Продуктивність комп’ютерних систем обробки сигналів

 

Однією із основних характеристик комп’ютерних систем ЦОС є продуктивність, яка залежить від множини параметрів [9], основними із яких є:

 

· тактова частота приймання вхідних даних F₁=1/Т_цЗп, де Т_цЗп - час циклу запису в БПП;

· тактова частота видачі результатів F₂=1/Т_цЧт, де Т_цЧт - час циклу читання із БПП;

· пропускна здатність конвеєра Д_k=m/T_k, де m – кількість каналів поступлення даних, T_k – такт роботи конвеєра;

· кількість каналів введення K₁ та виведення K₂ (ширина доступу до вхідної та вихідної БПП);

· алгоритми розв’язання задач і швидкодія елементної бази.

 

В залежності від розміру вхідних масивів даних для визначення продуктивності конвеєрної комп’ютерної системи ЦОС може використовуватися: конвеєрний такт T_k, час обчислення Т_о або блочний конвеєрний такт T_kб.

При обробці неперервних вхідних потоків даних продуктивність конвеєрної комп’ютерної системи ЦОС визначається наступним чином.

 

(17.1)

 

де R – складність алгоритму обчислення, яка оцінюється кількістю операцій необхідних для реалізації алгоритму; п- кількість сходинок конвеєра; Т_АОП – час асинхронного обчислення результату; T_k – конвеєрний такт; – час звертання до БПП, який визначається її швидкодією. З формули (17.1) видно, що підвищення продуктивності комп’ютерної системи ЦОС зв’язано з зменшенням конвеєрного такту T_k, який визначається затримкою у найповільнішому ярусі системи. Його можна подати у вигляді суми Т_k=Т_ОЯм+Т_Бп, де Т_ОЯм – максимальний час обчислення в ярусі. Відмінність у часах обчислення Т_ОЯ в ярусах приводить до неповного завантаження обладнання. Виникає задача вирівнювання часів Т_ОЯ, яка розв’язується двома способами: спрощенням комбінаційної схеми швидших ярусів з метою мінімізації затрат обладнання, прискоренням роботи повільних ярусів шляхом їх конвеєризації або розпаралелювання.

При розв’язанні однієї задачі з одиничним масивом вхідних даних продуктивність СКС визначається за формулою

 

_,

 

де Т_о - час обчислення, який дорівнює часу між початком першого обчислення і завершенням останнього обчислення при розв’язанні задачі; N₁, N₂ – розміри відповідно вхідного масиву даних і вихідного масиву результатів; Е₁,Е₂ – коефіцієнти, які враховують ефективність часового суміщення відповідно введення вхідних даних і виведення результатів з процесом обчислення.

Для випадку коли СКС розв’язує декілька задач важливе значення має блочний конвеєрний такт Т_Бк, який дорівнює інтервалу часу між початком розв’язку двох задач, що послідовно розв’язуються системою. Продуктивність САЗ у такому режимі роботи визначається так

 

_,

 

де Т_Н – час налаштування на розв’язання задачі.

 

17.3 Ефективність використання обладнання

 

Ефективність використання обладнання - це інтегральний параметр, який зв'язує продуктивність комп’ютерної системи ЦОС з витратами обладнання на їх реалізацію та дає оцінку елементам (вентилям) системи за продуктивністю [9]. Кількісна величина ефективності використання обладнання визначається наступним чином

 

 

де R- складність алгоритму розв’язання задачі; W_КС - витрати обладнання на комп’ютерної системи в вентилях; t - час розв’язання задачі.

Ефективність використання обладнання конвеєрних комп’ютерної системи ЦОС при обробці неперервних вхідних потоків визначається наступним чином

 

 

де T_k – такт конвеєра.

Підвищення ефективність використання обладнання комп’ютерною системою ЦОС безпосередньо зв'язане зі зменшенням часу розв’язання задачі та витратами обладнання на реалізацію функціональних вузлів.

При оцінці ефективності використання обладнання пристроїв, які реалізуються у вигляді НВІС необхідно враховувати геометричні, динамічні та інші параметри як активних елементів, так і зв'язків між ними. Це зумовлено тим, що вартість розробки, виготовлення і експлуатації НВІС у великій мірі визначається площею кристалу. Зменшення розмірів активних елементів веде до пропорційного збільшення їх швидкодії та зменшення довжини ліній зв'язку.

 

Література

 

1. А.Б.Сергиенко. Цифровая обработка сигналов.– СПб.: Питер, 2002. – 608с

2. Солонина А.И., Улахович Д.А., Яковлев А.А. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов. СПб: БХВ – СПб, 2001, 464с.

3. Ерофеев А.А., Ковалев В.С., Ульянов И.С. Сигнальные процесоры. – М.: Знание, 1991. – 64 с.

4. Яцимірський М. М. Швидкі алгоритми ортогональних тригонометричних перетворень. - Львів: Академічний Експрес. 1997. - 219 с

5. С.Кун. Матричные процессоры на СБИС:-М.:Мир,1991.-672 с.

6. Корнеев В. В., Киселев А. В. Современные микропроцессоры. - М.: НОЛИДЖ, 1998. - 240с.

7. Бондарев В.Н. и др. Цифровая обработка сигналов: методы и средства. Учеб. Пособие для вузов. 2-е изд. – Конус, 2001. – 398с

8. Куприянов М. С., Матюшкин Б. Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования. – Спб.: Политехника, 1998.

9. Цмоць І.Г. Інформаційні технології та спеціалізовані засоби обробки сигналів і зображень у реальному часі.: Монографія – Львів: 2005.-227с

10. Р. Гонсалес, Р. Вуде. Цифровая обработка изображений.- Техносфера.: М.: 2006.-1072с.

Размещено на Allbest.ru

 

 

Типу зміст

1. Структура та галузі застосування систем цифрової обробки сигналів…5

1.1 Структура та компоненти системи цифрової обробки сигналів……….5

Структура системи цифрової обробки сигналів……….7

1.2 Галузі застосування комп’ютерних систем цифрової обробки сигналів…..9

2. Цифрова фільтрація……..12

2.1 Нерекурсивний і рекурсивний цифрові фільтри……12

Структури цифрових фільтрів: а) некурсивний; б) рекурсивний…….14

2.2 Медіанна фільтрація………..15

3. Дискретне перетворення Фур’є……..16

Гармоніки для синтезу сигналу………17

Квадратурна дискретизація……..18

4. Швидкі алгоритми ортогональних тригонометричних перетворень……20

4.1 Алгоритми швидкого перетворення Фур’є комплексної послідовності….20

16-точкове швидке перетворення Фур’є комплексної послідовності за оновою два з двійко-інверсним порядком відліків на вході і прямим порядком відліків на виході…..21

16-точкове швидке перетворення Фур’є комплексної послідовності за оновою два з прямим порядком відліків на вході і двійко-інверсним порядком відліків на виходіі……22

Базові операції алгоритмів ШПФк за основою два: а) з часовим прорідженням; б) з частотним прорідженням…….23

4.2 Швидкі алгоритми дискретного перетворення Хартлі…….27

Граф-схема алгоритму швидкого перетворення Хартлі за основою 2, N=16 буде мати наступний вигляд:……..29

Косинусне перетворення: Зворотнє косинусне перетворення: Синусне перетворення: Обернене синусне перетворення:…….29

Граф схема алгоритму швидкого косинусного перетворення…….30

Восьмиточкові БО алгоритму ШПХ2-4t: а – спрощена, б загальна…..34

Алгоритми дискретного синус та косинус перетворень Фур’є…….35

Потоковий процесор……38

4.3 Швидкі алгоритми дискретних косинус і синус-перетворень Фур’є…..39

Узагальнений граф алгоритму ШКПФРБ і ШСПФРБ для N=16………..41

4.4 Алгоритми швидкого косинусного та синусного перетворень……..42

Направлений граф алгоритму прямого ШКП для N=16…………44

4.5 Ортогональні швидкі хвильові перетворення……….44

Загальний вигляд одного етапу ДХП……….45

Пірамідальна схема продовження…….45

4.6 Швидкі алгоритми двовимірних ортогональних тригонометричних перетворень…….46

5. Алгоритми функціонування, програмування і навчання штучних нейронних мереж паралельної обробки сигналів…….49

6. Кореляція…..52

7. Сортування…………53

Операційний базис обчислювальних систем обробки сигналів і зображень…..53

Особливості задач і алгоритмів цифрової обробки сигналів……54

Операційний базис комп’ютерної системи обробки сигналів….54

Операційний базис КСЦОС…..55

8. Операційний базис комп’ютерних систем обробки сигналів…..57

9. Елементна база комп’ютерних систем цифрової обробки сигналів…….60

9.1 Мікропроцесори ЦОС……..60

9.2. Трансп’ютери та однорідні обчислювальні середовища…..69

9.3 Спеціалізовані НВІС……..74

10. Особливості структурної організації пам’яті комп’ютерних систем цифрової обробки сигналів

10.1 Багатомодульна пам’ять…….77

Структура пам'яті процесора з гарвардською архітектурою…..78

10.2 Пам'ять з паралельним доступом…….79

10.3 Кеш-пам’ять……82

10.4 Особливості доступу до пам'яті…….84

10.5 Організація пам’яті комп’ютерних систем цифрової обробки сигналів…87

Базові структури пам'яті: а) з послідовним доступом до даних; б) з незалежним доступом до т елементів даних……88

Базові структури пам'яті з паралельним доступом

а) на основі одновимірної пам'яті б) на основі двовимірної пам'яті…..89

Ієрархічна багаторівнева структура пам’яті комп’ютерних систем ЦОС…91

10.6 Принципи побудови пам’яті комп’ютерних систем ЦОС……91

11. Інтерфейси комп’ютерних систем ЦОС…..93

Типовий інтерфейс зовнішньої пам’яті….94

12. Узагальнена структура та шляхи вдосконалення характеристик комп’ютерних систем обробки сигналів…….98

Узагальнена структура комп’ютерної системи обробки сигналів…..98

На схемотехнічному рівні можна виділити наступні основні напрямки вдосконалення…..104

На архітектурному рівні вдосконалення характеристик комп’ютерних…104

На архітектурному рівні вдосконалення характеристик комп’ютерних систем необхідно проводити в наступних напрямках:…….104

13. Засоби реалізації алгоритмів і підходи до побудови комп’ютерних систем обробки сигналів……106

14. Базові структури комп’ютерних систем цифрової обробки сигналів…111

14.1 Універсальна комп’ютерна система ЦОС…..111

Структура універсальної комп’ютерної системи ЦОС…..112

14.2 Спеціалізовані комп’ютерні системи ЦОС…..112

Базова структура асинхронної комп’ютерних систем ЦОС комп’ютерних систем ЦОС…..113

Базові структури паралельно-потокових систем ЦОС з обміном через паралельну пам’ять: а) на базі алгоритмічних процесорів; б) на базі функціонально-орієнтованих процесорів…..115

14.3 Реконфігуровані комп’ютерні системи ЦОС……119

15. Базові структури процесорів ЦОС

15.1 Алгоритмічні процесори ЦОС…………….121

Структури паралельно-потокових алгоритмічних процесорів:

а) спеціалізована; б) з налаштуванням…..123

Паралельно-потокові реконфігуровані процесори…123

15.2 Програмовані процесори цифрової обробки сигналів…..124

Структура процесорного модуля….126

15.3 Процесори швидких косинус- і синус-перетворень Фур’є…..126

Граф алгоритму ШКПФ-ШСПФ……127

Структура матричного конвеєрного процесора 16-точкового ШКПФ-ШСПФ….128

Схеми процесорних елементів……129

Структурна схема 2-4-8-16-точкового процесора ШКПФ ШСПР….130

16. Задачі і основні принцип проектування комп’ютерних систем цифрової обробки сигналів….133

В загальному задачі проектування комп’ютерних систем ЦОС можна сформулювати так…..134

Для найповнішого використання переваг НВІС технології при розробці архітектури комп’ютерних систем ЦОС використовується наступні принципи…137

17. Оцінка основних параметрів комп’ютерних систем цифрової обробки сигналів

17.1 Оцінка витрат обладнання….138

17.2 Продуктивність комп’ютерних систем обробки сигналів ……. 139