Курс лекций по вычислительной технике

       

Сигнальные процессоры


        

Сигнальные процессоры  предназначены  для  цифровой  обработки  (в реальном масштабе времени) последовательности  значений амплитуды  или частоты сигнала через равные промежутки времени.

Примеры цифровой обработки сигнала:

- фильтрация сигнала

- свертка (смешение) двух сигналов

- вычисление значения корреляционной  функции  (связности) двух сигналов

- преобразование (усиление, ограничение, трансформация) сигнала

- прямое/обратное преобразование Фурье

Для эффективной реализации алгоритмов цифровой фильтрации необходима аппаратная поддержка таких операций, как умножения с накоплением, адресной арифметики, нормирования результатов арифметических операций.

При реализации операций преобразования Фурье, кроме  арифметических операций, требуются битовые операции и  операции  инверсии  адреса элемента массива.

Отличительной особенностью задач цифровой обработки является  поточный характер обработки больших объемов данных в  реальном  масштабе времени, требующей, как высокой производительности, так и высокой  интенсивности обмена с внешними устройствами. Эти требования обеспечиваются специфической архитектурой СП и специализированной системой команд.

Наиболее распространенными являются СП следующих компаний:

Моторола (56002,96002), ТИ (тмs320сх) АД(21хх,210хх).



Выбор того или иного процессора для конкретного  использования  - задача  весьма сложная и противоречивая.

Наиболее обобщающим  является следующий подход: для  задач,  требующих  больших  объемов вычислений,  предпочтительнее использовать процессоры фирмы АД, а для задач, требующих  обмена большими потоками данных - процессоры ТИ.

Если же главным является  стоимость  при  малой  разрядности (16/24) с фиксированной запятой и низким энергопотреблением, то  преимущество выбора за Моторолой.

 

        

 

 

 

 

 

 Микропроцессоры фирмы ТИ.

 

Фирмой были разработаны ряд семейств: TMS320C1х, …-8x,- (племя) с возрастанием производительности снизу-вверх.         


Процессоры одного семейства совместимы снизу-вверх.         

          

Наибольшими возможностями обладают процессоры   семейства TMS320C6Х и  TMS320C80

 

    TMS320C6Х.

 

     Это семейство включает процессоры с фиксированной и с плавающей запятой.

     Особенность  новой  архитектуры - использования  параллелизма  на уровне команд за счет длинного командного слова (VLIW). Такая архитектура  подразумевает  наличие  нескольких  параллельно  работающих  устройств, выполняющих за один такт несколько команд. Фирмой  разработана специальная архитектура VelosiTI, которая позволяет повысить эффективность за счет ослабления ограничений на порядок и  способ  выполнения команд.

     Ядром процессора TMS320C6201 является процессор, образованный 6-ю АЛУ, 2-я умножителями и двумя 32-разрядными файлами по 16 регистров  в каждом. ЦП может выполнять до 8-и команд за такт  (256-разрядная  шина памяти). Программный параллелизм выявляется на стадии компиляции и аппаратное разрешение конфликтов не предусмотрено.

     TMS320C6701 поддерживает операции с плавающей  запятой  и  достигает пиковой производительности до 688 Мфлопс.

 

  TMS320C80

 

     Процессор принципиально новой архитектуры - объединяет  на  одном кристалле 5 полнофункциональных процессоров.

     4-е ADSP, каждый из которых реализует за один такт несколько RISC - операций. Суммарная производительность на регистровых операциях -  2 млрд простых опер/с. Пятый - главный (МР) 32-разрядный RISC процессор с плавающей точкой.(100мфлопс).

     Архитектура процессора относится к классу МДМК. Процессоры  могут программироваться как для решения разных задач так и одной.

     Обмен данными между процессорами осуществляется через одну  общую память посредством матричного коммутатора.

     Пропускная способность шины - 2,4 Гбайт в  потоке  данных  и  1,7 Гбайт в потоке команд.

     На кристалле расположены также контроллер обмена со скоростью 400 Мбайт/с и два видиоконтроллера для независимого вертикального и горизонтального сканирования.



     Второе название процессора Мультимедиа видео процессор характеризует его высокую производительность на задачах обработки  изображений, 3-мерной графики. Кроме того процессор, благодаря  хорошим  коммуникационным возможностям,  открывает  перспективу  для  построения  высоко производительных мультипроцессорных систем.

 

     Сигнальные процессоры фирмы AD.

Ранние модели представлены двумя семействами: ADSP21xx -  16-разрядные с фиксированной запятой и ADSP210xx - 32 разрядные с  плавающей точкой.

     Основная особенность 16 - разрядных  процессоров    высокая  степень параллелизма, которая позволяет за один такт выбирать  команду  и два операнда, выполнить операцию и сформировать адреса данных и команд для следующей команды. Кроме того, в этом же такте  осуществляется  обмен данными с внешними устройствами.

2-е семейство ориентировано на обработку данных с плавающей  точкой.

В настоящее время внимание  разработчиков  приковано  процессорам нового поколения ADSP21060 и ADSP21062 с архитектурой SHARC предусматривающей мультипроцессирование.

 

                       Двухвходовая

                         память

                           ¦

                           ¦

                           ¦

Процессорное                              Порт шины

  ядро     -----        Шинный    ---- мультипроцессорной

                    коммутатор         системы     

                           ¦

                           ¦

                           ¦

                     Процессор в/в

                   и контроллер ПДП

 

     Общее адресуемое пространство 4 Г слова (16/32/48бит).

 

     Наиболее  производительным  сигнальным    процессором    является ADSP21160, процессорное ядро которого содержит два  процессора,  работающих в режиме ОКМД. Основные характеристики:

     - 100Мггц

     - две команды за такт

     - 600 Мфлопс

    Особо следует отметить удачную систему команд.

     Это наиболее производительный из современных СМП.



            

 TMS32006701        ADSP21160

 

 Т.ч. мггц       167               100

 БПФ              1                0,7

 Ц. фильтр.     100                25

 (команд)

 

Tiger SHARC   ADSP-TS101S

Основные характеристики

Высоко производительный компьютер со статической (выбор операций, которые могут выполняться одновременно, определяются программистом до компиляции) суперскалярной архитектурой ОКМД с длинным командным словом VLIW. Выполняет четыре операции за такт. (24 16-разрядных операций или шесть операций с плавающей запятой.) 8-ступенчатый конвейер. АЛУ, умножитель и сдвигатель могут выполнять  операции (до двух за такт) одновременно над одинаковыми  или разными операндами.

Три независимые 128 – разрядные шины, каждая из которых подключена к одному из  трёх ОЗУ с производительностью в 12 Гбайт/сек.

Тактовая частота – 250 Мгц

Внутреннее ОЗУ – 3х2 Мбит

Корпус 19х19 (27х27) мм,  484 (625) шариковых выводов.

Два вычислительных блока (АЛУ,  умножитель, сдвигатель, регистровый файл 32х32). 32-разрядные вычисления с плавающей точкой; 8/16/32/64 – с фиксированной точкой

Два АЛУ целых чисел (формирование адресов)

Внешний порт (800 МБ/сек для внешних ЗУ), четыре коммутационных порта (250 МБ/сек), контроллер динамической памяти, программируемые  признаки, два таймера и таймер для связи с другими процессорами.

Дополнительные средства мультипроцессирования.

Контроллер ПДП (14 каналов).

Простота программирования обеспечивается на уровне   ассемблера и ЯВУ.

 

          Сигнальные процессоры фирмы Моторола.

 

     Фирмой предлагаются два семейства 16 и 24 разрядные МП с  фиксированной точкой МП с плавающей точкой. Как ни странно  сначала  появились 24-разрядные DSP5600-01-02...

     Основные особенности

     - умножение с удвоенной точностью

     - аппаратная поддержка языка СИ

     - команда 24/48р содержит коп, операнды и поля  пересылок, выполняемых одновременно.

     - сочетание высокой производительности и низкой стоимости



 

     Применение

     * системы коммуникации

     * цифровой звук

     * робототехника

     * медицинская диагностика

     * военная техника

 

     DSP561хх - семейство - 16- разрядных, более дешевые. 56156 - специально для сотовых телефонов. 566хх для тех же целей, но  с  пониженным потреблением: 1,8-3,3В, 0,55 - 0,85мА.

     DSP56L11 и DSP56L11 - обладают преимуществами как СП, так и интеллектуального контроллера. ( Радиосвязь, радиомодемы и т.д.).

    Особенность - многофункциональное использование выводов (ввод, вывод, прерывания и т. д.).

 

 DSP9600х 32 - разрядные с плавающей точкой.

     Особенности     - порты для расширения памяти могут использоваться для  объединения в мультисистему.                                                                                                                                                                                                    


Содержание раздела