Особенности сигнальных процессоров. Основы выбора цифровых сигнальных процессоров

24.06.2019

"Научно-технические статьи" - подборка научно-технических статей радиоэлектронной тематики: новинки электронных компонентов , научные разработки в области радиотехники и электроники , статьи по истории развития радиотехники и электроники , новые технологии и методы построения и разработки радиоэлектронных устройств, перспективные технологии будущего, аспекты и динамика развития всех направлений радиотехники и электроники , обзоры выставок радиоэлектронной тематики.

В статье рассмотрены основные параметры цифровых сигнальных процессоров (DSP) и их влияние на выбор подходящей микросхемы, а также описано текущее состояние рынка DSP.

Выбирая обувь, мы хотим, чтобы она была модной, удобной и высокого качества, поэтому мы отдаем предпочтение известным маркам, тем фирмам, которые уже хорошо известны и занимают на рынке далеко не последние места. Теперь нужно определиться: для чего нам нужна эта обувь? Если для утренней пробежки, то лучше все-таки купить кроссовки, а для корпоративного вечера - туфли. А что обувать в горах? В этом случае нужна специальная крепкая обувь с твердой подошвой - вибрамы. А чем хуже DSP? Выбирая цифровой сигнальный процессор, не плохо было бы представлять существующий рынок DSP, знать основных производителей и направления развития создаваемых ими процессоров.

DSP-процессоры предназначены для осуществления цифровой обработки сигнала - математических манипуляций над оцифрованными сигналами. Они широко применяются в беспроводных системах, аудио- и видеообработке, системах управления. С ростом числа приложений, использующих DSP, и сложности алгоритмов обработки увеличивается и требования к ним в плане повышения быстродействия и оснащенности интерфейсными и другими специализированными узлами. К настоящему времени появилось множество типов DSP, как универсальных, так и ориентированных на достаточно узкий круг задач.

Таблица 1. Основные производители DSP и принадлежащие им доли рынка

Компании-лидеры рынка	Company Name	Доля рынка DSP
1	Texas Instruments	54,3%
2	Freescale Semiconductor	14,1%
3	Analog Devices	8,0%
4	Philips Semiconductors	7,5%
5	Agere Systems	7,3%
6	Toshiba	4,9%
7	DSP Group	2,2%
8	NEC Electronics	0,6%
9	Fujitsu	0,4%
10	Intersil	0,3%
	Other Companies	0,5%
	Total	100,0%

Естественно, ни один из процессоров не может подойти для всех приложений. Поэтому первая задача разработчика - выбор процессора, наиболее подходящего по производительности, цене, наличию определенной периферии, потреблению мощности, простоте использования и другим критериям.

Например, для таких портативных устройств, как мобильные телефоны, портативные цифровые плееры, стоимость, степень интеграции и потребляемая мощность являются первостепенными, а максимальная производительность зачастую не нужна (т.к. обычно влечет за собой значительное повышение потребляемой мощности, не давая преимуществ при обработке относительно низкоскоростных аудиоданных). В то же время для гидроакустических или радиолокационных систем определяющими параметрами являются скорость работы, наличие высокоскоростных интерфейсов и удобная система разработки, а стоимость является второстепенным критерием.

Кроме того, во многих случаях имеет смысл учитывать и место на рынке, занимаемое поставщиком процессора, т.к. далеко не все производители могут предоставить в ваше распоряжение спектр процессоров, покрывающих все ваши потребности. Сложившееся к настоящему времени распределение рынка между ведущими поставщиками (см. табл. 1) показывает, что 4 компании, стоящие в начале списка, поставляют более 80% всех используемых в мире DSP. Именно эти компании наиболее известны и на российском рынке, и их продукция часто упоминается в нашем журнале, например, основные характеристики DSP производства Texas Instruments ? Analog Devices рассматривались в №7 за 2005 г. и №1 за 2006 г.

Следует помнить, что производители DSP, проектируя новые микросхемы, достаточно четко позиционируют их для использования в тех или иных приложениях. Это оказывает влияние и на их архитектуру, и на быстродействие, и на оснащение процессора тем или иным набором периферийных модулей. В таблице 2 показано позиционирование DSP с точки зрения их создателей.

Таблица 2. Области применения семейств сигнальных процессоров разных производителей

Обработка видео, видеонаблюдение, цифровые камеры, 3D графика	TMS320DM64x/DaVinci, TMS320C64xx, TMS320C62xx (TI), PNX1300, PNX1500, PNX1700 (Philips), MPC52xx (Freescale)
Обработка аудио,распознавание речи, синтез звука	TMS320C62xx, TMS320C67xx (TI), SHARC (Analog Devices)
Портативные медиа устройства	TMS320C54xx, TMS320C55xx (TI), Blackfin (Analog Devices)
Беспроводная связь, телекоммуникации, модемы, сетевые устройства	TMS320C64xx, TMS320C54xx, TMS320C55xx (TI), MPC7xxx, MPC86xx, MPC8xx PowerQUICC I, MPC82xx PowerQUICC II, MPC83xx PowerQUICC II Pro, MPC85xx PowerQUICC III (Freescale), Blackfin, TigerSHARC (Analog Devices), PNX1300 (Philips)
Управление приводами,преобразование мощности, автомобильная электроника, предметы домашнего обихода, офисное оборудование	TMS320C28xx, TMS320C24xx (TI), ADSP-21xx (Analog Devices), MPC55xx, MPC55xx (Freescale)
Медицина, биометрия, измерительные системы	TMS320C62xx, TMS320C67xx, TMS320C55xx, TMS320C28xx (TI), TigerSHARC, SHARC (Analog Devices)

Формат данных и разрядность

Одна из основных характеристик цифровых сигнальных процессоров - формат обрабатываемых данных.

Все DSP работают либо с целыми числами, либо с числами в формате с плавающей точкой, причем для целых чисел разрядность составляет 16 или 32, а для чисел с плавающей точкой она равна 32. Выбирая формат данных, необходимо иметь в виду следующее: DSP с целочисленными данными (или данными с фиксированной точкой) обычно дешевле и обеспечивают большую абсолютную точность при равной разрядности (т.к. на мантиссу в 32-битном процессоре с фиксированной точкой отводятся все 32 бита, а в процессоре с плавающей точкой - только 24). В то же время динамический диапазон сигналов, с которыми могут без искажений работать процессоры, у процессоров с фиксированной точкой значительно уже (на несколько десятичных порядков). При относительно простых алгоритмах обработки это может быть неважно, т.к. динамический диапазон реальных входных сигналов чаще всего меньше, чем допускает DSP, однако в некоторых случаях возможно возникновение ошибок переполнения при выполнении программы. Это приводит к принципиально неустранимым нелинейным искажениям выходного сигнала, аналогичным искажениям из-за ограничения в аналоговых схемах.

Следовательно, при выборе DSP необходимо тщательно анализировать алгоритм обработки и входные сигналы для правильного выбора разрядности и типа арифметики. Иногда при невозможности подобрать подходящий процессор с плавающей точкой (из-за большей его стоимости или энергопотребления) используют DSP с фиксированной точкой и сжатие динамического диапазона обрабатываемых сигналов (компрессию), однако это приводит к увеличению сложности алгоритма обработки сигнала и повышает требования к быстродействию. Конечно, можно эмулировать операции с плавающей точкой и на процессоре с целочисленной арифметикой или перейти к обработке чисел удвоенной разрядности, однако это также значительно усложняет программу и значительно снижает быстродействие.

Несмотря на все ограничения, большинство встроенных приложений используют процессоры с фиксированной точкой из-за меньшей цены и энергопотребления.

Увеличение количества разрядов повышает стоимость, размер кристалла и число необходимых выводов процессора, а также необходимый объем внешней памяти. Поэтому разработчики стремятся использовать кристалл с минимально возможной разрядностью.

Стоит заметить, что разрядность данных и разрядность команд процессоров не всегда эквивалентны.

Скорость

Ключевой параметр при выборе процессора - это скорость. Она влияет на время выполнения обработки входного сигнала и, следовательно, определяет его максимальную частоту. Одна из самых частых ошибок разработчика - отождествление тактовой частоты и быстродействия, что в большинстве случаев неправильно.

Очень часто скорость работы DSP указывают в MIPS (миллионах инструкций в секунду). Это наиболее просто измеряемый параметр.

Однако проблема сравнения скорости различных DSP состоит в том, что процессоры имеют различные системы команд, и для выполнения одного и того же алгоритма разными процессорами требуется разное число этих команд. Кроме того, иногда для выполнения различных команд одним процессором требуется различное количество тактов синхронизации. В результате процессор со скоростью 1000 MIPS вполне может оказаться в разы медленнее процессора со скоростью 300 MIPS, особенно при различной их разрядности.

Одно из решений этой проблемы - сравнивать процессоры по скорости выполнения определенных операций, например, операции умножения с накоплением (MAC). Скорость выполнения таких операций критична для алгоритмов, использующих цифровую фильтрацию, корреляцию и преобразования Фурье. К сожалению, такая оценка также не дает полной информации о реальном быстродействии процессора.

Наиболее точной является оценка скорости исполнения определенных алгоритмов - например, КИХ- и БИХ-фильтрации, однако это требует разработки соответствующих программ и тщательного анализа результатов тестирования.

Рис. 1 Cравнение по скорости современных DSP разных производителей

Существуют компании, занимающиеся анализом и сравнением процессоров по основным характеристикам, в том числе и по скорости. Лидером среди таких компаний является BDTI - Berkeley Design Technology, Inc. (www.bdti.com). В качестве примера на рисунке 1 показано сравнение по скорости современных DSP разных производителей.

Цифровые сигнальные процессоры (ЦСП) – это особый вид микропроцессорной техники, предназначенный для работы в реальном времени. Области применения ЦСП:

Цифровая фильтрация сигналов,

Оптимальная обработка, вычисление корреляционных функций,

Спектральный анализ сигналов,

Кодирование и декодирование информации,

Распознавание и синтез речи, синтез и обработка музыки,

Обработка изображений,

Компьютерная графика, синтез изображений,

Измерительная техника.

Главной отличительной особенностью ЦСП является большой объем вычислений, выполняемый в реальном времени. Это определяет следующие отличительные особенности ЦСП:

Применение расширенной гарвардской архитектуры – раздельных памяти команд и данных с независимыми шинами, что позволяет за один такт внутренней частоты кристалла осуществлять выборку команд и их исполнение,

Короткие команды, реализуемые в конвейерных устройствах, обуславливают RISC архитектуру ЦСП,

Обязательное наличие параллельного аппаратного умножителя, выполняющего команды умножения за один такт внутренней частоты кристалла,

Наличие специальных команд обработки сигналов. Например, в семействе процессоров TMS320 фирмы Texas Instruments имеется команда dmov, которая добавляет новый отсчет сигнала к выборке, сдвигая остальные отсчеты на один квант времени, команда LTD загружает множимое в регистр умножителя, осуществляет сдвиг отсчетов сигнала и складывает результат предыдущего умножения с содержимым аккумулятора.

За свою историю развития с начала 80-х годов прошлого века сменилось несколько поколений ЦСП, но ряд ЦСП предыдущих поколений в современном исполнении продолжают выпускаться из-за удачной архитектуры. ЦСП первого поколения TMS32010 разработан фирмой Texas Instruments в 1982 году. Это 16-разрядный микропроцессор с производительностью 5 миллионов команд в секунду (MIPS) имел внутреннее ОЗУ 144-256 слов, ПЗУ 1,5 - 4К слов. АЛУ и аккумулятор 32 разрядные, аппаратный умножитель 16х16 – результат 32 разряда, имелись порты ввода – вывода.

ЦСП второго поколения появились в середине 80-х годов. Это TMS32020, КМОП микропроцессор TMS320C25 с производительностью 10 MIPS. Наиболее интересны ЦСП DSP56000 и DSP56001 производительностью 10 и 25 MIPS соответственно. Их разработала фирма Motorola. Это единственные 24-разрядные ЦСП. Модификации ЦСП такой архитектуры до сих пор выпускаются. Архитектура DSP56001 показана на рис. 7.1. Процессор имеет расширенную гарвардскую архитектуру. ОЗУ данных X и Y имеют отдельные шины адреса YA, XA и данных XD, YD. Кроме того, отдельная шина адреса PA применена для адресации ПЗУ загрузки и ОЗУ программ, имеющих и отдельную шину данных PD. Шина данных GD используется для загрузки программ из host-компьютера по синхронному последовательному интерфейсу. Кроме того, GD используется для обслуживания прерываний от программируемого контроллера прерываний. Блоки коммутации могут передавать данные и адреса между этими шинами, а блоки коммутации внешних шин позволяют выводить из кристалла любую из шин. Генератор управляющих сигналов формирует внешние сигналы управления. К тактовому генератору подключается внешний кварц и он тактирует всю схему.

Рис. 7.1. Архитектура DSP56001

В ПЗУ X и Y записаны отсчеты синуса и косинуса, что позволяет проводить квадратурный прием и обработку. В настоящее время такой ЦСП наиболее часто используется при обработке и синтезе звука.

ЦСП третьего поколения появились на рубеже 80 – 90 годов. Это TMS320C30 - TI, DSP96002 – Motorola, DSP32C AT&T Microelectronics. Особенности этих процессоров – они 32 разрядные, в одном АЛУ могут выполнять целочисленные вычисления и с плавающей точкой, имеют расширенную гарвардскую архитектуру, наличие таймеров и портов ввода – вывода. Модификация ЦСП TMS320C30 выпускается и до настоящего времени – это TMS320VC33-120 и -150. Производительность TMS320VC33-150 150 миллионов операций с плавающей точкой в секунду (MFLOPS).

Его основные параметры:

ОЗУ 34K 32 разрядных слов с двумя параллельными шинами доступа,

Тактовый генератор с возможностью умножения внутренней частоты,

32 разрядное ядро плавающей точки,

4 строба выборки внешних устройств,

Контроллер прерываний,

Начальный загрузчик,

8 40-разрядных регистров повышенной точности,

Один последовательный порт,

Два таймера,

сопроцессор прямого доступа к памяти (ПДП),

144 выводный корпус LQFP.

ЦСП четвертого поколения разрабатывались в 90 –е годы. Здесь произошло разделение ЦСП на относительно дешевые 16-разрядные ЦСП с фиксированной точкой и дорогие производительные 32- 40 разрядные ЦСП с плавающей точкой. ЦСП с фиксированной точкой стали использоваться в связной аппаратуре, модемах, звуковых мультимедийных устройствах, обработке сигналов, среди фирм разработчиков таких ЦСП известны семейства фирмы Analog Devices ADSP. ЦСП с плавающей точкой – для обработки широкополосных сигналов, изображений, в компьютерной графике. Типичным представителем ЦСП с плавающей точкой является TMS320C40 – TI. Архитектура этого ЦСП показана на рис. 7.2. Производительность этого процессора 275 MIPS. Главной особенностью его архитектуры является наличие шины ввода – вывода по прямому доступу в память с сопроцессором. Она предназначена для скоростного обмена через коммуникационные порты 0 – 5 с другими процессорами, образующими MIMD архитектуру. Каждый порт имеет 8 бит данных и 4 сопровождающих сигнала с пропускной способностью 20 Мб/с.

Рис. 7.2. Архитектура TMS320C40

На рис. 7.3 показан вариант топологии связей процессоров.

Рис. 7.3. Топология связей ЦСП

ЦСП пятого и шестого поколений разрабатывались в начале 21 века. Здесь следует отметить разработки фирмы TI – процессоры семейств С5000 и С6000. Семейство С5000 представляет собой семейство дешевых ЦСП с фиксированной точкой, высоким быстродействием и пониженным потреблением 0,9 В, а С6000 – ЦСП с фиксированной и плавающей точкой с производительностью до 1200 MFLOPS.. Некоторые параметры семейства TMS320C55x:

Потребление 0,05 мВ/MIPS,

Производительность 140 – 800 MIPS, включая операции умножения,

Переменная длина команд 8 – 48 бит,

2 умножителя, 2 АЛУ, 4 аккумулятора,

4 регистра данных,

Выборка команд – по 32 разряда.

В настоящее время ЦСП применяются совместно с программируемой логикой. Средства отладки аппаратуры на основе ЦСП и программируемой логики подразделяются на две категории:

Программная поддержка для формирования и отладки машинного кода обработки сигналов в ЦСП (средства генерации кода),

Программно-аппаратная поддержка для интеграции ЦСП с целевой аппаратурой разрабатываемого устройства и средства отладки программы обработки с аппаратной частью в реальном времени.

Эти два вида отладки обычно выполняются разными разработчиками с перекрытием по времени, что ускоряет процесс проектирования и изготовления аппаратуры. На рис. 7.4 приведена структура процесса отладки аппаратуры с ЦСП и программируемой логикой.

Рис. 7.4. Процесс разработки аппаратуры на ЦСП и ПЛИС

В процессе отладки программы ЦСП происходят возвраты и исправление программы, но также точно происходят возвраты и для изменения логики, заложенной в программируемой логике аппаратной части. Таким образом, процесс отладки при применении ЦСП и ПЛИС оказывается существенно более гибким и позволяет менять как программную, так и аппаратную часть.

Каковы особенности развития аппаратуры на основе ЦСП и программируемой логики?

1. Развитие различных параллельных архитектур обработки как в ЦСП, так и в программируемой логике.

2. Развитие соответствующих отладочных средств на основе эмуляторов, симуляторов и интерфейсов тестирования, подобных JTAG.

3. Комбинирование внутри одного кристалла ЦСП и программируемой логики, например в TMS320C54x.

4. Развитие эффективности оптимизирующих компиляторов языков высокого уровня типа С до уровня, чтобы не требовалось ассемблерных вставок в программы.

5. Развитие гетерогенных аппаратных систем на одном кристалле, включающих в себя различные типы микропроцессоров, включая и ЦСП, и оснащение их параллельными многопроцессорными операционными системами реального времени.

Список литературы

1. Супер ЭВМ. Аппаратная и программная организация/ Под ред. С. Фернбаха: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1991.

2. Хокни Р., Джессоуп К. Параллельные ЭВМ. Архитектура, программирование и алгоритмы: Пер. с англ.-М.: Радио и связь, 1986.

3. Коуги П.М. Архитектура конвейерных ЭВМ: Пер. с англ.-М.: Радио и связь, 1985.

4. Параллельные вычисления/ Под ред. Г.Родрига: Пер. с англ.-М.: Наука, 1986.

5. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник. – М.: Радио и связь, 1990.

6. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов. - М: ДОДЭКА, 2000.

7. КнышевД.А. ПЛИС фирмы “XILINX ”: описание структуры основных семейств. - М: ДОДЭКА-XXI, 2001.

8. Сикарев А.А., Лебедев О.Н. Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов. - М.: Радио и связь, 1983.

Цифровой сигнальный процессор (англ. digital signal processor , DSP , цифровой процессор обработки сигналов (ЦПОС) ) - специализированный микропроцессор , предназначенный для обработки оцифрованных сигналов (обычно, в режиме реального времени).

Особенности архитектуры

Архитектура сигнальных процессоров, по сравнению с микропроцессорами общего применения, имеет некоторые особенности, связанные со стремлением максимально ускорить выполнение типовых задач цифровой обработки сигналов, таких, как цифровая фильтрация , преобразование Фурье , поиск сигналов и т. п. Математически эти задачи сводятся к поэлементному перемножению элементов многокомпонентных векторов действительных чисел, последующему суммированию произведений (например, в цифровой фильтрации выходной сигнал фильтра с конечной импульсной характеристикой равен сумме произведений коэффициентов фильтра на вектор выборок сигнала, аналогичные вычисления производятся при поиске максимумов корреляционных и автокорелляционных функций выборок сигналов). Поэтому сигнальные процессоры оптимизированы по быстродействию для выполнения именно таких операций. И ЦСП ориентированы, в первую очередь, на многократное выполнение умножения с расчётом «на лету» адресов перемножаемых элементов массивов:

Операция «умножение с накоплением» (англ. multiply-accumulate , MAC ) (Y = Y + A × B ), где Y, A, B - элементы действительных массивов с автоматическим расчетом адресов элементов массивов и обычно реализована аппаратно и исполняется за один машинный цикл.
Аппаратная реализация многократного повторения заданного набора команд, то есть циклы с заранее назначенной длиной без использования счетчиков цикла и команд проверки обнуления счетчика цикла - признака выхода из цикла.
Возможность одновременной в одном машинном такте выборки команды и двух операндов для максимально быстрого выполнения команды MAC. Для этого ЦСП имеет несколько портов обращения к памяти (независимых областей памяти, каждая со своим комплектом шин адреса и данных).
Поддержка векторно-конвейерной обработки с помощью генераторов адресных последовательностей.

Ограниченность аппаратных ресурсов первых ЦСП накладывала существенный отпечаток на их архитектуру:

Гарвардская архитектура (разделение памяти команд и данных), как правило, модифицированная ; с разделением памяти на сегменты с независимым доступом.
Детерминированная работа с известными временами выполнения команд, что позволяет выполнять планирование работы в реальном времени .
Сравнительно небольшая длина конвейера , так что незапланированные условные переходы могут занимать меньшее время, чем в универсальных процессорах.
Экзотический набор регистров и инструкций, часто сложных для компиляторов . Некоторые архитектуры тогда использовали VLIW .

В современной микроэлектронике процессоры общего применения зачастую содержат аппаратную поддержку типовых операций ЦОС. Особо времяёмкие задачи ЦОС решаются на основе программируемой логики , где можно достичь предельной оптимизации выполнения конкретной операции. Специализированные процессоры ЦОС все чаще делают векторными . В то же время классические ЦСП снабжают развитыми наборами команд процессоров общего применения и сглаживают особенности программной модели, позиционируя их как изделия широкого применения с ускоренными функциями ЦОС. Все эти тенденции приводят к размыванию классического понятия ЦСП.

Области применения

Коммуникационное оборудование:
- Уплотнение каналов передачи данных;
- Кодирование аудио- и видеопотоков;
Системы гидро- и радиолокации;
Распознавание речи и изображений;
Речевые и музыкальные синтезаторы;
Управление технологическими процессами;
Другие области, где необходима быстродействующая обработка сигналов, в том числе в реальном времени.

История

Предшествующие разработки

До 1980 года несколько компаний выпустили устройства, которые можно считать предшественниками ЦСП. Так, в 1978 Intel выпускает «процессор аналоговых сигналов» 2120. В его состав входили АЦП , ЦАП и процессор обработки цифровых данных, однако аппаратная функция умножения отсутствовала. В 1979 AMI выпускает S2811 - периферийное устройство, управляемое основным процессором компьютера. Оба изделия не достигли успеха на рынке.

Первое поколение (начало 1980-х)

Основную историю ЦСП принято отсчитывать от 1979-1980 годов, когда Bell Labs представила первый однокристальный ЦСП Mac 4, а также на «IEEE International Solid-State Circuits Conference "80» были показаны µMPD7720 компании NEC и DSP1 компании AT&T , которые, однако, не получили широкого распространения. Стандартом де-факто стал выпущенный чуть позже кристалл TMS32010 фирмы Texas Instruments , по многим параметрам и удачным техническим решениям превосходящий изделия конкурентов. Вот некоторые его характеристики:

АЛУ :
- Размер слова: 16 бит;
- Разрядность вычислителя: 32 бит;
- Быстродействие: 5 млн операций сложения или умножения в секунду;
Длительность командного цикла: 160-280 нс;
Память:
- ОЗУ : 144-256 слов;
- ПЗУ программ: 1,5-4 К слов;
- ППЗУ : до 4К слов (отдельные модели);
Внешняя шина:
- Разрядность: 16 бит;
- Адресуемое пространство: 4К слов
- Пропускная способность: 50 Мбит/с
Устройства ввода-вывода: 8 портов по 16 разрядов;

Второе поколение (середина 1980-х)

Благодаря прогрессу в полупроводниковых технологиях в этот период были выпущены изделия, имеющие расширенные функции по сравнению с первым поколением. К характерным отличиям можно отнести:

Увеличение объёма ОЗУ до 0,5 К слов;
Добавлена возможность подключения внешней памяти программ и внешней памяти данных объёмом до 128 К слов;
Быстродействие повышено в 2-4 раза;
Улучшенные подсистемы прерываний и ввода-вывода.

Много позднее также были выпущены устройства, формально относящиеся ко второму поколению, но имеющие следующие усовершенствования:

Увеличена разрядность данных;
Пониженное напряжение питания и, как следствие, энергопотребление;
Введены режимы экономии энергии;
Аппаратная поддержка мультипроцессорности (система совместного доступа к внешней памяти);
Аппаратная поддержка кольцевых буферов;
Аппаратная поддержка операций циклов;
Расширены способы адресации;
Две внутренние шины данных, что позволяет значительно ускорить парную обработку данных (координаты X/Y, действительная и мнимая часть и т. д.), либо виртуально удвоить разрядность обрабатываемых данных;
Введена кэш-память.

Третье поколение (конец 1980-х)

Третье поколение ЦСП принято связывать с началом выпуска изделий, реализующих арифметику с плавающей запятой. Характерные особенности первых выпущенных образцов:

Производительность: порядка 20-40 млн оп./сек. (MIPS);
Два блока ОЗУ по 1 К 32-разрядных слов с возможностью одновременного доступа;
Кэш-память объёмом 64 слова;
Разрядность регистров: 32 бит;
Разрядность АЛУ: 40 бит;
Регистры для операций с повышенной точностью;
Встроенные контроллеры ПДП;
Разрядность шин: 32 бит для команд и 24 бит для адреса;

Четвёртое поколение

Четвёртое поколение ЦСП характеризуется значительным расширением наборов команд, созданием VLIW и суперскалярных процессоров. Заметно возросли тактовые частоты. Так, например, время выполнения команды MAC (Y:= X + A × B ) удалось сократить до 3 нс.

Современные ЦСП

Лучшие современные ЦСП можно характеризовать следующими параметрами:

Тактовая частота - 1 ГГц и выше;
Многоядерность;
Наличие двухуровневого кеша;
Встроенные многоканальные контроллеры прямого доступа к памяти;
Быстродействие порядка нескольких тысяч MIPS и MFLOPS ;
Выполнение до 8 параллельных инструкций за такт;
Совместимость со стандартными шинами (PCI и др.)

Основные параметры ЦСП

Тип арифметики . ЦСП делятся на процессоры, обрабатывающие данные с фиксированной точкой и обрабатывающие данные с плавающей точкой. Устройства с плавающей точкой удобнее в применении, но они заметно сложнее по устройству и более дороги;
Разрядность данных . Большинство ЦСП с фиксированной точкой обрабатывают данные с разрядностью 16 бит, процессоры с плавающей точкой - 32 бита. Многие модели могут обрабатывать данные с двойной точностью.
Быстродействие . Быстродействие как интегральную характеристику определить достаточно сложно, поэтому скорость работы характеризуют несколькими параметрами, а также временем решения некоторых реальных задач.
- Тактовая частота и Время командного цикла . Для современных ЦСП тактовая внутренняя частота может отличаться от внешней, поэтому могут указываться два значения. Время командного цикла указывает на время выполнения одного этапа команды, то есть время одного цикла конвейера команд. Так как команды могут исполняться за разное количество циклов, а также с учётом возможности одновременного исполнения нескольких команд, этот параметр может характеризовать быстродействие ЦСП достаточно приближённо.
- Количество выполняемых команд за единицу времени . Различное время исполнения команд, а также исполнение нескольких команд одновременно не позволяют использовать этот параметр для надёжной характеристики быстродействия.
- Количество выполняемых операций за единицу времени (MIPS) . Данный параметр учитывает одновременную обработку нескольких команд и наличие параллельных вычислительных модулей, поэтому достаточно хорошо может указывать на быстродействие ЦСП. Некоторой проблемой здесь остаётся то, что понятие «операции» чётко не формализовано.
- Количество выполняемых операций с плавающей точкой за единицу времени . Параметр аналогичен предыдущему и используется для процессоров с плавающей точкой.
- Количество выполняемых операций MAC за единицу времени . Данная команда, с одной стороны, является базовой для многих вычислений, а с другой - достаточно проста. Поэтому время её исполнения можно использовать в том числе и для оценки общей производительности ЦСП.
Виды и объём внутренней памяти . Объём внутренней оперативной памяти показывает, сколько данных ЦСП может обработать без обращения к внешней памяти, что может характеризовать общее быстродействие системы, а также возможность работать «в реальном времени». Тип ПЗУ определяет возможности по программированию устройства. Модели с обычным ПЗУ подходят для крупносерийного производства, ППЗУ (однократно программируемое) удобно для небольших тиражей, а применение Flash-памяти позволяет менять программу устройства многократно во время эксплуатации. На данный момент не очень мощные DSP чаще всего снабжены достаточно большой Flash-памятью (её цена неуклонно снижается) и заметным объёмом RAM и поэтому могут являться самодостаточными без добавления внешней памяти и на этапе разработки, и на этапе производства, что повышает конкурентоспособность таких DSP в ряде сегментов рынка. Мощные DSP, как правило, полагаются на внешнюю память, подключённую по достаточно быстрым шинам, а размещение там Flash-памяти может быть технически проблематичным, например, из-за заметного выделения тепла.
Адресуемый объём памяти . Объём адресуемой внешней памяти характеризуется шириной внешней шины адреса.
Способ начальной загрузки .
Количество и параметры портов ввода-вывода . Данный параметр показывает возможности ЦСП по взаимодействию с внешними по отношению к нему устройствами.
Состав внутренних дополнительных устройств . В число внутренних могут входить разнообразные по назначению устройства, например, общего применения - таймеры, контроллеры ПДП и т. д., а также проблемно-ориентированные - АЦП, кодеки, компрессоры данных и другие.
Напряжение питания и потребляемая мощность . Данная характеристика особенно важна для ЦСП, встраиваемых в переносные устройства. Обычно предпочтительнее низковольтные устройства (1,8-3,3В), которые имеют быстродействие аналогично 5В процессорам, но заметно экономнее в плане потребления энергии. Многие устройства имеют режимы экономии при простое, либо позволяют программно отключать часть своих устройств.
Состав и функциональность средств разработки и поддержки .
- Перечень языков программирования, для которых есть компиляторы под данную систему;
- Наличие и возможности средств отладки готовых программ;
- Доступность документации и технической поддержки;
- Наличие библиотек стандартных подпрограмм и математических функций;
- Наличие, доступность и возможности совместимых устройств - АЦП, ЦАП, контроллеры питания и т. д.
Допустимые параметры окружающей среды .
Другие, в зависимости от назначения.

Часто используются также интегральные характеристики ЦСП, например, показатель «мощность/ток/быстродействие», например, ma/MIPS (миллиампер на 1 млн инструкций в секунду), что позволяет оценить реальную потребляемую мощность в зависимости от сложности задачи, решаемой процессором в указанный момент.

Выбор ЦСП целиком определяется назначением разрабатываемой системы. Например, для массовых мобильных устройств важна дешевизна процессора, низкое энергопотребление, в то время как стоимость разработки системы отходит на второй план. С другой стороны, для измерительного оборудования, систем обработки звуковой и видеоинформации важны эффективность процессора, наличие развитых инструментальных средств, многопроцессорность и т. д.

Оценка и сравнение производительности

Как отмечено ранее, отдельные характеристики типа тактовой частоты, MIPS, MOPS, MFLOPS позволяют оценить быстродействие ЦСП достаточно неоднозначно. Поэтому для решения задачи измерения и сравнения характеристик разных ЦСП используют специальные наборы тестов, имитирующих некоторые распространенные задачи цифровой обработки сигналов. Каждый тест состоит из нескольких небольших программ, которые пишутся на ассемблере и оптимизируются под заданную архитектуру. Эти тесты могут включать реализацию:

Фильтры КИХ и БИХ ;
Перемножение векторов ;

Наиболее авторитетным пакетом тестов на сегодняшний день является тест BTDImark2000 (), который, кроме указанных алгоритмов, включает также оценку используемой алгоритмом памяти, время разработки системы и другие параметры.

Устройство

Гарвардская архитектура

Цифровые сигнальные процессоры строятся на основе т. н. «Гарвардской архитектуры», отличительной особенностью которой является то, что программы и данные хранятся в различных устройствах памяти - памяти программ и памяти данных. В отличие от архитектуры фон Неймана , где процессору для выборки команды и двух операндов требуется минимум три цикла шины, ЦСП может производить одновременные обращения как к памяти команд, так и к памяти данных, и указанная выше команда может быть получена за два цикла шины. В реальности, благодаря продуманности системы команд и другим мерам, это время может быть сокращено до одного цикла. В реальных устройствах память команд может хранить не только программы, но и данные. В этом случае говорят, что ЦСП построен по модифицированной гарвардской архитектуре.

Память команд и память данных обычно располагаются на кристалле ЦСП. В связи с тем, что эта память имеет относительно небольшой объём, возникает необходимость в использовании внешних (относительно кристалла процессора) запоминающих устройств. Для таких устройств раздельные шины команд и данных не используются, так как это потребовало бы значительно увеличить количество внешних выводов кристалла, что дорого и непрактично. Поэтому взаимодействие ЦСП с внешними запоминающими устройствами происходит по одному комплекту шин без разделения на команды и данные. Следует также заметить, что обращение к внешней памяти всегда занимает значительно больше времени, чем к внутренней, поэтому в приложениях, критичных ко времени исполнения, такие обращения необходимо минимизировать.

Структурная схема

Конвейерное исполнение команд

Конвейер представляет собой вычислительный поток, который на каждой стадии выполняет определенную микрооперацию , поэтому на конвейере в каждый момент времени находится несколько команд на разной стадии выполнения. Это позволяет повысить быстродействие.

Наличие нескольких конвейеров реализует суперскалярную архитектуру.

При параллельной обработке команд на разных конвейерах максимальный эффект достигается на однотипных командах, не зависящих друг от друга. Если в программе присутствуют команды разного типа, то на конвейере вводятся такты ожидания.

Для оптимизации загрузки конвейеров необходимо следующее:

Компиляция машинного кода под конкретный процессор.
Оптимизация загрузки конвейера в блоки предварительного декодирования команд.

В итоге команды выполняются не в том порядке, в каком их записывал программист.

Аппаратная реализация основных функций

Умножители

Аппаратный умножитель применяется для сокращения времени выполнения одной из основных операций ЦОС - операции умножения. В процессорах общего назначения эта операция реализуется за несколько тактов сдвига и сложения и занимает много времени, а в DSP благодаря специализированному умножителю - за один командный цикл.

Функционально умножители делятся на два вида:

Сдвигатели

Сдвигателем называется как устройство, выполняющее операцию сдвига данных, так и регистр, в котором хранится результат сдвига.

С точки зрения выполняемых функций, сдвигатели делятся на:

Предсдвигатели , выполняющие сдвиг до начала операции или в ходе её исполнения;
Постсдвигатели , выполняющие сдвиг после исполнения операции.

В обоих случаях структура регистра, хранящего результат сдвига, совпадает со структурой аккумулятора .

Функции предсдвигателей Функции постсдвигателей

Масштабирование результатов при сохранении в память. При этом содержимое аккумулятора (результат основной операции) остается неизменным;
Удаление битов расширения знака;
Нормализация;
Выделение одинакового порядка.

Устройства генерации адреса

Аппаратная организация циклов

АЛУ

АЛУ - блок процессора, который под управлением декодера команд выполняет арифметические и логические преобразования над данными, называемыми в этом случае операндами. Разрядность операндов обычно называют размером машинного слова.

Регистры

Аккумулятор

Аккумулятор - регистр, предназначенный для сохранения результатов операций. В архитектуре многих ЦСП предусмотрено два аккумулятора, что позволяет повысить скорость выполнения операций, требующих хранения промежуточных результатов. Технически аккумулятор может состоять из нескольких регистров :

EXT - регистр расширения;
MSP - регистр старшего слова;
LSP - регистр младшего слова.

Наличие регистра EXT позволяет повысить точность вычисления промежуточных результатов, а также увеличить диапазон хранения значений, не приводящих к переполнению. При сохранении значения аккумулятора в ячейку памяти или в обычный регистр, его значение округляется с учетом стандартной ширины этой ячейки или регистра. С другой стороны, при необходимости, содержимое регистра EXT может быть сохранено отдельно.

Способы адресации

Процессор поддерживает режимы прямой адресации, косвенной адресации с пред- и постинкрементом и специфические для задач цифровой обработки сигналов режимы циклической адресации и адресации с реверсированием бит адреса.

Классификация ЦСП по архитектуре

Следует отметить, что приведенная ниже классификация достаточно условна, так как разнообразие технических решений зачастую не позволяет однозначно отнести каждое конкретное устройство к одному из указанных типов. Поэтому нижесказанное следует скорее использовать как материал для понимания особенностей архитектуры ЦСП, чем для реальной классификации каких-либо изделий.

Особенности архитектуры ЦСП удобно рассматривать на примере конкретного алгоритма цифровой обработки данных, например, КИХ-фильтра , выходной сигнал которого можно записать как:

Y (n) = ∑ i = 0 P b i x (n − i) {\displaystyle y\left(n\right)=\sum _{i=0}^{P}b_{i}x\left(n-i\right)} , где

Как можно легко заметить, вычисление результата является классическим примером использования операции «умножение с накоплением» - MAC (Y:= X + A × B) .

Стандартные ЦСП

На рисунке показано два варианта выполнения команды MAC на стандартном ЦСП. В первом варианте оба операнда хранятся в памяти данных, поэтому на их выборку требуется два такта, то есть время выполнения n сложений равно 2n . Во втором случае один из операндов хранится в памяти программ, поэтому команда исполняется за один такт, и общее время выполнения цикла будет равно n тактов (следует уточнить, что в реальности для исполнения за один такт MAC должна исполняться внутри специальной команды цикла для исключения повторной выборки самого кода команды, что требует дополнительного такта). Здесь видно, что эффективная реализация алгоритма требует использования памяти программ для хранения данных.

Одним из вариантов, позволяющим отказаться от использования памяти программ для хранения данных, является применение т. н. «двухпортовой памяти», то есть памяти, имеющей два комплекта входных шин - двух шин адреса и данных. Такая архитектура позволяет произвести одновременное обращение по двум адресам (правда, при этом они должны находиться в разных адресуемых блоках). Данное решение применяется в ЦСП компаний Motorola (DSP56000) и Lucent (DSP1600).

При указанной архитектуре повысить производительность можно только увеличением тактовой частоты.

Улучшенные стандартные ЦСП

«Улучшенные стандартные ЦСП» для повышения производительности системы, по сравнению со стандартными ЦСП, используют следующие методы повышения параллелизма:

Увеличение количества операционных и вычислительных устройств;
Введение специализированных сопроцессоров;
Расширение шин для увеличения количества передаваемых данных;
Использование памяти с многократным доступом (несколько обращений за такт);
Усложнение системы команд;

Многие из этих способов применялись уже начиная с самых первых процессоров, поэтому зачастую их невозможно однозначно классифицировать как «стандартные» или «улучшенные».

На рисунке показан пример реализации вычисления двух параллельных команд MAC. Для этого в ЦСП присутствуют два модуля MAC и два аккумулятора. Блоки MAC получают данные по трём шинам одновременно, причём одно из значений является для них общим. Таким образом, происходит одновременное исполнение двух команд:

АК1:= АК1 + D1 × D2
АК2:= АК2 + D1 × D3

Особенность показанного решения состоит в том, что к выполнению двух параллельных команд с одним общим сомножителем можно свести многие алгоритмы ЦОС, например:

КИХ-фильтр с симметричными коэффициентами. В качестве одинаковых сомножителей используются коэффициенты фильтра, а на раздельные шины подаются два разных набора отсчётов сигнала, то есть параллельно рассчитываются две половины фильтра, которые затем суммируются.
Двухканальная обработка. На общую шину подаются отсчёты сигнала, а на раздельные - наборы коэффициентов.

В некоторых процессорах (Lucent DSP16xxx, ADI ADSP-2116x) используются два одинаковых ядра, каждый со своей памятью, то есть одна команда исполняется одновременно в двух ядрах с различными данными. Это позволяет обойти ограничение на использование полностью независимых данных.

Характерным недостатком таких процессоров можно считать необходимость в высокой квалификации разработчика, так как эффективное использование указанных особенностей требует программирования на языке ассемблера, хорошего знания архитектуры и системы команд, то есть эти устройства считаются «недружественными» к языкам высокого уровня.

ЦСП с архитектурой VLIW

Основное отличие VLIW -процессоров состоит в том, что коды команд ещё на этапе компиляции собираются в большие «суперкоманды» и выполняются параллельно. Обычно такие процессоры используют RISC-архитектуру с фиксированной длиной команды, где каждая из них выполняется в отдельном операционном модуле. К характерным особенностям таких процессоров можно отнести:

Большой набор операционных модулей, работающих независимо друг от друга. В состав таких модулей могут входить:
- Арифметические:
  - модули арифметических операций и операций сравнения;
  - модули логических операций;
  - модули умножения чисел с плавающей и фиксированной точкой;
  - модули генерации констант.
- Модули генерации адреса, в том числе для линейных и циклических буферов;
Необходимость оптимизации компилятора под каждую модель процессора, так как между моделями может меняться состав и функции вычислительных блоков, что влечет за собой изменение перечня команд, которые могут выполняться одновременно;
Необходимость в наличии сверхшироких шин данных (порядка 128 бит), чтобы код операции, состоящий из отдельных команд (до 8-ми), мог быть получен из памяти за одно обращение.
Высокие требования к объёму памяти программ, что также связано с большой длиной операции.

Обычно, если процессор имеет несколько одинаковых модулей, то при создании программы на ассемблере имеется возможность указания только типа необходимого операционного модуля, а конкретное устройство будет назначено компилятором. С одной стороны, это упрощает программирование таких устройств, а с другой стороны, позволяет достаточно эффективно использовать их ресурсы.

Суперскалярные ЦСП

Суперскалярные процессоры также характеризуются большим набором параллельных операционных модулей и возможностью одновременного исполнения нескольких команд. Однако, по сравнению с VLIW, они имеют две характерные особенности:

Команды процессора не группируются в блоки, каждая из них поступает в процессор независимо;
Команды для параллельного исполнения группируются внутри процессора на основе состава и текущей загруженности операционных блоков, а также зависимости между данными.

С помощью описанного подхода можно обойти следующие недостатки VLIW:

Неэффективное использование памяти из-за большой длины групповой операции;
Зависимость скомпилированного кода от состава операционных модулей конкретного процессора.

Платой за решение этих проблем становится значительное усложнение схемы процессора, в котором появляется модуль планирования выполнения команд.

Суперскалярные процессоры планируют исполнение команд не только на основе информации о загруженности операционных блоков, но и на основе анализа зависимостей между данными. К примеру, команда сохранения результата арифметической операции не может быть выполнена раньше самой операции вычисления, даже если модуль обращения к памяти в данный момент свободен. Эта особенность приводит в том числе к тому, что один и тот же набор команд может по-разному исполняться в различных местах программы, что делает невозможным точную оценку производительности. Особенно это важно для систем, работающих в реальном времени, ведь оценка по наихудшему результату приведет к тому, что ресурсы процессора будут использованы не полностью. Таким образом, в этих системах задача точной оценки производительности суперскалярных ЦСП остается открытой.

Классификация ЦСП по назначению

В целом, по назначению ЦСП можно разделить на две группы:

ЦСП общего назначения;
Проблемно-ориентированные ЦСП.

«Проблемная ориентация» обычно относится не к дополнительным командам, а к набору встроенных специализированных периферийных устройств. Например, ЦСП, предназначенные для управления электродвигателями , могут содержать на кристалле генераторы сигналов ШИМ , контроллеры локальной промышленной сети и т. д. Процессоры, используемые для обработки голосовых сигналов, часто содержат модули манипуляции разрядами (BMU) и сопроцессоры исправления ошибок. В цифровых фото- и видеокамерах применяются ЦСП с модулями кодирования/декодирования MPEG1, MPEG4, JPG, MP3, AAC и др.

При программировании на ассемблере программисту доступны все ресурсы процессора и системы, что позволяет использовать их максимально эффективно;

От программиста требуется хорошее знание архитектуры каждого конкретного процессора, с которым он работает, то есть требуемая квалификация персонала должна быть достаточно высокой;

Создание и отладка программ на ассемблере - длительный трудоёмкий процесс, также требующий высокой квалификации.

С другой стороны, при использовании языков среднего и высокого уровня, в частности, C, можно заметно упростить и ускорить создание программ, но при этом ресурсы системы будут использоваться менее эффективно, по сравнению с программой, целиком написанной на ассемблере.

В реальности обычно используется подход, совмещающий достоинства как языков высокого уровня, так и эффективности программ на ассемблере. Выражается это в том, что стандартные библиотеки обычно создаются на ассемблере, как и критичные ко времени исполнения и объёму памяти части кода. В то же время вспомогательные модули могут создаваться на языке высокого уровня, ускоряя и упрощая разработку программной системы в целом.

Особенности ассемблеров ЦСП

К интересным особенностям ассемблеров ЦСП можно отнести следующее:

Наличие двух форм записи многих команд - мнемонической и алгебраической . Мнемоническая форма аналогична записи команд для обычных микропроцессоров, например, ADD dst, src . Другая, алгебраическая, в ассемблерах стандартных микропроцессоров используется реже, в то время как на языке ЦСП упомянутая команда может быть записана в виде dst = dst + src . Обычно ассемблеры ЦСП понимают обе формы записи, но, например, ассемблеры Analog Devices и Lucent Technologies используют только алгебраическую запись.
Средства организации стандартных структур, например, специальных аппаратных команд повторения одной команды или блока кода. При этом, в отличие от команд повторения обычных процессоров, ЦСП может пропускать цикл выборки кода повторяемой команды, что уменьшает время выполнения каждого повторения как минимум на 1 цикл шины, что при двухцикловой команде даёт двойной выигрыш по времени.

Совместимость внутри семейств ЦСП

Обычно ЦСП выпускаются семействами, и изделия внутри семейств имеют аналогичные языки ассемблера, или даже совместимы на уровне машинных кодов. Также внутри семейства обычно используются одинаковые наборы библиотек подпрограмм. Как и в обычных микропроцессорах, зачастую старшие модели ЦСП могут исполнять машинный код младших моделей, либо их ассемблер включает все команды младших моделей как подмножество собственного набора команд.

Отладка программ

Обычно отладка программ, написанных для ЦСП, производится с помощью специальных средств, включающих программные имитаторы и эмуляторы . В их состав также часто входят средства профилирования (измерения скорости выполнения блоков кода).

Данная статья открывает серию публикаций, посвященных многоядерным цифровым сигнальным процессорам TMS320C6678. В статье дается общее представление об архитектуре процессора. Статья отражает лекционно-практический материал, предлагаемый слушателям в рамках курсов повышения квалификации по программе «Многоядерные процессоры цифровой обработки сигналов C66x фирмы Texas Instruments», проводимых в Рязанском государственном радиотехническом университете.

Цифровые сигнальные процессоры TMS320C66xх строятся по архитектуре KeyStone и представляют собой высокопроизводительные многоядерные сигнальные процессоры, работающие как с фиксированной, так и с плавающей точкой. Архитектура KeyStone – это разработанный фирмой Texas Instruments принцип изготовления многоядерных систем на кристалле, позволяющий организовывать эффективную совместную работу большого числа ядер DSP- и RISC-типов, акселераторов и устройств периферии с обеспечением достаточной пропускной способности внутренних и внешних каналов пересылки данных, основой чего являются аппаратные компоненты: Multicore Navigator (контроллер обмена данными по внутренним интерфейсам), TeraNet (внутренняя шина пересылки данных), Multicore Shared Memory Controller (контроллер доступа к общей памяти) и HyperLink (интерфейс с внешними устройствами на внутрикристальной скорости).

Архитектура процессора TMS320C6678 , наиболее высокопроизводительного процессора в семействе TMS320C66xх, изображена на Рисунке 1. Архитектура может быть разбита на следующие основные компоненты:

набор операционных ядер (CorePack);
подсистема работы с общей внутренней и внешней памятью (Memory Subsystem);
периферийные устройства;
сетевой сопроцессор (Network Coprocessor);
контроллер внутренних пересылок (Multicore Navigator);
служебные аппаратные модули и внутренняя шина TeraNet.

Рисунок 1. Общая архитектура процессора TMS320C6678

Процессор TMS320C6678 работает на тактовой частоте 1.25 ГГц. В основе функционирования процессора лежит набор операционных ядер С66х CorePack, количество и состав которых зависят от конкретной модели процессора. ЦСП TMS320C6678 включает в свой состав 8 ядер DSP-типа. Ядро является базовым вычислительным элементом и включает в свой состав вычислительные блоки, наборы регистров, программный автомат, память программ и данных. Память, входящая в состав ядра, называется локальной.

Кроме локальной памяти, есть память общая для всех ядер – общая память многоядерного процессора (Multicore Shared Memory – MSM). Доступ к общей памяти осуществляется через подсистему управления памятью (Memory Subsystem), которая также включает интерфейс внешней памяти EMIF для обмена данными между процессором и внешними микросхемами памяти.

Сетевой сопроцессор повышает эффективность работы процессора в составе различного рода телекоммуникационных устройств, реализуя аппаратно типовые для данной сферы задачи обработки данных. В основе работы сопроцессора лежат акселератор пакетной передачи данных (Packet Accelerator) и акселератор защиты информации (Security Accelerator). В спецификации на процессор перечислен набор протоколов и стандартов, поддерживаемых данными акселераторами.

Периферийные устройства включают:

Serial RapidIO (SRIO) версии 2.1 – обеспечивает скорость передачи данных до 5 GBaud на линию при числе линий (каналов) – до 4;
PCI Express (PCIe) версии Gen2 – обеспечивает скорость передачи данных до 5 GBaud на линию при числе линий (каналов) – до 2;
HyperLink – интерфейс внутренней шины, позволяющий коммутировать процессоры, построенные по архитектуре KeyStone, напрямую друг с другом и осуществлять обмен на внутрикристальной скорости; скорость передачи данных – до 50 Gbaud;
Gigabit Ethernet (GbE) обеспечивает скорости передачи: 10/100/1000 Mbps и поддерживается аппаратным акселератором сетевых коммуникаций (сетевым сопроцессором);
EMIF DDR3 – интерфейс внешней памяти типа DDR3; имеет разрядность шины 64 бита, обеспечивающую адресуемое пространство памяти до 8 Гбайт;
EMIF – интерфейс внешней памяти общего назначения; имеет разрядность шины 16 бит и может использоваться для подключения 256MB NAND Flash или 16MB NOR Flash;
TSIP (Telecom Serial Ports) – телекоммуникационный последовательный порт; обеспечивает скорости передачи до 8 Mбит/с на одну линию при числе линий – до 8;
UART – универсальный асинхронный последовательный порт;
I2C – шина внутренней связи;
GPIO – ввод-вывод общего назначения – 16 выводов;
SPI – универсальный последовательной интерфейс;
Таймеры (Timers) – используются для генерации периодических событий.

Служебные аппаратные модули включают в себя:

модуль отладки и трассировки (Debug and Trace) – позволяет получать отладочным инструментальным средствам доступ к внутренним ресурсам работающего процессора;
загрузочное ПЗУ (boot ROM) – хранит программу начальной загрузки;
аппаратный семафор (semaphore) – служит для аппаратной поддержки организации совместного доступа параллельных процессов к общим ресурсам процессора;
модуль управления питанием – реализует динамическое управление режимами питания компонентов процессора с целью минимизации энергозатрат в моменты, когда процессор работает не в полную мощь;
схема ФАПЧ – формирует внутренние тактовые частоты процессора из внешнего опорного тактирующего сигнала;
контроллер прямого доступа в память (EDMA) – управляет процессом пересылки данных, разгружая операционные ядра ЦСП и являясь альтернативой Multicore Navigator.

Контроллер внутренних пересылок (Multicore Navigator) представляет собой мощный и эффективный аппаратный модуль, отвечающий за арбитраж передачи данных между различными компонентами процессора. Многоядерные системы на кристалле TMS320C66xx являются весьма сложными устройствами и, чтобы организовать обмен информацией между всеми компонентами такого устройства, необходим специальный аппаратный блок. Multicore Navigator позволяет ядрам, периферийным устройствам, хост-устройствам не брать на себя функции управления обменом данными. Когда какому-либо компоненту процессора необходимо переслать массив данных на другой компонент, он просто указывает контроллеру, что и куда нужно передать. Все функции по самой пересылке и синхронизации отправителя и получателя берет на себя Multicore Navigator.

Основой функционирования многоядерного процессора TMS320C66xх с позиции высокоскоростного обмена данными между всеми многочисленными компонентами процессора, а также внешними модулями, служит внутренняя шина TeraNet.

В следующей статье будет подробно рассмотрена архитектура операционного ядра C66x.

1. Multicore Programming Guide / SPRAB27B - August 2012;
2. TMS320C6678 Multicore Fixed and Floating-Point Digital Signal Processor Data Manual / SPRS691C - February 2012.

В то же время для гидроакустических или радиолокационных систем определяющими параметрами являются скорость работы, наличие высокоскоростных интерфейсов и удобная система разработки, а стоимость является второстепенным критерием. Кроме того, во многих случаях имеет смысл учитывать и место на рынке, занимаемое поставщиком процессора, т.к. далеко не все производители могут предоставить в ваше распоряжение спектр процессоров, покрывающих все ваши потребности. Сложившееся к настоящему времени распределение рынка между ведущими поставщиками (см. табл. 1) показывает, что 4 компании, стоящие в начале списка, поставляют более 80% всех используемых в мире DSP. Именно эти компании наиболее известны и на российском рынке, и их продукция часто упоминается.

Таблица 1. Основные производители DSP и принадлежащие им доли рынка

Компании-лидеры рынка	Company Name	Доля рынка DSP
1	Texas Instruments	54,3%
2	Freescale Semiconductor	14,1%
3	Analog Devices	8,0%
4	Philips Semiconductors	7,5%
5	Agere Systems	7,3%
6	Toshiba	4,9%
7	DSP Group	2,2%
8	NEC Electronics	0,6%
9	Fujitsu	0,4%
10	Intersil	0,3%
	Other Companies	0,5%
	Total	100,0%

Таблица 2. Области применения семейств сигнальных процессоров разных производителей

Обработка видео, видеонаблюдение, цифровые камеры, 3D графика	TMS320DM64x/DaVinci, TMS320C64xx, TMS320C62xx (TI), PNX1300, PNX1500, PNX1700 (Philips) , MPC52xx (Freescale)
Обработка аудио, распознавание речи, синтез звука	TMS320C62xx, TMS320C67xx (TI), SHARC (Analog Devices)
Портативные медиа устройства	TMS320C54xx, TMS320C55xx (TI), Blackfin (Analog Devices)
Беспроводная связь, телекоммуникации, модемы, сетевые устройства	TMS320C64xx, TMS320C54xx, TMS320C55xx (TI), MPC7xxx, MPC86xx, MPC8xx PowerQUICC I, MPC82xx PowerQUICC II, MPC83xx PowerQUICC II Pro, MPC85xx PowerQUICC III (Freescale), Blackfin, TigerSHARC (Analog Devices), PNX1300 (Philips)
Управление приводами, преобразование мощности, автомобильная электроника, предметы домашнего обихода, офисное оборудование	TMS320C28xx, TMS320C24xx (TI), ADSP-21xx (Analog Devices), MPC55xx, MPC55xx (Freescale)
Медицина, биометрия, измерительные системы	TMS320C62xx, TMS320C67xx, TMS320C55xx, TMS320C28xx (TI), TigerSHARC, SHARC (Analog Devices)

Формат данных и разрядность

Одна из основных характеристик цифровых сигнальных процессоров - формат обрабатываемых данных. Все DSP работают либо с целыми числами, либо с числами в формате с плавающей точкой, причем для целых чисел разрядность составляет 16 или 32, а для чисел с плавающей точкой она равна 32. Выбирая формат данных, необходимо иметь в виду следующее: DSP с целочисленными данными (или данными с фиксированной точкой) обычно дешевле и обеспечивают большую абсолютную точность при равной разрядности (т.к. на мантиссу в 32-битном процессоре с фиксированной точкой отводятся все 32 бита, а в процессоре с плавающей точкой - только 24).

В то же время динамический диапазон сигналов, с которыми могут без искажений работать процессоры, у процессоров с фиксированной точкой значительно уже (на несколько десятичных порядков). При относительно простых алгоритмах обработки это может быть неважно, т.к. динамический диапазон реальных входных сигналов чаще всего меньше, чем допускает DSP, однако в некоторых случаях возможно возникновение ошибок переполнения при выполнении программы. Это приводит к принципиально неустранимым нелинейным искажениям выходного сигнала, аналогичным искажениям из-за ограничения в аналоговых схемах.

Конечно, можно эмулировать операции с плавающей точкой и на процессоре с целочисленной арифметикой или перейти к обработке чисел удвоенной разрядности, однако это также значительно усложняет программу и значительно снижает быстродействие.

Несмотря на все ограничения, большинство встроенных приложений используют процессоры с фиксированной точкой из-за меньшей цены и энергопотребления. Увеличение количества разрядов повышает стоимость, размер кристалла и число необходимых выводов процессора, а также необходимый объем внешней памяти. Поэтому разработчики стремятся использовать кристалл с минимально возможной разрядностью.

Стоит заметить, что разрядность данных и разрядность команд процессоров не всегда эквивалентны.

Скорость

Рис. 1. Пример сравнения быстродействия различных DSP с фиксированной точкой

Организация памяти

Организация системы памяти процессора влияет на производительность. Это связано с тем, что ключевые команды DSP являются многооперандными и ускорение их работы требует одновременного чтения нескольких ячеек памяти. Например, команда MAC требует одновременного чтения 2 операндов и самой команды для того, чтобы ее можно было выполнить за 1 такт. Это достигается различными методами, среди которых применение многопортовой памяти, разделение на память программ и память данных (Гарвардская архитектура), использование кэша команд и т.д.

Необходимый объем памяти определяется приложением. Необходимо учитывать, что встроенная в процессор память обычно имеет значительно большую скорость работы, чем внешняя, однако увеличение ее объема увеличивает стоимость и энергопотребление DSP, а ограниченный объем памяти программ не позволяет хранить сложные алгоритмы. В то же время при достаточности этого объема для ваших целей наличие встроенной памяти позволяет значительно упростить конструкцию в целом и понизить ее размеры, энергопотребление и стоимость.

Большинство DSP с фиксированной точкой, применяющиеся во встраиваемых приложениях, предполагают малый объем внутренней памяти, обычно от 4 до 256 Кбайт и невысокую разрядность внешних шин данных.

В то же время DSP с плавающей точкой обычно предполагают работу с большими массивами данных и сложными алгоритмами и имеют либо встроенную память большого объема, либо большую разрядность адресных шин для подключение внешней памяти (а иногда и то, и другое). Еще раз подчеркнем - выбор типа и объема памяти должен быть результатом тщательного анализа приложения, в котором используется DSP.

Удобство разработки приложений

Степень сложности разработки определятся приложением. При этом необходимо иметь в виду, что большее удобство для разработчика (обычно связываемое с использованием при программировании DSP языков высокого уровня) в большинстве случаев оборачивается получением менее компактного и быстрого кода, что оборачивается необходимостью использования более мощных и дорогих DSP. С другой стороны, в современных условиях скорость разработки (и, следовательно, выхода нового изделия на рынок) может принести больше выгод, чем затраты времени на оптимизацию кода при написании программы на ассемблере.

Кроме того, следует помнить, что безошибочных программ не бывает, поэтому средства отладки и возможность коррекции программ в готовом устройстве очень часто имеют первостепенное значение. В то же время при выборе DSP и средств разработки необходимо учитывать некоторые особенности архитектуры процессоров.

Те, кто использует компиляторы с языков высокого уровня (ЯВУ), иногда замечают, что они генерируют лучший код для процессоров с плавающей точкой. Это происходит по нескольким причинам: во-первых, большинство языков высокого уровня изначально не поддерживают арифметику с фиксированной точкой, во-вторых, система команд DSP с фиксированной точкой более ограничена, и в-третьих, процессоры с плавающей точкой обычно накладывают меньшие ограничения на объем используемой памяти.

Наилучшие результаты получаются при компиляции программ на ЯВУ для VLIW-процессоров (процессорах со сверхдлинным словом команды) с простой ортогональной RISC-системой команд и большими регистровыми файлами. Однако даже для этих процессоров генерируемый компилятором код получается более медленным по сравнению с оптимизированным вручную ассемблерным. С другой стороны, возможность сначала смоделировать процесс обработки сигнала в программе типа MathLab с дальнейшей автоматической трансляцией его в программу для DSP позволяет избавиться от множества серьезных ошибок еще на начальном этапе разработки.

Отладку готовых программ можно производить либо на аппаратном эмуляторе готовой системы, либо на программном симуляторе. Обычно отладка на симуляторе несколько проще с точки зрения используемой аппаратуры, однако она не позволяет выявить все возможные ошибки. Почти все производители обеспечивают разработчиков и симуляторами, и эмуляторами своих DSP. Почти все современные DSP поддерживают внутрисхемную эмуляцию в соответствии со стандартом IEEE 1149.1 JTAG. При использовании технологии JTAG мы переходим от эмуляции процессора внешним устройством к непосредственному контролю над процессором при выполнении программы, что позволяет значительно увеличить степень соответствия макета реальному устройству и, следовательно, повысить надежность процесса отладки.

Помимо эмуляторов, производители предлагают широкий набор так называемых «стартер-китов» и «оценочных модулей», с помощью которых можно сразу приступить к разработке приложения, не дожидаясь изготовления макета разрабатываемого устройства. Кроме этого, в некоторых приложениях эти средства разработки можно использовать как конечные устройства.

Энергопотребление

DSP-процессоры широко используются в мобильных устройствах, где потребление мощности является основной характеристикой. Для снижения энергопотребления используется множество методов, в том числе уменьшение напряжения питания и введение функций управления потреблением, например, динамического изменения тактовой частоты, переключения в спящий или дежурный режим или отключения неиспользуемой в данный момент периферии. Следует отметить, что эти меры оказывают значительное воздействие на скорость работы процессора и при некорректном использовании могут привести к неработоспособности проектируемого устройства (в качестве примера можно привести некоторые сотовые телефоны, которые в результате ошибок в программах управления энергопотреблением иногда переставали включаться) или к ухудшению его эксплуатационных характеристик (например, значительному времени восстановления работоспособности при выходе из спящего режима).

Оценка потребления мощности является не простой задачей, так как эта величина варьируется в зависимости от выполняемых процессором задач. К сожалению, большинство производителей публикуют только «типичное» и «максимальное» потребление, а что понимается под этими определениями, не всегда ясно. Исключением является компания Texas Instruments, которая указывает потребление мощности в зависимости от типа команды и конфигурации процессора.

Стоимость

Стоимость процессора, несомненно, является определяющей величиной при выборе DSP, особенно при больших объемах производства. Обычно разработчики стремятся выбрать наиболее дешевый процессор, однако следует учитывать, что это может привести к значительным затратам на переделку устройства, если выбранный процессор по какимлибо причинам не позволит добиться нужных характеристик. Кроме того, при выборе процессора по критерию стоимости необходимо принимать во внимание стоимость внешних компонентов (например, DSP со встроенной памятью достаточного объема стоит дороже аналогичного без встроенной памяти, но цена устройства в целом на его основе может быть значительно ниже из-за отсутствия других компонентов и меньшего размера печатной платы). Очень значимым фактором, влияющим на стоимость DSP, является тип его корпуса: ИС в керамических корпусах, рассчитанные на промышленные или специальные условия эксплуатации, стоят значительно дороже таких же ИС, работающих в коммерческом диапазоне температур. И, наконец, цена процессора очень сильно зависит от объема и регулярности поставок.

Методология выбора процессора

Как показано ранее, правильный выбор DSP сильно зависит от приложения: процессор может хорошо подходить для одних приложений, но абсолютно не подходить для других. При выборе процессора нужно определить самые важные в конкретном случае характеристики и расставить их по степени важности. Затем в соответствии с этими критериями отобрать возможных кандидатов и, наконец, выбрать из подходящих лучший, обращая внимание на дополнительные, не критичные характеристики. При этом целесообразно воспользоваться оценкой характеристик процессоров, производимой какой-либо авторитетной компанией (например, BTDI). Следует помнить, что BTDI производит оценку DSP не только по быстродействию, но и по другим критериям: эффективности памяти, энергопотреблению и т.д.

Например, для реализации приложения для нас в первую очередь важны скорость, цена, эффективность работы памяти и энергопотребление. Мы определили основных претендентов, среди которых DSP с ядром C64x и C64x+ от Texas Instruments и TigerSHARC от Analog Devices. На рисунке 2 показан граф сравнительных характеристик этих процессоров по критериям скорости, стоимости, энергопотребления и удобству средств разработки.

Рис. 2. Диаграмма для выбора DSP

Теперь приоритеты. Если нам в первую очередь необходима высокая скорость и низкая цена, мы выбираем Texas Instruments. Если мы конструируем мобильное устройство и нам нужно низкое энергопотребление, причем мы готовы пожертвовать скоростью, берем Analog Devices. Не исключена вероятность того, что выбранные процессоры окажутся очень близки по ключевым параметрам. В этом случае выбор будет определяться некритичными характеристиками: доступностью средств отладки, предыдущим опытом разработчика, доступностью компонентов и т.д.

Тщательный выбор цифрового сигнального процессора еще на начальном этапе разработки может помочь избавиться от излишних затрат, связанных с выбором неподходящего DSP, и сократить как время разработки в целом, так и время и средства на выявление ошибок.

Литература

Jeff Bier, Choosing a Processor: Benchmarks and Beyond (S043), Berkeley, California: Berkeley Design Technology, Inc., USA, 2006.
Choosing a DSP Processor, Berkeley, California: Berkeley Design Technology, Inc., USA, 2000.

Особенности сигнальных процессоров. Основы выбора цифровых сигнальных процессоров

Формат данных и разрядность

Скорость

Особенности архитектуры

Области применения

История

Предшествующие разработки

Первое поколение (начало 1980-х)

Второе поколение (середина 1980-х)

Третье поколение (конец 1980-х)

Четвёртое поколение

Современные ЦСП

Основные параметры ЦСП

Оценка и сравнение производительности

Устройство

Гарвардская архитектура

Структурная схема

Конвейерное исполнение команд

Аппаратная реализация основных функций

Умножители

Сдвигатели

Устройства генерации адреса

Аппаратная организация циклов

АЛУ

Регистры

Способы адресации

Классификация ЦСП по архитектуре

Стандартные ЦСП

Улучшенные стандартные ЦСП

ЦСП с архитектурой VLIW

Суперскалярные ЦСП

Особенности ассемблеров ЦСП

Совместимость внутри семейств ЦСП

Отладка программ

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Ваш комментарий (необязательно):