Елементна база комп’ютерних систем цифрової обробки сигналів

 

Швидкий розвиток технологій ЦОС обумовлений не тільки успіхом в розробці нових алгоритмів, але і стрімким прогресом технології виготовлення надвеликих інтегральних схем (НВІС). Сучасні дослідження в теорії ЦОС та НВІС-технології суттєво змінили склад і архітектуру комп’ютерних систем ЦОС. В теперішній час для реалізації алгоритмів ЦОС застосовуються комп’ютерні системи з нетрадиційною архітектурою, що складаються з великої кількості спеціалізованих і функціонально орієнтованих процесорів. Подальший розвиток архітектури комп’ютерних систем ЦОС тісно пов’язаний з розвитком НВІС-технології, яка дозволяє зменшити енергоспоживання, масогабаритні характеристики, підвищити швидкодію та стимулює розвиток одних підходів проектування і забороняє інші. Створення ефективних комп’ютерних систем ЦОС пов’язано з розвитком елементної бази, яка розвивається в трьох напрямках [2,3,5,7,9]:

· однокристальнi програмовані мікропроцесори та мiкро-ЕОМ з архiтектурорю орієнтованою на розв’язання задач ЦОС;

· трансп’ютери та НВІС однорідних обчислювальних середовищ, які орієнтовані на масово-паралельні обчислення;

· замовні та напівзамовні спеціалізовані НВІС, які апаратно реалізують БО алгоритмів ЦОС та малоточкові ШОТП.

 

Мікропроцесори ЦОС

 

Мікропроцесори ЦОС (МЦОС) мають високу ступінь спеціалізації. В них широко використовуються методи скорочення тривалості командного циклу, характерні і для універсальних RISC-процесорів, такі як конвеєризація на рівні окремих мікроінструкцій та інструкцій, розміщення операндів більшості команд у регістрах, використання тіньових регістрів для зберігання стану обчислень при переключенні контексту, поділ шин команд і даних (гарвардська архітектура). У той же час для МЦОС характерною є наявність апаратного перемножувача, що дозволяє виконувати множення двох чисел за один командний такт. В універсальних мікропроцесорах множення звичайно реалізується за декілька тактів, як послідовність операцій зсуву і додавання. Іншою особливістю МЦОС є включення в систему команд таких операцій, як множення з підсумовуванням MAC ( з зазначеним у команді числом виконань у циклі та з правилом зміни індексів використовуваних елементів масивів А і В), інверсія біту адреси, різноманітні бітові операції. У МЦОС реалізується апаратна підтримка програмних циклів, кільцевих буферів і вибір з пам'яті за цикл виконання команди декількох операндів.

За обробкою даних МЦОС діляться на два класи: з фіксованою та з плаваючою крапкою. Використання МЦОС з плаваючою крапкою обумовлено декількома причинами. Для багатьох задач, пов'язаних із виконанням інтегральних і диференціальних перетворень, особливе значення має точність обчислень, забезпечити яку дозволяє експоненційний формат представлення даних. Алгоритми компресії, декомпресії, адаптивної фільтрації в ЦОС пов'язані з визначенням логарифмічних залежностей і дуже чутливі до точності представлення даних у широкому динамічному діапазоні.

Робота з даними у форматі з плаваючою крапкою істотно спрощує і прискорює обробку, підвищує надійність програми, оскільки не потребує виконання операцій округлення і нормалізації даних, відслідковування ситуацій втрати значимості і переповнення. Платою за ці додаткові "комфорт і швидкість" є висока складність функціональних пристроїв, що виконують обробку даних у форматі з плаваючою крапкою, необхідність використання більш складних технологій виробництва мікросхем, більший відсоток відбракування виробів і як наслідок висока ціна мікропроцесорів.

Найпоширеніші МЦОС виготовляють такі фірми як Motorola (56002,96002), Intel (i960), Texas Instruments (TMS320Cxx), Analog Devices (21xx, 210xx) [2,6,7]. Порівняльний аналіз основних характеристик МЦОС одного покоління різних фірм показав відсутність суттєвих відмінностей, що пояснюється близькістю архітектури та технології виготовлення. За повнотою сімейства, за наявністю інструментальних технологічних засобів і розробленого програмного забезпечення МЦОС із сімейства TMS320 переважають МЦОС інших фірм. Принципи проектування та особливості архітектури МЦОС із сімейства TMS320 є характерними і для всіх інших МЦОС. Тому архітектуру мікропроцесорів TMS320, можна розглядати як базову. В основу проектування мікропроцесорів TMS320 покладені наступні принципи: застосування модифікованої гарвардської архітектури, широке використання конвеєрного режиму роботи, наявність спеціалізованого пристрою множення, існування спеціальних команд ЦОС, короткий командний цикл.

Для мікропроцесорів серії TMS320 характерне використання апаратної реалізації ряду функцій, які звичайно виконуються програмно. Наприклад, апаратний перемножувач, який забезпечує множення двох чисел за один командний цикл. Є також апаратні паралельні зсувачі, які здійснюють зсув даних і результатів обчислень, індексні регістри, які забезпечують непряму адресацію даних в ОЗП та режим автоінкременту (декременту) при одноциклових маніпуляціях з таблицями даних.

Системи команд сімейства мікропроцесорів TMS320 є комплексними та сумісними знизу до верху. Вони містять інструкції різного функціонального призначення: універсальні - арифметичні, логічні і керуючі команди; спеціальні - призначені для розв’язання задач ЦОС. Наявність комплексної системи команд розширює області застосування МЦОС і спрощує розробку програм.

МЦОС з фіксованою крапкою. МЦОС TMS320C1x, C2x, C5x призначені для обробки чисел у форматі з фіксованою крапкою. Перше покоління мікропроцесорів TMS320С1х побудоване на базовій архітектурі мікропроцесора TMS320С10 [2,3,9], структура якого наведена на рис.9.1.

 

Рис.9.1 Структура мікропроцесора TMS320С10

 

Його адресний простір складає 4К´16-розрядних слів пам'яті програм і 144´16-розрядних слів пам'яті даних. Тривалість командного такту процесора складає 160-200 нс. Арифметичні функції в процесорі реалізовані апаратно. З зовнішніми пристроями процесор взаємодіє через 8-м 16-розрядних портів вводу/виводу. Передбачено можливість обробки зовнішнього переривання.

Інші мікропроцесори даного сімейства (С14 – С17) мають аналогічну архітектуру і відрізняються тривалістю командного такту, конфігурацією пам'яті, наявністю (або відсутністю) додаткових периферійних пристроїв.

Мікропроцесори сімейства TMS320C2x мають підвищену продуктивність і ширші функціональні можливості. Всі мікропроцесори сімейства можуть використовувати пам'яті програм і даних ємністю 64К слів, послідовний порт та шістнадцять паралельних портів введення/виведення. Мікропроцесори сімейства TMS320C2x мають можливість використання зовнішнього контролера прямого доступу до пам'яті (ПДП). Пристрої множення мікропроцесорів, крім операцій множення, дозволяє виконувати за один такт піднесення до квадрату. У мікропроцесори включена апаратна підтримка кратного виконання команди, реалізований режим двійкової інверсно-непрямої адресації, призначений для ефективної реалізації швидкого перетворення Фур'є.

Мікропроцесори сімейства TMS320C5x, забезпечуючи сумісність за системою команд і наслідуючи загальні архітектурні особливості побудови мікропроцесорів попереднього покоління, відрізняються більшими функціональними можливостями, підвищеною тактовою частотою, меншим енергоспоживанням. У МЦОС реалізована апаратна підтримка кільцевих буферів, є можливість одночасного створення в пам'яті даних двох незалежних кільцевих буферів. Існує можливість кратного виконання блока програми. Мікропроцесор містить одинадцять тіньових регістрів, що використовуються для швидкого зберігання/відновлення стану основних регістрів у випадку виникнення програмних або апаратних переривань. Паралельний логічний пристрій мікропроцесора дозволяє виконувати бітові і логічні операції над операндами, що утримуються в пам'яті і різних регістрах.

Мікропроцесор TMS320C5x може використовувати 244К слів пам'яті, у тому числі: 64К – пам'ять програм, 64К – пам'ять даних, 64К – 16-розрядні порти вводу/виводу, 32К – глобальна пам'ять. Для можливості роботи з повільною пам'яттю в мікропроцесор включений програмований генератор тактів чекання. При створенні мультипроцесорних систем виникає необхідність спільного використання єдиної області пам'яті. Для цього в процесорі передбачені сигнали запиту і готовності при звертанні до глобальної пам'яті, доступ до якої регулює спеціальний арбітр пам'яті. Різниці між мікропроцесорами – представниками сімейства TMS320C5x полягають, в основному, у конфігурації внутрішньокристальної пам'яті.

Крім 16-розрядних портів вводу/виводу, мікропроцесори сімейства мають 2 послідовних порти (у TMS320C52 – один), таймер, інтерфейс тестування і налагодження JTAG.

МЦОС з плаваючою крапкою. Першим представником класу мікропроцесорів із плаваючою крапкою є TMS320C30, він має гнучку систему команд, апаратну підтримку операцій із плаваючою крапкою, потужну систему адресації, розширений адресний простір і підтримку мови високого рівня – Сі [3]. Мікропроцесор виготовляється за 0,7 мікронною КМОН технологією з 3-ма рівнями металізації. Всі операції в мікропроцесорі виконуються за один такт. При тривалості такту 60 нс процесор TMS320C30 має швидкодію біля 33 млн. операцій із плаваючою крапкою в секунду. Висока продуктивність мікропроцесора на алгоритмах ЦОС забезпечується завдяки апаратному виконанню ряду специфічних функцій, що в інших мікропроцесорах реалізуються програмно або мікропрограмно. Мікропроцесор має конвеєрну регістро-орієнтовану архітектуру і може паралельно виконувати в одному такті множення і арифметико-логічні операції з числами у форматі з фіксованою або плаваючою крапкою. Структура мікропроцесора TMS320C30 наведена на рис.9.2.

 

Рис.9.2 Структура мікропроцесора TMS320C30

 

В склад мікропроцесора TMS320C30 входить: 32-розрядна шина команд і даних; 24-розрядна шина адреси; 2-а блоки ОЗП; 32-розрядний перемножувач із плаваючою крапкою; кеш-пам’ять команд ємністю 64-и слова; 8-м регістрів для операцій із підвищеною точністю; два генератори адреси; регістровий файл; 40-розрядний АЛП, який працює як із цілими числами, так і з числами у форматі з плаваючою крапкою. Вмонтований контролер ПДП дозволяє поєднувати в часі виконання обмінів даними з пам'яттю і обчислення. Наявність у TMS320C30 мультипроцесорного інтерфейсу, двох зовнішніх інтерфейсних портів, двох послідовних портів, розширеної системи переривань спрощує конструювання систем на його основі. Завдяки своїй високій продуктивності і простоті використання в обчислювальних системах TMS320C30 може застосовуватися як у якості головного процесора, так і в якості спеціалізованого співпроцесора.

Наступними представниками МЦОС із плаваючою точкою є мікропроцесори сімейства TMS320C4x. Завдяки своїй унікальній архітектурі мікропроцесори TMS320C40 одержали широке поширення в мультипроцесорних системах і практично витіснули раніше пануюче в цій технологічній ніші сімейство трансп’ютерів. Процесори TMS320C4x сумісні по системі команд із TMS320C3x, проте мають більшу продуктивність і кращі комунікаційні можливості.

У сімейство TMS320C4x входять процесори TMS320C40, TMS320C44, TMS320LC40. TMS320C40 має продуктивність 30MIPS/60MFLOPS і максимальну пропускну спроможність підсистеми вводу/виводу 384 Мбайт/с. TMS320C40 містить на кристалі шість високошвидкісних (20 Мбайт/с) комунікаційних портів і шість каналів ПДП, 2K слів пам'яті, 128-м слів програмного кеша. Дві зовнішні шини забезпечують доступ до 4Г слів.

Висока продуктивність і хороші комунікаційні властивості процесора дозволяють ефективно використовувати його для розв’яння задач обробки зображень, моделювання віртуальної реальності, розпізнавання мови, моніторингу.

Мультипроцесорні МЦОС. Подальшим розвитком сімейства МЦОС Texas Instruments є мікропроцесори принципово нової архітектури – TMS320C8х [9]. Мікропроцесори орієнтовані на ужитки, пов'язані з високопродуктивною цифровою обробкою сигналу в самих широких областях науки і техніки. Друга назва процесорів – MVP (Multimedia Video Processor) – характеризує їх високу ефективність на задачах обробки зображень, 2- і 3-вимірній графіці, у системах віртуальної реальності, компресії і декомпресії відео- і аудіоданих і ін.

 

Рис.9.3 Структура мікропроцесора TMS320C80

 

Базовим МЦОС сімейства TMS320C8х є TMS320C80 (рис. 9.3), який об'єднує в одній мікросхемі п'ять повнофункціональних процесорів, чотири з яких – покращені процесори ЦОС (Advanced Digital Signal Processor).

Кожний із ADSP дозволяє виконати за один командний такт декілька RISC-подібних операцій. П'ятий процесор, головний (Master Processor (MP)), являє собою 32-розрядний RISC-процесор із високопродуктивним обчислювачем із плаваючою крапкою, сумісним із стандартом IEEE 754. Крім процесорного ядра на кристалі розміщені: контролер обміну (Transfer Controller (TC)) – інтелектуальний контролер ПДП, що підтримує інтерфейс із DRAM і SRAM, відеоконтролер (Video Controller (VC)), система контролю і налагодження – порт JTAG (IEЕE 1149.1), 50Кб SRAM.

Випускається також спрощений варіант мікропроцесора TMS320C82, що відрізняється меншим обсягом пам'яті, кількістю сигнальних процесорів ADSP (2), відсутністю відеоконтролера і відповідно меншою вартістю.

Сумарна продуктивність TMS320C80 на регістрових операціях досягає 2 млрд. RISC-подібних команд в секунду. Завдяки високій продуктивності TMS320C80 може замінити при реалізації ряду ужитків більш 10 високопродуктивних МЦОС або мікропроцесорів загального призначення. Пропускна здатність шини TMS320C80 досягає 2,4 Гбайт/с – у потоці даних і 1,8 Гбайт/с – у потоці інструкцій.

TMS320C80 забезпечує високу ступінь гнучкості й адаптивності системи, побудованої на його базі, що досягається за рахунок наявності на кристалі паралельно функціонуючих процесорів ЦОС і головного RISC-процесора. Архітектура процесора TMS320C80 відноситься до класу MIMD-множинний потік даних, множинний потік команд. Процесори, що входять до складу TMS320C80 програмуються незалежно один від іншого і можуть виконувати як різні, так і одну загальну задачу. Обмін даними між процесорами здійснюється через спільну внутрішньокристальну пам'ять. Доступ до розподіленої внутрішньокристальної пам'яті забезпечує матричний комутатор (Crossbar), що виконує також функції монітора при звертанні декількох процесорів до одного сегмента пам'яті.