione për 15 ndërprerje, 7 unaza ose 15 dalje nënrutinë. Të dhënat nga grumbulli lexohen në një cikël, duke zvogëluar kështu koston e sipërme të procesorit.
Tipari kryesor dallues i DSP i Motorola është se të gjithë çipat kanë emulator në çip, duke lejuar korrigjimin e programeve pa përdorimin e pajisjeve shtesë. Kështu, nuk ka nevojë të blini mjete të shtrenjta korrigjimi. Emulatori ju lejon të shkruani/lexoni regjistrat dhe qelizat e memories, të vendosni pikat e ndërprerjes, ekzekutimin hap pas hapi të programeve dhe veprime të tjera duke dërguar komanda përmes një autobusi me 4 tela.
Për të reduktuar konsumin e energjisë kur nuk llogaritni, ofrohen dy mënyra me fuqi të ulët: STOP Dhe PRIT.
Për të punuar në lidhje me procesorë të tjerë dhe kanale të drejtpërdrejta të aksesit të memories, një i integruar Ndërfaqja HOST.
Duke zotëruar të gjitha vetitë e mësipërme të nevojshme për përpunimin e sinjalit dixhital, DSP-të e Motorola kanë një sistem komandimi jashtëzakonisht të fuqishëm dhe fleksibël që i lejon përdoruesit të punojë në mënyrë të përshtatshme dhe efikase me procesorët.

Familja DSP96000

Familja e DSP-ve DSP96000 ka një arkitekturë 32-bit dhe mbështet operacionet me pikë lundruese. Mikroqarqet e familjes janë të dizajnuara për sisteme kompjuterike multimediale. DSP-të e kësaj serie mund të funksionojnë si çipa të pavarur dhe përmes dy portave të pavarura 32-bit ata mund të shkëmbejnë në mënyrë sekuenciale të dhëna me procesorë të tjerë.
Mikroqarqet e familjes përfshijnë 6 banka memorie, 8 autobusë dhe 4 njësi kompjuterike autonome: një ALU, një njësi kontrolli programi, një njësi gjenerimi të adresave të dyfishta dhe një kontrollues të integruar të aksesit të memories direkte me dy kanale.
Karakteristikat e çipave të familjes DSP96000:

49,5 MIPS në 40 MHz
60 MFLOPS në 40 MHz, cikli 50 ns
Organizimi 32-bit
2 banka me memorie të dhënash RAM 512x32 bit
2 banka memorie të dhënash ROM 512x32 bit
Programi RAM 1024x32 bit
ROM-i i nisjes 56 bajt
memorie e jashtme e adresueshme 2x232 fjalë 32-bit të të dhënave dhe memorie programore
emulator i integruar
2 kanale DMA
2 kanale shkëmbimi me procesorë të jashtëm
Paketa PGA ose QFP me 223 pin

DSPkompanitëTeksasInstrumentet

DSP-të e kësaj kompanie përfaqësohen nga mikroprocesorët e mëposhtëm: TMS 32010, TMS 320C20, TMS 320C25, TMS 320C30, TMS 320C40, TMS 320C50.

Karakteristikat e arkitekturës TMS320C25

Arkitektura TMS320C2x bazohet në arkitekturën TMS32010, anëtari i parë i familjes së mikroprocesorëve DSP. Përveç kësaj, grupi i instruksioneve të tij mbivendoset me grupin e instruksioneve të mikroprocesorit TMS32010, i cili ruan pajtueshmërinë e softuerit nga poshtë lart.
Mikroprocesori TMS320C2x ka një bateri të vetme dhe përdor arkitekturën e Harvardit në të cilën memoria e të dhënave dhe memoria e programit ndahen në hapësira të ndryshme adresash. Kjo ju lejon të bllokoni plotësisht thirrjen dhe ekzekutimin e një komande në kohë. Sistemi i instruksionit përfshin komanda për shkëmbimin e të dhënave ndërmjet dy zonave të memories. Jashtë mikroprocesorit, hapësirat e memories së të dhënave dhe programit kombinohen në të njëjtin autobus për të maksimizuar gamën e adresave në të dy zonat e memories duke minimizuar njëkohësisht numrin e kunjave. Brenda mikroprocesorit, hapësirat e programit dhe të të dhënave drejtohen në autobusë të veçantë për të rritur fuqinë e procesorit dhe shpejtësinë e ekzekutimit të programit.
Fleksibiliteti i rritur i dizajnit të sistemit sigurohet nga dy blloqe të mëdha RAM të vendosura në çip, njëri prej të cilëve mund të përdoret si memorie programi ashtu edhe si memorie e të dhënave. Shumica e udhëzimeve të procesorit ekzekutohen në një cikël të vetëm makinerie duke përdorur si memorien e jashtme të programit me akses të shpejtë ashtu edhe memorien e brendshme RAM. Fleksibiliteti i mikroprocesorit TMS320C2x lejon gjithashtu lidhjen e memories së jashtme të ngadaltë ose pajisjeve periferike duke përdorur sinjalin READY; por në këtë rast komandat ekzekutohen në disa cikle makinerie.

Organizimi i kujtesës

Çipi TMS32020 përmban 544 fjalë 16-bitësh të memories RAM, nga të cilat 288 fjalë (blloqet B1 dhe B2) ndahen gjithmonë për të dhënat, dhe 256 fjalë (blloku B0) mund të përdoren si memorie të dhënash ose si memorie programi në procesorë të ndryshëm. konfigurimet. TMS320C25 është gjithashtu i pajisur me një ROM të maskuar me fjalë 4K dhe TMS320E25 është i pajisur me një memorie fjalësh 4K me EPROM të fshirë nga UV.
TMS320C2x është i pajisur me tre hapësira adresash të ndara - për memorien e programit, për memorien e të dhënave dhe për pajisjet I/O, siç tregohet në Fig. 6.5. Këto hapësira jashtë çipit dallohen duke përdorur sinjalet -PS, -DS, -IS (përkatësisht për hapësirat programore, të dhëna, I/O). Blloqet e memories B0, B1, B2, të vendosura në çip, mbulojnë gjithsej 544 fjalë memorie me akses të rastësishëm (RAM). Blloku RAM B0 (256 fjalë) ndodhet në faqet 4 dhe 5 të memories së të dhënave, nëse ndahet për të dhëna, ose në adresat >FF00 - >FFFF, nëse është pjesë e memories së programit. Blloku B1 (vetëm të dhënat) ndodhet në faqet 6 dhe 7, dhe blloku B2 zë 32 fjalët më të larta të faqes 0. Vini re se pjesa e mbetur e faqes 0 është e zënë nga 6 regjistra të adresueshëm dhe një zonë rezervë; 1 - 3 faqe përfaqësojnë gjithashtu një zonë rezervë. Zonat rezervë nuk mund të përdoren për të ruajtur informacionin, përmbajtja e tyre është e papërcaktuar kur lexohet.
Kujtesa e brendshme e programit (ROM) e vendosur në çipin e procesorit mund të përdoret si fjalët më të ulëta 4K të kujtesës së programit. Për ta bërë këtë, duhet të aplikohet një sinjal i nivelit të ulët në pinin MP/*MC. Për të ndaluar përdorimin e zonës së brendshme të ROM-it, MP/*MC duhet të vendoset në një nivel të lartë.

Memoria e jashtme dhe ndërfaqja I/O

Mikroprocesori TMS32020 mbështet një gamë të gjerë sistemesh ndërfaqesh. Hapësira e të dhënave, programit dhe adresës I/O ofron ndërfaqe me memorien dhe pajisjet e jashtme, duke rritur aftësitë e sistemit. Ndërfaqja lokale e memories përbëhet nga:

Autobusi i të dhënave 16-bit (D0-D15);
Autobusi i adresave 16-bit (A0-A15);
hapësirat e adresave për të dhënat, programet dhe I/O të zgjedhura nga sinjalet (*DS, *PS dhe *IS);
sinjale të ndryshme të kontrollit të sistemit.

Sinjali R/*W kontrollon drejtimin e transmetimit dhe sinjali *STRB kontrollon transmetimin.
Hapësira I/O përmban 16 porte hyrëse dhe 16 porte dalëse. Këto porte ofrojnë një ndërfaqe të plotë 16-bit për pajisjet e jashtme përmes autobusit të të dhënave. I/O një herë duke përdorur udhëzimet IN dhe OUT plotësohet në dy cikle instruksionesh; megjithatë, përdorimi i një numëruesi të përsëritjeve redukton kohën e aksesit të një porti në 1 cikël.
Përdorimi i I/O thjeshtohet nga fakti se I/O kryhet në të njëjtën mënyrë si aksesi në memorie. Pajisjet I/O janë hartuar në hapësirën e adresave I/O duke përdorur adresat e procesorit të jashtëm dhe autobusin e të dhënave, në të njëjtën mënyrë si memoria. Gjatë adresimit të memories së brendshme, autobusi i të dhënave është në gjendjen e tretë, dhe sinjalet e kontrollit janë në gjendje pasive (të larta).
Ndërveprimi me memorien dhe pajisjet I/O me shpejtësi të ndryshme shoqërohet nga një sinjal READY. Kur komunikon me pajisje të ngadalta, TMS320C2x pret derisa pajisja të përfundojë funksionimin e saj dhe t'i sinjalizojë procesorit për këtë nëpërmjet linjës READY, pas së cilës procesori vazhdon funksionimin.

Njësia Qendrore Logjike Aritmetike

Njësia Qendrore Logjike Aritmetike (CALU) përmban një regjistër zhvendosjeje të shkallëzimit 16-bit, një shumëzues paralel 16 x 16, një njësi logjike aritmetike 32-bit (ALU), një akumulator 32-bitësh dhe disa regjistra të zhvendosjes shtesë të vendosur të dy në prodhimi i shumëzuesit dhe në prizë të baterisë.
Çdo operacion ALU kryhet në sekuencën e mëposhtme:

të dhënat kapen nga RAM në autobusin e të dhënave,
të dhënat kalojnë përmes regjistrit të ndryshimit të shkallëzimit dhe përmes ALU, në të cilin kryhen veprimet aritmetike,
rezultati transferohet në akumulator.

Një hyrje në ALU është gjithmonë e lidhur me daljen e akumulatorit dhe e dyta mund të marrë informacion ose nga regjistri i produktit të shumëzuesit (PR) ose të ngarkuar nga memorja nëpërmjet një regjistri të ndryshimit të shkallëzimit.

Operacionet e transportuesit

Tubacioni i komandës përbëhet nga një sekuencë e operacioneve të aksesit të autobusit të jashtëm që ndodhin gjatë ekzekutimit të komandës. Tubacioni prefetch-decode-execute zakonisht është i padukshëm për përdoruesin, përveç në disa raste kur tubacioni duhet të ndërpritet (për shembull, gjatë një degëzimi). Ndërsa gazsjellësi po funksionon, marrja paraprake, dekodimi dhe ekzekutimi i udhëzimeve janë të pavarura nga njëra-tjetra. Kjo lejon që ekipet të mbivendosen. Pra, gjatë një cikli dy ose tre komanda mund të jenë aktive, secila në faza të ndryshme të punës. Prandaj, marrim një transportues me dy nivele për TMS32020 dhe një me tre nivele për TMS320C25.
Numri i niveleve të tubacionit nuk ndikon gjithmonë në shpejtësinë e ekzekutimit të komandës. Shumica e instruksioneve ekzekutohen në të njëjtin numër ciklesh, pavarësisht nëse instruksionet janë marrë nga memoria e jashtme, RAM-i i brendshëm ose ROM-i i brendshëm.
Pajisjet shtesë të disponueshme në procesorin TMS320C25 lejon që numri i niveleve të tubacionit të zgjerohet në tre, gjë që përmirëson performancën e procesorit. Këto pajisje përfshijnë numëruesin para kapjes (PFC), 16-bit Microcall Stack (MCS), Regjistrin e Instruksioneve (IR) dhe Regjistrin e Radhës së Instruksioneve (QIR).
Me një tubacion me tre nivele, PFC përmban adresën e udhëzimit të ardhshëm që do të kapet paraprakisht. Pasi të përfundojë kapja paraprake, komanda ngarkohet në IR. Nëse IR ruan një komandë që ende nuk është ekzekutuar, atëherë komanda e para-kapur vendoset në QIR. Pas kësaj, PFC rritet me 1. Sapo të ekzekutohet komanda aktuale, komanda nga QIR do të mbingarkohet në IR për ekzekutim të mëtejshëm.
Numëruesi i programit (PC) përmban adresën e instruksionit që do të ekzekutohet më pas dhe nuk përdoret për operacionet e kapjes.
Por zakonisht PC përdoret si një tregues për pozicionin aktual në program. Përmbajtja e PC rritet pas çdo komande të ekzekutuar. Kur ndodh një ndërprerje ose thirrje nënprograme, përmbajtja e PC-së shtyhet në pirg, në mënyrë që të mund të kryhet më vonë kthimi në vendndodhjen e dëshiruar në program.
Ciklet e para-kapjes, dekodimit dhe ekzekutimit të tubacionit janë të pavarura nga njëri-tjetri, kjo lejon që komandat e ekzekutueshme të mbivendosen në kohë. Gjatë çdo cikli, tre komanda mund të jenë aktive njëkohësisht, secila në një fazë të ndryshme të përfundimit.

Procesorët DSP.doc

Procesorët DSP

Digital Signal Processing (DSP) - Digital Signal Processing (DSP) - përdoret në shumë aplikacione.

Së pari, është e nevojshme të sqarohet kuptimi i fjalëve që përbëjnë këtë koncept:

Llogaritja dixhitale duke përdorur sinjale diskrete për të përfaqësuar të dhënat në formë dixhitale
Sinjali është një parametër në ndryshim me të cilin informacioni transmetohet përgjatë një qarku elektrik
Përpunimi - kryerja e operacioneve mbi të dhënat sipas udhëzimeve të programit
Përpunimi dixhital i sinjalit që ndryshon ose analizon informacionin që matet me sekuenca diskrete numrash

Vlen të përmenden dy veçori unike të Përpunimit të Sinjalit Dixhital:

sinjalet vijnë nga bota reale - kjo lidhje e ngushtë me botën reale çon në shumë kërkesa të veçanta, siç është nevoja për të reaguar ndaj sinjaleve hyrëse në kohë reale, matjen dhe shndërrimin e tyre në formë dixhitale.
sinjalet janë diskrete - që do të thotë humbje e informacionit ndërmjet mostrave diskrete

Përfitimet e DSP janë të zakonshme për shumë sisteme dixhitale dhe përfshijnë:

Shkathtësia:

Sistemet dixhitale mund të riprogramohen për aplikacione të tjera (të paktën aty ku përdoren çipa të programueshëm DSP)
sistemet dixhitale mund të transferohen në pajisje të ndryshme

Riprodhueshmëria:

sistemet dixhitale mund të dyfishohen lehtësisht
Sistemet dixhitale nuk mbështeten në tolerancat e sakta të komponentëve
Karakteristikat e sistemeve dixhitale nuk ndryshojnë me temperaturën

Thjeshtësia:

disa gjëra mund të bëhen më lehtë në sisteme dixhitale sesa në sisteme analoge

DSP gjen përdorim në shumë aplikime praktike

Në çdo aplikim, procesorët DSP karakterizohen nga vetitë e zakonshme:

përdorin shumë llogaritje matematikore
ato merren me sinjale nga bota reale
Hulumtimi i sinjalit zgjat një kohë të caktuar

Arkitekturat e memories

Operacionet tipike DSP kërkojnë shumë shtesa dhe shumëzime të thjeshta.

Mbledhja dhe shumëzimi kërkojnë:

marr dy operandë
kryej mbledhje ose shumëzim (zakonisht të dyja)
ruajeni rezultatin ose mbajeni derisa të përsëritet

Për të marrë dy operandë në një cikël instruksioni, duhet të bëhen njëkohësisht dy aksese në memorie. Por në realitet, përveç marrjes së dy operandëve, ju gjithashtu duhet të ruani rezultatin dhe të lexoni vetë udhëzimet. Prandaj, numri i akseseve në memorie për cikël instruksioni do të jetë më shumë se dy. Për këtë qëllim, procesorët DSP mbështesin aksese të shumta memorie brenda të njëjtit cikël instruksioni. Por është e pamundur të qasesh në dy adresa të ndryshme në memorie njëkohësisht duke përdorur një autobus memorie. Ekzistojnë dy lloje të arkitekturave të procesorit DSP që lejojnë zbatimin e mekanizmave të shumëfishtë të aksesit të memories:

Arkitektura e Harvardit
arkitektura e modifikuar von Neumann

Një arkitekturë e vërtetë e Harvardit i kushton një autobus për marrjen e udhëzimeve (autobusi i adresave) dhe një tjetër për marrjen e operandëve (autobusi i të dhënave). Por kjo nuk mjafton për të kryer operacione DSP, pasi në thelb të gjithë përdorin dy operandë. Prandaj, arkitektura e Harvardit, në lidhje me përpunimin e sinjalit dixhital, përdor autobusin e adresave për aksesin e të dhënave. Është e rëndësishme të theksohet se shpesh është e nevojshme të merren tre komponentë - një udhëzim me dy operandë, për të cilin vetë arkitektura e Harvardit është e paaftë. Në këtë rast, kjo arkitekturë përfshin një memorie cache. Mund të përdoret për të ruajtur ato udhëzime që do të përdoren përsëri. Kur përdorni memorien cache, autobusi i adresave dhe autobusi i të dhënave mbeten të lirë, gjë që bën të mundur marrjen e dy operandëve. Ky zgjerim - Arkitektura e Harvardit plus cache - quhet arkitekturë e zgjeruar e Harvardit ose SHARC (Super Harvard ARChitecture).

Arkitektura e Harvardit kërkon dy autobusë memorie. Kjo rrit ndjeshëm koston e prodhimit të çipit. Kështu, për shembull, një procesor DSP që funksionon me fjalë 32-bit dhe në një hapësirë adresash 32-bit kërkon të paktën 64 kunja për çdo autobus memorie, për një total prej 128 kunjash. Kjo çon në madhësi më të mëdha të çipave dhe vështirësi në dizajnimin e qarkut.

Edhe operacioni më i thjeshtë DSP, shtimi, i cili përfshin dy operandë dhe ruan rezultatin në memorie, kërkon katër aksese në memorie (tre për të marrë dy operandët dhe instruksionin, dhe një për të ruajtur rezultatin në memorie). Kjo është përtej aftësive të arkitekturës së Harvardit. Disa procesorë përdorin një lloj tjetër arkitekture për të kapërcyer këtë pengesë. Kjo është një arkitekturë e modifikuar von Neumann.

Arkitektura von Neumann përdor vetëm një autobus memorie:

Kjo arkitekturë ka një sërë veçorish pozitive. Është më i lirë dhe kërkon më pak kunja autobusësh. Arkitektura von Neumann është më e lehtë për t'u përdorur sepse programuesi mund të vendosë udhëzime dhe të dhëna kudo në memorien e lirë.
^

Efekti i mbivendosjes

Sinjali merret kampion në intervale të caktuara kohore dhe nuk dihet se çfarë ndodh ndërmjet mostrave. Supozoni se në një moment në kohë sinjali analog ka një kërcim ose impuls të caktuar. Dhe le të ndodhë ky kërcim gjatë intervalit kohor midis dy mostrave diskrete. Meqenëse kjo nuk matë pulsin, pas marrjes së mostrave të të gjithë sinjalit analog, ne nuk mund të përcaktojmë nëse ka pasur në të vërtetë ndonjë puls.
Në një rast më pak të dukshëm, sinjali mund të përfaqësohet nga komponentë që ndryshojnë me shpejtësi. Por përsëri, është e pamundur për ne të mbajmë gjurmët e këtyre ndryshimeve të shpejta. Prandaj, kampionimi duhet të bëhet me një shpejtësi mjaft të shpejtë për të kapur ndryshimet më të shpejta në sinjal. Ndonjëherë ne mund të kemi disa njohuri paraprake për sinjalin ose të bëjmë disa supozime për sjelljen e sinjalit midis mostrave.

Nëse marrja e mostrave nuk bëhet me shpejtësi të mjaftueshme, do të jetë e pamundur të gjurmohen ndryshimet më të shpejta në sinjal.

Në diagramin e treguar, sinjali me frekuencë të lartë merret më pak se dy herë në periudhë. Rezultati është një paraqitje e gabuar e sinjalit në formë diskrete, pasi nëse tani i lëmojmë mostrat që rezultojnë me ndonjë kurbë, do të marrim një paraqitje të sinjalit me frekuencë të ulët. Ky fenomen, në të cilin një sinjal me një frekuencë pas marrjes së mostrave shfaqet si një sinjal me një frekuencë të ndryshme, quhet efekti aliasing.

Është e rëndësishme të theksohet se problemi me shqiptimin e frekuencës është se është e pamundur të dallosh se me cilin sinjal të frekuencës keni të bëni. Por ndonjëherë ne mund të kemi disa njohuri paraprake për sinjalin ose të bëjmë disa supozime për sjelljen e sinjalit midis mostrave.

Nyquist tregoi se për të përfaqësuar qartë të gjithë komponentët e frekuencës, është e nevojshme të mostrohet me një shpejtësi që është dy ose më shumë herë frekuenca më e lartë në sinjal.
Në diagram, sinjali i frekuencës së lartë merret dy herë gjatë një periudhe. Nëse tani vizatojmë një kurbë të qetë që lidh mostrat, rezultati do të jetë një sinjal i ngjashëm me hyrjen analoge. Por nëse marrja e mostrave diskrete kryhet në pikat ku sinjali ka amplitudë zero, atëherë nuk do të ketë fare sinjal. Kjo është arsyeja pse është e nevojshme të merret mostra në një frekuencë që është të paktën dy herë më e lartë se frekuenca më e lartë e sinjalit. Kjo shmang efektin e mbivendosjes.

Frekuenca maksimale e sinjalit që ju lejon të vendosni shkallën e kampionimit quhet frekuenca Nyquist.
Ajo që Nyquist thotë në të vërtetë është se marrja e mostrave duhet të bëhet në një frekuencë më të lartë se frekuencat që përbëjnë gjerësinë e brezit të sinjalit, jo në frekuencën maksimale.

^ Ndërfaqja I/O

Në praktikë, DSP kryesisht merret me botën reale. Edhe pse shpesh harrohet, kjo veçori është një nga ndryshimet më domethënëse midis procesorëve DSP dhe mikroprocesorëve me qëllime të përgjithshme:
Në një aplikacion tipik DSP, procesori ndërvepron me shumë burime të dhënash në botën reale. Në secilin rast, procesori mund të marrë dhe transmetojë të dhëna në kohë reale pa ndërprerë operacionet e brendshme matematikore. Ekzistojnë tre burime të dhënash për procesorët DSP:

sinjalet hyrëse dhe dalëse
ndërveprim me kontrollues të ndryshëm të sistemit
ndërveprim me procesorë të ngjashëm DSP

Konvertimi i sinjalit analog

Shumica e aplikacioneve DSP merren me sinjale analoge, kështu që sinjali analog duhet të konvertohet në formë dixhitale.
Sinjali analog, i cili është i vazhdueshëm dhe i përcaktuar me saktësi të pafundme, shndërrohet në një sekuencë diskrete, përbërësit e së cilës janë vlera të përfaqësuara në formë dixhitale.

Kur konvertoni një sinjal nga një formë analoge në një formë diskrete, disa informacione humbasin për shkak të:

gabime në matje
pasaktësitë në sinkronizim
kufizime në kohëzgjatjen e matjeve

Këto dukuri quhen gabime të kampionimit.

Para marrjes së mostrave, sinjali analog i vazhdueshëm duhet të ruhet më parë. Nga ana tjetër, kur matni sinjalin, ai do të ndryshojë.

Vetëm pasi sinjali të jetë ruajtur më parë, ai mund të matet dhe vlerat e matura të shndërrohen në formë dixhitale.

Mostrat diskrete të sinjalit, të cilat janë vlera dixhitale të matura të një sinjali analog, zakonisht merren në intervale të rregullta.

Është e rëndësishme të theksohet se sinjali merret vetëm kur i gjithë sinjali është ruajtur më parë. Kjo do të thotë që mund të përdoren ADC më të ngadalta. Por qarku përgjegjës për ruajtjen paraprake të sinjalit duhet të funksionojë mjaft shpejt në mënyrë që sinjali të mos ketë kohë për të ndryshuar ndjeshëm. Pasi sinjali të ruhet, ALU nuk kërkon shpejtësi të lartë për ta kthyer atë në formë dixhitale.

Kur matni një sinjal analog, nuk dihet se çfarë matet në të vërtetë. Gjatë procesit të matjes së sinjalit, disa informacione humbasin.
Ndonjëherë mund të keni disa informacione paraprake në lidhje me sinjalin ose të bëni supozime për sjelljen e tij të mundshme, gjë që do të rivendosë pjesërisht informacionin e humbur gjatë marrjes së mostrave.

^ Gabimet e kampionimit

Kur konvertohet një sinjal analog në formë dixhitale, saktësia e tij kufizohet nga numri i biteve të disponueshëm për të përfaqësuar të dhënat.
Diagrami tregon një sinjal analog që konvertohet në formë dixhitale me saktësi 8-bit të kampionimit.
Një sinjal analog që ndryshon pa probleme në një paraqitje diskrete do të ketë një formë hapi për shkak të kufizimit të vendosur në saktësinë e paraqitjes së tij.

Gabimet që rezultojnë nga digjitalizimi i një sinjali analog janë jolineare dhe varen nga sinjali.
Jolineariteti i gabimeve do të thotë se ato nuk mund të llogariten duke përdorur matematikën konvencionale.
Varësia e sinjalit do të thotë që gabimet janë koherente dhe nuk mund të reduktohen duke përdorur teknika konvencionale.

Problemet e gabimeve janë të zakonshme në përpunimin e sinjalit dixhital. Këto gabime lindin nga saktësia e kufizuar (d.m.th. gjatësia e fjalës), janë jolineare (pra e pamundur të llogariten) dhe varen nga sinjali (pra koherente). Shfaqja e gabimeve e bën të pamundur llogaritjen e saktë të algoritmit DSP me kufizime në saktësinë e paraqitjes së të dhënave. Prandaj, e vetmja rrugëdalje nga kjo situatë është testimi i funksionimit të algoritmit me sinjale të ndryshme hyrëse. Jo-lineariteti i gabimeve gjithashtu çon në paqëndrueshmëri, veçanërisht kur përdorni filtra IIR.

Gjatësia e fjalës së makinës që përdoret në përpunimin e sinjalit dixhital përcakton saktësinë dhe diapazonin dinamik. Pasaktësia në sinkronizim çon në gabime në sinjalin e zgjedhur diskret.

Gabimet e paraqitura nga sinkronizimi janë gjithashtu jolineare dhe varen nga sinjali.

Sistemet reale DSP janë subjekt i tre burimeve të gabimit:

kufizim kur konvertohet në mënyrë dixhitale një sinjal i saktësisë së tij me gjatësinë e kufizuar të një fjale makine
saktësia e kufizuar e llogaritjeve aritmetike të kryera nga procesori
kufizimi i saktësisë së sinjalit sipas gjatësisë së fjalës së makinës kur e kthen atë nga forma diskrete përsëri në analoge

Së bashku, këto gabime përbëjnë konceptin e gabimeve të kampionimit. Gabimet janë jolineare dhe varen nga sinjali. Jolineariteti i gabimeve do të thotë se ato nuk mund të llogariten duke përdorur matematikën konvencionale. Varësia e sinjalit përcakton nevojën për të llogaritur efektin e gabimeve të qenësishme në secilin sinjal individual. Një zgjidhje e thjeshtë për reduktimin e gabimeve të imponuara nga gjatësia e kufizuar e fjalës së makinës është krijimi i modeleve për çdo burim gabimi që përfaqësojnë shtrembërimet e kampionimit si zhurmë të rastësishme.

Modeli i kampionimit me ndikimin e zhurmës së rastësishme është i qartë në kuptimin e thelbit të efektit. Por në realitet ky model nuk është absolutisht i saktë, veçanërisht për sistemet e reagimit siç janë filtrat IIR.
Efekti i lidhur me shfaqjen e gabimeve është i ngjashëm me praninë e zhurmës së rastësishme në sistem.

Artikuj të ngjashëm