3.2.5. Цифровые процессоры обработки сигналов.
В рамках процессоров третьего класса в середине 80-х годов сформировалось самостоятельное направление, которое объединяет специализированные микропроцессоры для цифровой обработки сигналов – ЦПОС (цифровые процессоры обработки сигналов). Цифровая обработка сигналов охватывает широчайший спектр практических приложений. К ним относятся цифровая фильтрация , кодирование и декодирование информации, распознавание звука и речи, обработка изображений, спектральный анализ, цифровая звукотехника, медицина, измерительная техника, управляющие системы.
Чем же отличается ЦПОС от обычного МП? В первую очередь архитектурой и системой команд. В основу построения ЦПОС положены следующие принципы:
- использование гарвардской архитектуры;
- сокращение длительности командного цикла;
- применение конвейеризации;
- применение аппаратного умножителя;
- включение в систему команд специальных команд цифровой обработки сигналов.
Гарвардская архитектура подразумевает хранение программ и данных в двух раздельных запоминающих устройствах. Соответственно на кристалле имеются раздельные шины адреса и данных ( в некоторых процессорах – несколько раздельных шин адреса и данных). Это позволяет совмещать во времени выборку и исполнение команд.
Короткий командный цикл. Работа в реальном времени требует высокой производительности процессора. С развитием полупроводниковой технологии длительность командного цикла снижается.
Для сокращения командного цикла используется уже известный нам конвейерный режим. Обычно применяется двух- или трехкаскадный конвейер, что позволяет на разных стадиях выполнения одновременно обрабатывать две или три инструкции.
Аппаратный умножитель применяется для сокращения времени выполнения одной из основных операций цифровой обработки сигналов – операции умножения. В процессорах общего назначения эта операция реализуется за несколько тактов сдвига и сложения и занимает много времени, а в ЦПОС благодаря специализированному умножителю – за один командный цикл.
Специальные команды цифровой обработки сигналов. Система команд сигнальных процессоров оптимизирована для выполнения базовых задач цифровой обработки сигналов: умножение с накоплением, битовые операции (для графики); инверсия бит адреса (для БПФ), кольцевые буфера (для фильтров) и многое другое.
Семейство ЦПОС, насчитывающее в настоящее время около трех десятков изделий, можно разбить на следующие основные классы:
- однокристальные ЦПОС с аналоговыми устройствами ввода-вывода ( так называемые аналоговые микропроцессоры К1813ВЕ1, i2920, AN-7910 (AMD));
- комплект специализированных кристаллов, используемых с центральным процессором, каждый из которых предназначен для решения задач по обработке сигналов ( фильтрация, быстрое преобразование Фурье и т.д.) , ( К 1815, S 2811 фирмы AMI);
- приборы ЦПОС, обладающие возможностями универсальных МП. Примером таких ЦПОС являются приборы серии TMS 320 фирмы Texas Instruments, MB8764 фирмы Fujitsu.
В развитии ЦПОС третьей группы выделяют три поколения.
Наиболее ярким представителем универсальных ЦПОС первого поколения является МП ТMS32010 фирмы Texas Instruments (TI), выпуск которого начался в 1982г.
TMS32010 оперирует 16-ти разрядными словами и способен выполнять 5 млн. операций умножения или сложения в секунду. Основными характеристиками МП первого поколения семейства TMS являются:
- длительность командного цикла – 160-280нс;
- ОЗУ объемом 144 или 256 слов;
- ПЗУ программ объемом 1,5 К или 4 К слов;
- Разрядность арифметико-логического устройства и аккумулятора–32;
- Умножитель 16 Х 16 с 32 – разрядным результатом;
- Восемь 16-ти разрядных портов для устройств ввода-вывода.
В середине 80-х годов появились сигнальные процессоры второго поколения. Повышение степени интеграции микросхем позволило значительно расширить функции ЦПОС. Особо следует отметить увеличение скорости выполнения команд и распараллеливание обработки данных. Ко второму поколению изделий фирмы TI относятся МП TMS32020, TMS320C25 и их модификации. МП TMS320C25 может выполнять 10млн. операций в секунду. Объем встроенного ОЗУ составляет 544 16-разрядных слова. Предусмотрена возможность подключения внешней памяти программ и внешней памяти данных объемом до 128 К слов. По сравнению со своими предшественниками процессоры второго поколения обладают в 2-4 раза большим быстродействием.
Ко второму поколению относятся также выпущенные позже 16-разрядные ЦПОС TMS320C5X фирмы TI и ADSP21xx фирмы Analog Devices. Указанные процессоры имеют архитектуру в основном похожую на своих предшественников, но расширенную дополнительными возможностями. В этих процессорах реализованы три режима энергопотребления: активный, периферийный и “спящий”. Активный режим потребления является основным, потребление в этом режиме составляет 1,5 мА/MIPS для 3В процессора. В периферийном режиме центральный процессор останавливается, работают только периферийные устройства, при этом энергопотребление составляет приблизительно 0,25 мА/MIPS. В “спящем” режиме все узлы МП “засыпают” до возникновения внешнего прерывания, потребление снижается до 5мкА.
В конце 80-х годов ведущие фирмы производители ЦПОС, освоив субмикронную технологию, почти одновременно вышли на рынок с сигнальными МП, реализующими арифметику с плавающей запятой – TMS320C30 фирмы TI, DSP96002 фирмы Motorola, ADSP-21020 (10) фирмы Analog Devices. ЦПОС третьего поколения TMS320C30 по производительности ( 33 MIPS ) значительно превзошел своих конкурентов.
И, наконец, фирма TI на международной выставке CeBIT’94 представила новый ЦПОС TMS320C80, который имеет второе название Multimedia Video Processor – MVP. Эта грандиозная разработка, которая в ближайшие годы окажет серьезное влияние на мировой рынок высоких технологий. Эти МП имеют десятикратное увеличение производительности по сравнению с лучшими из существовавших ранее сигнальных МП (2 млрд. операций в секунду).
Новый прибор представляет собой комбинацию из пяти процессоров, двух видеоконтроллеров и контроллера пересылок. Четыре процессора имеют 32-разрядную архитектуру с фиксированной точкой, пятый процессор является управляющим. Он имеет 32-разрядную RISC архитектуру и содержит встроенный блок плавающей арифметики.
- Эвм и вычислительные системы».
- Часть I.
- Лекция №1 общие сведения о микропроцессорах и микропроцессорных системах.
- Предисловие
- 1.1 . Основные определения и классификация микропроцессорных систем.
- 1.2. Однокристальные мп.
- 1.2.1 Краткий исторический обзор развития.
- Лекция №2 обзор микропроцессоров фирм клонмейкеров. Современный уровень развития однокристальных микропроцессоров.
- 2.1. Микропроцессоры-клоны.
- 2.2. Современные универсальные однокристальные микропроцессоры.
- Процессоры Pentium II.
- 2.2.1. Процессоры фирмы amd
- 2.2.2.ПроцессорыфирмыCyrix.
- 2.2.3. Сравнительный анализ мп различных семейств.
- 2.2.4. Перспективы развития.
- 2.3. Программируемые микроконтроллеры.
- Лекция №3 обзор микропроцессоров с микропрограммным управлением и микропроцессоров с сокращенным набором команд.
- 3.1. Мп с микропрограммным управлением.
- 3.2. Мп с сокращенным набором команд.
- 3.2.1. Risc-процессоры: предпосылки создания.
- 3.2.2. Принципы risc
- 3.2.3. Особенности risc-процессоров.
- 3.2.4. Представители группы risc-процессоров.
- 3.2.5. Цифровые процессоры обработки сигналов.
- Лекция №4 представление информации в мпс.
- 4.1. Способы кодирования информации в мпс.
- 4.2 Двоичный формат.
- 4.3. Двоично-десятичная система кодирования.
- 4.4. Шестнадцатиричная система счисления.
- 4.4. Формат с плавающей точкой.
- 4.5. Кодирование команд.
- Лекция №5 архитектура мп и мпс.
- 5.1. Понятие организации и архитектуры мп и мпс.
- 5.2 Обобщенная функциональная схема мп.
- 5.2.1 Устройство управления на основе аппаратной реализации.
- 5.2.2. Программируемая логическая матрица.
- Лекция №6 архитектура мп и мпс.(продолжение)
- 6.1. Функциональная схема однокристального мп.
- 6.2 Структура адресного пространства мпс.
- 6.3 Взгляд программиста на адресное пространство.
- 6.4 Понятие стека.
- Лекция №7 способы адресации
- 7.1 Основные определения.
- 7.2 Однокомпонентные способы адресации.
- 7.2.1 Прямой способ адресации.
- 7.2.3 Способы адресации с автомодификацией.
- 7.3 Многокомпонентные способы адресации.
- Лекция №8 основы проограммирования на языке ассемблера для мп i8086.
- 8.1. Формат команд на языке встроенного ассемблера.
- 8.2. Архитектура мп i8086.
- 8.2.1 Сегментация памяти мп i8086.
- 8.2.2 Структура мп i8086.
- 8.2.3 Устройство шинного интерфейса.
- 8.2.4 Операционное устройство(оу).
- 8.3 Основные команды языка Ассемблер для мп i8086.
- 8.3.1 Команды пересылки данных.
- Лекция №9 основы проограммирования на языке ассемблера для мп i8086. (продолжение).
- 9.1. Арифметические команды.
- 9.2. Логические команды.
- 9.3. Команды передачи управления.
- 9.4. Команды управления мп.
- Лекция №10 запоминающие устройства.
- 10.1 Основные характеристики полупроводниковых запоминающих устройств.
- 10.2 Способы организации бис зу.
- 10.3 Классификация полупроводниковых зу.
- 10.3.1. Статические озу (Static Random Access Memory).
- 10.3.2. Озу динамического типа (Dynamic Random Access Memory dram).
- 10.3.4. Кмоп - озу.
- Лекция №11 запоминающие устройства. (продолжение)
- 11.1. Постоянные зу. (Read Only Memory - rom).
- 11.2. Flash-память.
- 11.3. Корпуса модулей зу.
- 11.4. Наращивание объема и разрядности памяти, построенной на полупроводниковых зу.
- Лекция № 12 организация магистралей мпс.
- 12.1 Типы магистралей мпс.
- 12.2 Циклы обращения к магистрали.
- 12.3 Примеры архитектур системных магистралей современных мпс.
- Лекция №13 методы расширения адресного пространства мпс.
- 13.1 Предварительные замечания.
- 13.2 Метод окна.
- 13.3 Метод базовых регистров.
- 13.4 Метод банков.
- 13.5 Метод виртуальной памяти.
- Лекция №14 система прерываний.
- 14.1 Понятие системы прерываний, классификация систем прерываний.
- 14.2. Организация радиальной системы прерываний.
- 14.3. Расширение радиальной системы прерываний методом поллинга.
- 14.4. Организация векторной системы прерываний.
- Лекция №15 организация связи мпс с переферийными устройствами.
- 15.1. Классификация способов обмена информацией в мпс.
- Прямой ввод/ вывод
- 15.3 Условный ввод-вывод.
- 15.4. Режим прямого доступа к памяти.
- Лекция №16 интерфейсы мпс.
- 16.1. Принципы организации и классификация интерфейсов.
- 16.2. Элементная база интерфейсов.
- 16.3. Средства параллельного ввода/вывода.
- Лекция №17 расширитель интерфейса для ibm-совместимых пк. Программируемый интервальный таймер.
- 17.1. Расширитель интерфейса рс на основе ппа кр580вв55.
- 17.2 Программируемый интервальный таймер.
- 17.3. Модуль преобразования цифрового кода в шим-сигнал на базе пит.
- Лекция №18 интерфейсы последовательной связи.
- 18.1. Общая характеристика последовательной связи.
- 18.2. Асинхронные последовательные интерфейсы.
- 18.3. Бис для организации последовательного интерфейса.
- 18.4. Модем.
- 18.5. Стандарты физической связи. Стандарт rs -232- c.