Засоби реалізації алгоритмів і підходи до побудови комп’ютерних систем обробки сигналів

 

При комп’ютерній обробці сигналів і зображень у реальному часі можуть використовуватися програмні, мікропрограмні або апаратні засоби реалізації алгоритмів. Основними вимогами при виборі засобів реалізації алгоритмів є забезпечення реального часу при високій ефективності використання обладнання.

При програмній реалізації алгоритмів обробки сигналів і зображень обчислювальні процеси переважно розгортаються в часі з великим об’ємом пересилок інформації між оперативною пам’яттю і операційними пристроями. Програмні засоби є доступними для програміста, перед яким виникає задача мінімізації об’єму програм і часу реалізації при заданій точності обчислень. Вказані засоби характеризуються низькою швидкодією і гнучкістю з точки зору можливості модифікації та заміни алгоритмів.

Мікропрограмна реалізація алгоритмів обробки сигналів і зображень передбачає їхнє розгортання як в часі, так і в просторі. При мікропрограмуванні є доступ до системи мікропрограм процесора, що забезпечується застосуванням постійної пам’яті, програмованих логічних матриць, а також оперативних запам’ятовуючих пристроїв, які використовується в якості пам’яті мікропрограм. Прикладом мікропрограмної реалізації є реалізація алгоритмів обробки сигналів і зображень на базі однорідних обчислювальних середовищ. Процесор на базі однорідних обчислювальних середовищ - це двовимірна регулярна матриця процесорних елементів, кожен з яких фізично зв’язаний за входом-виходом з чотирма сусідами – зверху, знизу, зліва та справа [5]. Кожний процесорний елемент може виконувати набір бітових операцій перетворення інформації з вхідних каналів у вихідні. Процесор на базі однорідних обчислювальних середовищ є універсальною системою, тобто в ньому можливо реалізувати довільну обчислювальну функцію. Бітовий рівень процесорного елементу та повна система комутації дозволять реалізувати розпаралелення обчислень на найнижчому бітовому рівні. Це є суттєвою перевагою мікропрограмної реалізації алгоритмів обробки сигналів і зображень. Реалізація в повній мірі потенціальних можливостей мікропрограмних засобів може бути досягнута лише при глибокому вивченні як задачі, яка розв’язується, так і внутрішньої мови процесора. Мікропрограмні засобами реалізації алгоритмів обробки сигналів і зображень в порівнянні з програмними є більш швидкодіючими.

Успіхи в області інтегральної технології дозволяють все більше перекладати реалізацію алгоритмів обробки сигналів і зображень на апаратні засоби, які розгортають обчислення не тільки у часі, а і в просторі. Такі обчислення характеризуються введенням додаткового обладнання і відсутністю проміжних пересилок інформації в процесі обчислення, а також спрощенням функції місцевого управління. В основі структурної організації апаратних засобів лежить принцип адекватного апаратного відображення потокових графів алгоритмів обробки сигналів і зображень на апаратні пристрої, які реалізують функціональні оператори та з’єднані між собою відповідно з потоковим графом алгоритмом [5,9]. Синтезовані за таким принципом структури є алгоритмічними. В алгоритмічних структурах алгоритм виконується над вхідними даними при їх одноразовому проходженні через всі апаратні пристрої. За режимами роботи такі структури діляться на синхронні та асинхронні. В асинхронних (однотактних) структурах обробка даних здійснюється без проміжних запам’ятовувань. Продуктивність таких структур визначається часом виконання найскладніших функціональних операторів Ф_ij алгоритму, які лежать на шляху проходження даних. Кожна однотактна структура є послідовною з точки зору реалізації функціональних операторів Ф_ij. Це є причиною обмеженої швидкодії та неефективного використання обладнання при обробці інтенсивних потоків даних у реальному часі. Тому для обробки потоків даних доцільно використовувати синхронні структури з конвеєрною реалізацією графів алгоритмів, яка передбачає суміщення у часі виконання функціональних операторів алгоритму над різними даними. Апаратні засоби дозволять з максимальною швидкодією реалізовувати алгоритми обробки сигналів і зображень, скоротити витрати на створення та експлуатацію програм і є доступними тільки розробникам архітектури апаратних засобів.

Потрібно відзначити, що всі види реалізації алгоритмів в безпосередньому вигляді зустрічаються досить рідко. На практиці в більшості випадків для реалізації алгоритмів використовуються комбіновані підходи з переважанням одного з перерахованих. Перевага того чи іншого виду засобів реалізації алгоритмів обробки сигналів і зображень визначається вимогами, які висуваються до системи за швидкодією, габаритами та споживаною потужністю.

Умови експлуатації, інтенсивність поступлення даних, складність алгоритмів, за якими здійснюється обробка, та обмеження, що висуваються до габаритів, ваги і споживаної потужності, визначають підходи до проектування комп’ютерних засобів обробки сигналів і зображень у реальному часі [9]. Із множини існуючих підходів до створення комп’ютерних засобів обробки сигналів і зображень у реальному часі розглянемо наступні:

· на основі універсальних і функціонально-орієнтованих процесорів обробки сигналів шляхом розробки спеціалізованого програмного забезпечення;

· процесорного ядра орієнтованого на задачі обробки сигналів і зображень доповненого апаратними розширювачами, які реалізують найскладніші базові операції алгоритмів;

· у вигляді спеціалізованої комп’ютерної системи, архітектура та організація обчислювального процесу в якій відображає структуру алгоритму розв’язання задачі.

Підхід до створення комп’ютерних систем обробки сигналів і зображень у реальному часі на основі універсальних і функціонально-орієнтованих процесорів обробки сигналів шляхом розробки відповідного програмного забезпечення є доступними для широкого кола користувачів. Крім того, дуже суттєвою перевагою цього підходу є можливість використання раніше розроблених програм. При розв'язанні конкретної задачі обробки сигналів або зображень архітектура такої комп’ютерної системи буде надлишковою як у функціональному, так і структурному відношеннях. Такий підхід до створення комп’ютерних систем обробки сигналів і зображень у реальному часі дозволяє опрацьовувати потоки даних з невисокою інтенсивністю надходження.

Підхід до створення комп’ютерних систем обробки сигналів і зображень у реальному часі на базі процесорного ядра доповненого апаратними розширювачами є перспективним, так як він передбачає сполучення універсальних і спеціальних засобів. Процес взаємопроникнення універсального та спеціального, програмного і апаратного дозволяє створити комп’ютерних систем, які ефективно реалізують алгоритми обробки сигналів і зображень та мають широкий діапазон областей застосування. Цей підхід передбачає розробку, відпрацьовування та передачу конструкторської документації на процесорне ядро замовнику з наданням йому можливостей доповнення процесорного ядра необхідними додатковими функціональними вузлами. Звичайно процесорне ядро є завершеним проектом, який конструктивно може бути реалізований у вигляді модуля або спеціалізованої напівзамовної НВІС. За кордоном такий підхід дістав назву core-технологія (core - ядро, серцевина) [2,3,6,9]. В склад комп’ютерних систем, крім процесорного ядра, може входити інтерфейсна логіка, зовнішні та спеціалізовані операційні пристрої, пам'ять і т.д. При такому підході розробка комп’ютерної системи з заданими технічними параметрами зводиться до доповнення процесорного ядра необхідним обрамленням і розробки спеціалізованого програмного забезпечення для розв’язання поставленої задачі.

Спеціалізований підхід до створення комп’ютерних систем реального часу дозволяє досягнути високої продуктивності та є альтернативою вище розглянутим підходам. Для забезпечення обробки потоків даних у реальному часі при високій ефективності використання обладнання необхідно узгодити обчислювану здатність комп’ютерної системи з інтенсивність надходження потоків даних. Таке узгодження досягається вибором необхідної кількості трактів оброки m і їх розрядності n або частоти роботи конвеєра F_к. При створенні орієнтованих на НІВС-реалізації спеціалізованих комп’ютерних систем реального часу з високою ефективністю використання обладнання необхідно використовувати інтегрований підхід, який охоплює методи і алгоритми обробки сигналів і зображень, архітектури спеціалізованих засобів, НВІС-технологію та особливості застосувань. На сучасному етапі розвитку НВІС-технології комп’ютерні системи обробки сигналів і зображень у реального часу доцільно реалізовувати на обчислювальних полях, які є двовимірними регулярними матрицями програмованих користувачем логічних інтегральних схем (ПЛІС), кожна з яких фізично зв’язана за входами-виходами з чотирма сусідами – зверху, знизу, зліва та справа. Використання для побудови обчислювальних полів ПЛІС з динамічним репрограмуванням відкриває нові можливості апаратної реалізації алгоритмів ШІС. Можливості оперативної реконфігурації елементів обчислювального поля дозволяє побудову комп’ютерних систем з багатофункціональним використанням апаратних ресурсів для розв’язання складних задач при їх розбитті на послідовності підзадач, які реалізуються на одному і тому обчислювальному полі, яке оперативно переналаштовується на реалізацію конкретної підзадачі.