Необходимо предусмотреть охрану парка (система видеонаблюдения), систему освещения, подключение электричества

Свойства	Применение
Быстрое умножение с накоплением	Большинство алгоритмов ЦОС (фильтрация, преобразова­ния, спектральный анализ, нелинейная обработка и т. д.) содержат операции сложения и умножения
Архитектура с парал­лельным доступом к памяти	Увеличение производительности, поскольку многие опера­ции ЦОС, работающие с большими объемами данных, тре­буют чтения команд программы и многократного обраще­ния к данным во время каждого командного цикла
Режимы специальной адресации	Эффективная поддержка массивов данных и буферов типа PIРО ("первым вошел — первым вышел")
Управление специ­альными программами	Эффективное управление циклами в многоитеративных алгоритмах ЦОС; быстрое прерывание, поддерживающее часто повторяемые команды типа ввода/вывода
Внутрикристальная периферия и интер­фейсы ввода/вывода	Внутрикристальная периферия, включающая в себя разно­образные устройства (компандеры, кодеки, таймеры, ин­терфейсы ввода/вывода, приспособленные к внешней пе­риферии общего назначения и др.), позволяет разра­батывать компактные системы малой стоимости

 

2. Аппаратное обеспечение, разработанные для специального приложения, например, в сфере контроля, телекоммуникаций или цифрового аудио. Устройства данного типа иногда называют процессорами ЦОС специального назначения (специализированными).

В качестве примера специализированных процессоров ЦОС можно привести процессор Cirrus CS8420 для конверторов частоты дискретизации в цифровой аудиоаппаратуре, подавитель речевого эха в многоканальной телефонии Mitel MT9300, процессор БПФ PDSP16515A и программируемый КИХ-фильтр VPDSP16256.

Все универсальные и специализированные процессоры можно построить с помощью отдельных чипов или блоков умножений, АЛУ, ячеек памяти и т.д.

Рассмотрим архитектурные особенности процессоров ЦОС, которые позволили применять цифровую обработку в реальном режиме времени во многих областях.

Общие принципы построения ПЦОС и особенности их архитектуры Термин «архитектура» обычно используется для описания состава, прин­ципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных узлов вы­числительной системы. Этот термин включает в себя также изложение воз­можностей программирования, форматов данных, системы команд, способов адресации и т. д. Таким образом, термин "архитектура" относится как к аппа­ратным средствам или программному обеспечению, так и к их комбинации.

Традиционно простым примером, на котором иллюстрируются особенно­сти алгоритмов ЦОС и процессоров ПЦОС, является алгоритм реализации КИХ-фильтра.

Выходной сигнал такого фильтра, как известно, определяется выражением

где х(п) — отсчеты входного сигнала; a_k — коэффициенты фильтра.

В соответствии с алгоритмом, выборки входного сигнала умножаются на коэффициенты фильтра и суммируются. Подобные вычисления использу­ются и во многих других алгоритмах ЦОС. Таким образом, ба­зовой операцией ЦОС является операция умножения и добавление (накоп­ление) результата умножения. Подобную операцию часто обозначают при описаниях мнемоникой МАС.

Для того, чтобы работать с высокой производительностью, процессор должен выполнять операцию МАС за один цикл (такт) работы процессора. Отсчеты сигнала, коэффициенты фильтра и команды программы хранятся в памяти. Для выполнения операции требуется произвести три выборки из памяти — команды и двух сомножителей. Следовательно, для работы с высокой производительностью эти три выборки необходимо произвести за один такт ра­боты процессора. При этом подразумевается, что результат операции остает­ся в устройстве выполнения операции (в центральном процессорном устройстве ЦПУ), а не помещается в память. В более общем случае нужна еще операция записи результата в память, т. е. необходимы четыре обраще­ния к памяти за цикл. Таким образом, производительность процессора, пре­жде всего, определяется возможностями обмена данными между ЦПУ и па­мятью процессора и организацией их взаимодействия.

На рис. 3.7 приведена общая аппаратная архитектура процессора ПЦОС, подходящая для цифровой обработки сигналов в реальном времени. Она характеризуется следующими особенностями:

 

1. Многошинная структура с раздельной памятью для данных и инструкций программы. Обычно память для хранения данных содержит входные данные, промежуточные значения и выходные выборки, а также фиксированные коэффициенты, например, для цифровой фильтрации или БПФ. Команды программы хранятся в специально отведённых ячейках памяти.

2. Порт ввода-вывода позволяет обмениваться данными с внешними устройствами (АЦП, ЦАП) или передавать цифровые данные другим процессорам. Прямой доступ к памяти (ПДП), если он есть, позволяет быстро обмениваться блоками данных с памятью (ОЗУ) для хранения данных, причём обычно это происходит под внешним управлением.

3. Арифметические устройства для логических и арифметических операций, в число которых входят АЛУ, аппаратные умножители и схемы сдвига (умножители-накопители).

Такая архитектура наиболее приемлема, так как большинство алгоритмов ЦОС (фильтрация, корреляция, преобразование Фурье) включают повторяющие арифметические операции, такие, как умножение, сложение, обращение к памяти и интенсивная передача данных через центральный процессор. Архитектура стандартных микропроцессоров не предназначена для этих целей. При разработке аппаратуры ЦОС важно оптимизировать под операции цифровой обработки сигналов и аппаратную архитектуру, и систему команд. В процессорах ЦОС для этого широко используется концепция параллелизма. В частности применяются следующие средства:

- гарвардская структура;

- конвейерная обработка;

- быстрые специализированные аппаратные умножители-накопители;

- специальные команды, предназначенные для ЦОС;

- дублирование;

- встроенная кэш-память;

- расширенный параллелизм – векторная архитектура (SIMD) архитектура с командными словами сверхбольшой длинны (VLIW) и статическая суперскалярная обработка.

42. Архитектура Фон Неймана и гарвардская архитектура в ПЦОС. Преимущества и недостатки.

В традиционных микропроцессорах используется фоннеймановская архитектура, названная так по имени архитектора математика Джона фон Неймана (1903-1957 гг.). Эта архитектура содержит единственный блок памяти, в котором храняться команды и данные, и общую шину для передачи данных и команд в центральный процессор и от него. Умножение чисел в этом случае требует по меньшей мере трех тактов: по одному на пересылку каждого из двух чисел в ЦП, и одного – для передачи команды. Здесь не учитывается время на пересылку результата обратно в память, так как предполагается, что он остаётся в ЦП для следующих преобразований. Фоннеймановская архитектура вполне вполне подходит в том случае, когда все действия могут выполняться последовательно. Большинство компьютеров общего назначения фактически построены по архитектуре вон Неймана.

Рис. Архитектура Фон Неймана (один модуль памяти):

 

ША – шина адреса; ШД – шина данных; ЦП – центральный процессор

Иная архитектура применяется только тогда, когда необходима очень быстрая обработка. Таким требованиям отвечает гарвардская архитектура. Данная архитектура получила свое название благодаря разработкам, выполненным в 1940^-х годах в Гарвардском университете под руководством Г. Айкена (1900-1973 гг.).

 

Рис. Гарвардская архитектура (два модуля памяти):

ША – шина адреса; ШД – шина данных;

ПД –памяти данных; ПП –памяти программ;

ЦП – центральный процессор

Данные и код программы здесь хранятся в различных блоках памяти, и доступ к ним осуществляется по отдельным шинам. Так как шины работают независимо, то выборка команд программы и данных из памяти может осуществляться одновременно, повышая тем самым скорость обработки. При этом для выполнения операции MAC требуется два таких такта работы процессора. Реально за счет дополнительных мер почти время выполнения операции MAC сводиться к одному такту.

Недостатком базовой гарвардской архитектуры является то, что шина памяти данных занята больше, чем шина памяти программ. При перемножении двух чисел два двоичных значения (числа) должны поступить в центральный процессор (ЦП) по шине данных и только одно двоичное значение (команда) загружается по шине программ. Для улучшения ситуации можно переместить часть данных (чисел) в память программ. Например, можно разместить в памяти программ коэффициенты фильтра, а отсчеты входного сигнала по-прежнему записывать в память данных. На первый взгляд ситуация нисколько не улучшилась. Теперь необходимо передавать одно значение по шине команд (отсчет входного сигнала) и два значения по шине команд (команду и коэфициент). Если бы выполнялась случайная последовательность команд, то это было бы действительно так.

Однако известно, что алгоритмы ЦОС в общем случае основное время обработки тратят на выполнение циклов. Цикл же подразумевает, что из памяти программ в ЦП поступают одни и те же команды. Используя этот факт, можно дополнить ЦП кэш-памятью программ. Это память малого объема, предназначенная для хранения команд программы в ядре процессора. Она уменьшает количество извлеченных инструкций из памяти программ, ускоряя таким образом работу процессора.

Такая архитектура, содержащая кэш-память команд, где и команды и данные могут храниться в памяти программ, получила название модифицированной гарвардской архитектуры

Рис. 3.25. Модифицированная гарвардская архитектура (два модуля памяти и кэш-память)

 

Модифицированная гарвардская архитектура дополненная контроллером ввода/вывода, известна под названием супергарвардскаяархитектура. Этот термин был введен фирмой Analog Devices для описания работы цифровых сигнальных процессоров семейств. ЦСП, построенные по такой архитектура назвали SHARC, что является сокращением от слов S uper H arvard ARC hitecture. Архитектура ЦСП семейства SHARC для улучшения их производительности оптимизирована по многим направлениям, однако два из них играют особую роль – это наличие кэш-памяти команд и контроллера ввода/вывода, соединенного с памятью данных и организующего ввод сигналов в систему и вывод из нее. В частности, для обмена данными с внешними устройствами ЦСП семейства SHARC содержат и параллельный и последовательный порты, обеспечивающие очень высокую скорость передачи данных. Способность поддерживать высокоскоростной интерфейс ввода/вывода является ключевой особенностью таких ЦСП. Так как главная задача цифрового процессора – загрузить входные данные, выполнить необходимые систематические преобразования и вывести результат, прежде чем на входе системы появится следующий отсчет.

43. Универсальные процессоры ЦОС. Общая характеристика процессоров с фиксированной и плавающей точкой (запятой).

Универсальные процессоры ЦОС – это высокоскоростные микропроцессоры с гарвардской архитектурой и наборами команд, оптимизированных под операции ЦОС. В данных процессорах выполнение трудоёмких операций (сдвиг-масштабирование, умножение и т.д.) облегчается за счёт интенсивного использования гарвардской архитектуры, конвейерной обработки и специализированного аппаратного обеспечения. Снижению времени выполнения команд, увеличению тактовой частоты и, что более важно, усложнению аппаратных и программных архитектур. В настоящее время обычным является наличие специализированных встроенных арифметических аппаратных устройств (например, для поддержки быстрых операций умножения-накопления), большой встроенной памяти с множественным доступом и специальных команд для эффективного выполнения операций ЦОС во внутреннем ядре. Следует отметить также тенденцию к увеличению размера слова (например, для поддержания качества сигнала) и более интенсивному использованию параллелизма.

Процессоры с фиксированной (ФТ) и плавающей (ПТ) точкой отличаются способностью обрабатывать сигналы и данные, использующие соответствующие формы их представления. При этом следует иметь в виду, что все процессоры с ПТ имеют набор команд и для обработки данных с ФТ, т.е. в этом смысле являются универсальными.

Следует отметить, что в процессорах с ФТ всегда можно организовать обработку данных с ПТ, но только программным способом. Соответствующие программы преобразования и обработки данных требуют достаточно много времени для их выполнения.

Основные отличия процессоров с ФТ и ПТ заключаются в следующем:

1. Функциональные модули, выполняющие арифметические операции умножения, в процессорах с ПТ по сравнению с ПЦОС с ФТ гораздо сложнее, так как алгоритмы выполнения операций над числами с фиксированной и плавающей точкой существенно отличаются.

2. Процессоры с ПТ имеют более разнообразные типы представления данных, системы команд для обработки данных как с ФТ, так и ПТ и их взаимного преобразования.

3. Разрядность внутреннего представления данных в процессорах с ПТ как правило составляет 32 разряда. В некоторых ПЦОС возможно использование укороченной формы представления.

Однако для многих применений это окупается большими преимуществами, основными из которых являются следующие:

1. При использовании 32 разрядов с ПТ существенно повышается точность внутреннего представления данных.

2. Существенно расширяется возможный динамический диапазон обрабатываемых сигналов и данных (отношение максимально возможного к минимально возможному значению сигнала) и, следовательно, отношение сигнал/шум значительно лучше.

3. При использовании процессоров с ПТ отсутствует необходимость масштабирования данных для исключения эффектов переполнения при выполнении различных операций и, в первую очередь, операций накопления.

4. Большое разнообразие типов данных и особенно данные с ПТ приводит к тому, что архитектура ПЦОС с ПТ становится более дружественной для компиляторов с языка С. Это обстоятельство позволяет получить более эффективные программы при использовании языков высокого уровня.

44. Основные различия между микроконтроллерами, микропроцессорами и сигнальными процессорами.

Микроконтроллеры:

· ЦПУ, ОЗУ, ПЗУ, последовательный/ параллельный интерфейс, тумблер, схемы прерываний

· Хорошо подходят для реализации ввода/вывода и для управления промышленными процессами.

· Скорость не является главным требованием.

· Компактная система команд.

· Примеры: 8051, 68HC11, PIC.

Микропроцессоры:

· На одном кристалле находится только ЦПУ. Требуются дополнительные внешние устройства.

· Процессоры с упрощенной системой команд (RISC).

· Процессоры со сложной системой команд (CISC).

· Примеры: серия Pentium, PowerPC, MIPS.

Цифровые сигнальные процессоры (DSP):

· ОЗУ, ПЗУ, последовательный/параллельный интерфейсы, схема обработки прерываний.

· ЦПУ оптимизировано для многократно повторяющихся математических операций в реальном масштабе времени.

· Быстрое выполнение умножения с накоплением.

· Высокая точность представления результата (в аккумуляторе).

· Одновременная выборка двух операндов.

· Реализация циклов с автоматической проверкой условий.

Следует отметить, что многие высокопроизводительные процессоры, например, Pentium, Athlon или PowerPC, имеют достаточно ресурсов, чтобы успешно выполнять задачи цифровой обработки сигналов. Наряду с техникой SIMD в них применяются расширенные наборы команд, такие как MMX и SSE. Благодаря использованию 64-х разрядных шин данных, регистров и АЛУ микропроцессоры общего назначения часто по производительности превосходят даже самые быстрые ЦСП. В значительной степени это связано и с тактовой частотой. Тем не менее, ЦСП применялись и будут применяться и дальше для многих практических приложений. Это связано с тем, что для ЦСП характерны лучшее соотношение производительности, мощности потребления и стоимости (цены).

 

Необходимо предусмотреть охрану парка (система видеонаблюдения), систему освещения, подключение электричества.