Лекция №5. Классификация и особенности цифровых сигнальных процессоров с фиксированной точкой

Содержание лекции: поколения сигнальных процессоров с фиксированной точкой фирмы Texas Instruments, их особенности.

Цель лекции: изучить особенности архитектуры четырех поколений цифровых сигнальных процессоров, оценить их возможности в различных областях применения.

В современных сигнальных процессорах арифметические операции выполняются с использованием арифметики с фиксированной или плавающей точками.

В цифровой обработке сигналов более распространена арифметика с фиксированной точкой, так как ей сопутствует быстрая и недорогая реализация. Однако, при такой форме представления чисел их диапазон ограничен, а итоговая система подвержена проблемам переполнения, поэтому необходимо вводить масштабирование обрабатываемых данных.

Процессоры с плавающей точкой работают в более широком динамическом диапазоне при более точном представлении данных, но их архитектура значительно сложнее, поэтому они имеют большие размеры кристалла и стоимость.

Рассмотрим архитектуру четырех поколений типовых цифровых сигнальных процессоров с фиксированной запятой семейства TMS320, производимых фирмой Texas Instruments (TI). Такое деление процессоров на четыре поколения основано на исторических причинах, архитектурных особенностях и вычислительной эффективности [ 4 ].

К первому поколению ЦСП относится семейство TMS320C1x. Характерным представителем этого семейства является 16-разрядный процессор TMS320C10, который способен выполнять 5 млн.операций в секунду при длительности командного цикла не более 200 нс. В процессоре реализована арифметика с фиксированной запятой в двоичном дополнительном коде. Процессор адресует восемь 16-разрядных портов ввода и восемь 16-разрядных портов вывода данных [ 9 ].

Для достижения высокого быстродействия и гибкости в основу процессора положена модифицированная гарвардская архитектура, что позволяет не только полностью совмещать во времени процессы выборки и выполнения команд, но и осуществлять передачи между программной памятью и памятью данных.

Память программ реализуется на масочном постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) объемом 1536×16 разрядов и может размещаться как внутри кристалла (процессор TMS320C10), так и вне его (процессор TMS32010). Имеется возможность расширения внешней памяти до общего объема 4096×16 разрядов с сохранением максимального быстродействия.

АЛУ процессора предназначено для выполнения операций сложения, вычитания и логических операций над 32-разрядными словами. Один из операндов берется из аккумулятора, второй поступает либо из регистра (Р) произведения умножителя, либо с внутренней шины данных с возможностью последовательного сдвига влево на 0-15 разрядов. Результат операции заносится в аккумулятор. Параллельное сдвигающее устройство (сдвигатель (0,1,4) используется при записи старших разрядов аккумулятора в память данных для масштабирования разультата произведения.

Через мультиплексор процессор может использовать один из двух способов адресации: прямой или косвенный. При первом способе адрес ячейки памяти формируется из семи младших разрядов слова команды и одного разряда, выдаваемого указателем страницы (DP). При этом память данных делится на станицу 0 (DP = 0) и страницу 1 (DP = 1). В первом случае обслуживаются ячейки от 0 до 127, во втором – от 128 до 144.

В режиме косвенной адресации в качестве адреса памяти данных используются восемь младших разрядов одного из вспомогательных регистров (ARO или AR1). Текущий вспомогательный регистр выбирается с помощью указателя вспомогательного регистра (ARP).

В состав блока управления процессором входят устройство управления, программный счетчик и стековая память с глубиной вложения не более четырех. Программный счетчик и стек предоставляют пользователю организовать переходы, вызовы подпрограмм и прерывания.

Типичным представителем процессоров ЦОС второго поколения является семейство TMS320C5х со временем цикла не более 25 нс. Процессоры ЦОС первого и второго поколений совместимы по системе команд и имеют много общего архитектурно, однако процессоры второго поколения обладают большими функциональными возможностями и меньшим энергопотреблением. Кроме того, они имеют больший объем встроенной памяти и много специальных команд для поддержки эффективного выполнения алгоритмов ЦОС. Например, в число специальных команд входит команда умножения и накопления со сдвигом данных (MACD), которая при объединении ее с командой повтора (RPT) позволяет реализовать КИХ-фильтр со значительной экономией времени. Возможность адресации с инвертированием битов полезна при быстром преобразовании Фурье (БПФ). В результате вычислительная производительность процессоров второго поколения в 4-6 раз выше производительности процессоров первого поколения.

Процессоры ЦОС с фиксированной запятой третьего поколения, которые характеризуются семейством TMS320C54х, являются улучшением процессоров предыдущего поколения в сторону увеличения их производительности (66 млн. команд в секунду) за счет более эффективного использования встроенных ресурсов. По сравнению с процессорами второго поколения, процессоры третьего поколения отличаются тремя внутренними шинами данных и одной шиной программ. Такая внутренняя организация процессора позволяет ему обеспечить высокую степень параллельности выполнения команд. Этому семейству свойственна высокоспециализированная система команд и увеличенный объем памяти.

На рисунке 6 показана упрощенная архитектура процессора ЦОС с фиксированной запятой третьего поколения семейства TMS320C54х.

Рисунок 6

Большинство ЦСП с фиксированной запятой третьего поколения применяют в цифровой связи и цифровом аудио. За счет использования специальных команд такие процессоры можно применять для реализации алгоритмов адаптивной фильтрации и для поддержки декодирования Витерби. Кроме того, эти процессоры имеют низкий расход энергии.

Процессоры ЦОС с фиксированной запятой четвертого поколения (семейство TMS320C62х) основаны на архитектуре VLIW.

Процессор ядра имеет два независимых арифметических тракта, в каждом из которых четыре операционных блока: логическое устройство, схема сдвига/логическое устройство, умножитель и устройство адреса данных. Обычно процессор извлекает из памяти восемь 32-битовых команд за один раз, поэтому длина слова получается равной 256 бит (сверхбольшая длина). При наличии в сумме восьми операционных блоков, по четыре в каждом тракте, процессор может выполнять до восьми команд параллельно в одном такте. Кроме значительной программной памяти, процессор имеет двухуровневую кэш-память: 4 Кбайт уровня 1 и 64 Кбайт уровня 2.

Высокая производительность процессоров семейства TMS320C62х (1,6 млрд.операций в секунду) и наличие широкого набора инструментальных средств позволяют использовать их для экономичного решения задач, требующих высокопроизводительной обработки сигналов. Области применения процессоров: медицинская диагностика, цифровые абонентские линии, модемы удаленного доступа и другие приложения [ 6 ].