Цифровые процессоры обработки сигналов (ЦПОС) (в англоязычной литературе применяется термин Digital Signal Processors и аббревиатура DSP) используются обычно как сопроцессоры (арифметические, графические, и т. д.).
Так, графический сопроцессор предназначен для широкого применения в видеомониторах (дисплеях) ПЭВМ, издательских системах, а также системах компьютерного моделирования и обработки изображений. Графические сопроцессоры оптимизированы на выполнение операций, связанных, например, с получением перемещающихся изображений и трехмерной графики. Естественно, что такие графические операции они выполняют намного быстрее основного МП.
Особенности архитектуры цифровых процессоров обработки сигналов обусловлены спецификой программ, по которым им приходится работать:
- программы выполняются, как правило, в реальном масштабе времени по мере поступления входного сигнала, что придает критическую важность вопросам повышения быстродействия;
- программы содержат много логических и особенно арифметических операций и практически не содержат программ перехода;
|
|
- происходит постоянный и быстрый ввод/вывод данных, зачастую в аналоговой форме;
- программы относительно короткие и достаточно редко изменяются, зачастую остаются неизменными на протяжении всего срока эксплуатации процессора.
Из этого проистекают такие особенности архитектуры:
- в процессорах цифровой обработки сигналов очень часто используется так называемая Гарвардская архитектура с раздельными блоками памяти для хранения программ и данных, они могут иметь разную разрядность, к ним происходит обращение по разным командам;
- большая (иногда нестандартная) разрядность обрабатываемых данных – 16, 24, 32, 48, 64, 128, что позволяет увеличить диапазон обрабатываемых чисел без применения формата с плавающей запятой или обрабатывать по несколько чисел одновременно;
- блоки, предназначенные для ускорения выполнения команды умножения – сдвиговые регистры, матричные умножители;
- память команд и данных на самом кристалле процессора;
- возможность параллельного выполнения нескольких операций одновременно, например ввода/вывода и арифметических команд;
- все команды имеют одинаковую длину и выполняются за одинаковое время, что позволяет использовать счетчик команд для отсчета временных интервалов.
Все эти особенности архитектуры проявляются в таких процессорах, как аналого-цифровой процессор КР1813ВЕ1, процессоры серии TMC320 фирмы Texas Instruments [20], DSP фирм Motorola и др.
Рассмотрим устройство и работу отечественного цифрового процессора обработки сигналов КР1813ВЕ1 (он является расширенным функциональным аналогом схемы i2920 компании Intel, которая первоначально создавалась для использования в аппаратуре голосовой связи). Цифровой процессор обработки сигналов КР1813ВЕ1 содержит законченную микропроцессорную систему со всеми обычными элементами: ОЗУ, ПЗУ, АЛУ, а также АЦП и ЦАП для ввода и вывода аналоговых сигналов (рис. 4.3).
|
|
Рис. 4.3. Структурная схема ЦПОС
Кроме этого, введены системы команд программного цикла с возможностью организации последовательного цифрового ввода/вывода.
Аналого-цифровой преобразователь работает по методу последовательных приближений, его разрядность – 8, за одну команду определяется один разряд числа.
Статическое оперативное запоминающее устройство является двухпортовым, т.е. из него могут одновременно выбираться два операнда – A и B. Разрядность чисел, хранимых в ОЗУ – 24 числовых разряда и один знаковый.
Перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство с ультрафиолетовым стиранием (ППЗУ) содержит набор команд.
В цифроаналоговый регистр помещается результат аналого-цифрового преобразования и оттуда берутся данные.
Арифметико-логическое устройство выполняет операции: сложение, вычитание, запись, исключающее ИЛИ, логическое И, нахождение знака и абсолютной величины. Команды сложения вычитания и загрузки могут быть условными. Признак условной команды – соответствующая команда в аналоговом поле команд. Другие условные команды – переход на начало программы и на 32 адреса вперед.
Устройство сдвига МУ обеспечивает сдвиг вправо на 13 разрядов, вправо на один разряд и сдвиг влево на один разряд.
Команды выбираются группами по четыре, аналоговые и цифровые части команды выполняются параллельно, все это увеличивает быстродействие. Быстродействия данного процессора цифровой обработки сигнала достаточно, чтобы производить практически любые преобразования с сигналами звукового диапазона частот (до 16 кГц).
Система команд аналого-цифрового микропроцессора является типичной для ЦПОС и оптимизированной для решения типичных задач цифровой обработки сигналов: цифровой фильтрации, дискретного преобразования Фурье и пр. Другой ее особенностью является использование принципов архитектуры процессоров с длинным командным словом VLIW – кодирование в одной ассемблерной команде нескольких операций, которые одновременно выполняют несколько блоков – арифметико-логическое устройство, устройства сдвига и аналоговая часть микропроцессора.
Более сложную структуру и большие возможности имеют цифровые процессоры обработки сигналов фирмы Texas Instruments.
Невозможно подробно описать все ЦПОС этого семейства, поэтому кратко приведем особенности двух серий процессоров. Первый процессор семейства TMS320C10 является 16-разрядным процессором. Его адресное пространство составляет 4 К 16-разрядных слов памяти программ и 144 шестнадцатиразрядных слов памяти данных, длительность командного такта процессора составляет 160…200 нс. В основу микропроцессора положена модифицированная гарвардская архитектура. Арифметические функции в процессоре реализованы аппаратно. Он имеет аппаратный умножитель MULT, устройство сдвига SHIFTER, аппаратную поддержку автоинкремента – декремента адресных регистров данных ARO, AR1.
С внешними устройствами процессор взаимодействует через восемь 16-разрядных портов ввода/вывода. Предусмотрена возможность обработки внешнего прерывания. Другие микропроцессоры данного семейства имеют аналогичную архитектуру и отличаются длительностью командного такта, конфигурацией памяти, наличием (или отсутствием) дополнительных периферийных устройств.
|
|
Результатом дальнейшего развития семейства цифровых процессоров обработки сигналов компании Texas Instruments является процессор принципиально новой архитектуры TMS320C80. Процессор ориентирован на применения, связанные с высокопроизводительной цифровой обработкой сигнала в самых широких областях науки и техники. МП TMS320C80 объединяет в одной микросхеме пять полнофункциональных процессоров, четыре из которых – улучшенные цифровые процессоры обработки сигналов (Advanced Digital Signal Processor). Их архитектура ориентирована на реализацию алгоритмов цифровой обработки сигналов. Каждый ADSP позволяет выполнить за один командный такт несколько RISC-подобых операций. Пятый процессор, главный Master Processor (МР), представляет собой 32-разрядный RISC-процессор с высокопроизводительным вычислителем с плавающей точкой. В дополнение к процессорному ядру на кристалле размещены:
· контролер обмена Transfer Controller (TC) – интеллектуальный контролер ПДП, поддерживающий интерфейс с DRAM и SRAM;
· видеоконтроллер Video Controller (VC);
· система контроля и отладки – порт JTAG (IEEЕ 1149.1);
· 50 Кбит SRAM.
Выпускается также упрощенный вариант микропроцессора TMS320C82, который отличается меньшим объемом памяти, количеством сигнальных процессоров ADSP (2), отсутствием видеоконтроллера и соответственно меньшей стоимостью. Суммарная производительность ЦПОС TMS320C80 на регистровых операциях достигает 2 млрд RISC-подобных команд в секунду. Благодаря столь высокой производительности ЦПОС TMS320C80 может заменить при реализации ряда приложений более 10 высокопроизводительных МП общего назначения. Пропускная способность шины ЦПОС TMS320C80 достигает в потоке данных 2,4 Гбайт/с и в потоке инструкций 1,8 Гбайт/с.
Ниже приводятся основные характеристики ЦПОС TMS320C80:
· тактовая частота 40 или 50 МГц.
· производительность свыше 2 млрд операций в секунду;
· четыре 32-разрядных ADSP- процессора;
· 32-разрядный главный RISC-процессор с вычислителем с плавающей точкой;
· 50 Кбайт статической памяти SRAM на кристалле;
· 64-разрядный контроллер обмена с динамическим конфигурированием шины на обмен 64-х, 32-х, 16- и 8-разрядными словами;
|
|
· режим ПДП к 64-разрядному SRAM, DRAM;
· 4-Гбайтный объем адресного пространства;
· видеоконтроллер;
· 4 внешних прерывания;
· встроенные средства внутрисхемной эмуляции;
· напряжение питания 3,3 В;
· около 4 млн транзисторов на кристалле;
· 0,5/0,6 КМОП-технология;
· 305-контактный корпус PGA
Рассмотренные универсальные микропроцессоры и ЦПОС применяются в сложных уникальных устройствах, разработкой которых занимаются большие коллективы специалистов. Для решения задач автоматизации технологических процессов больший интерес представляют однокристальные микроконтроллеры.