Procesory sygnałowe i układy peryferyjne
systemów CPS
·ð Powstanie i rozwój technologii procesorów DSP
·ð Współczesne dziedziny zastosowaÅ„
·ð Obecny rynek DSP
2W0
POCZ
TKI DSP
Przekształcenie Fouriera Przekształcenie Laplace a
ßð ßð
Dyskretne Przekształcenie Fouriera Przekształcenie Z
(Discrete Fourier Transform  DFT)
ßð ßð
Przekształcenie sygnałów Aparat matematyczny opisu
cyfrowych z dziedziny czasu sygnałów i układów cyfrowych
na dziedzinę częstotliwości
ßð
Algorytm Cooley a i Tukey a
ßð
Szybkie Przekształcenie Fouriera
(Fast Fourier Transform  FFT)
Rozwój algorytmów Rozwój technologii szybkich
cyfrowego przetwarzania układów scalonych wielkiej
sygnałów skali integracji
Pierwsze układy procesorów sygnałowych
1971 Lincoln FDP Lincoln Laboratory
Lincoln LSP/2 Lincoln Laboratory
~ð1973
1980 S2811 American Microsystem
2920 Intel
~ð1980
Nippon Electric Company (NEC)
~ð1980 mðPD7720
1982 TMS32010 Texas Instruments
2W1
Obroty rynku DSP w dolarach US
·ð 1995 rok  ok. 2 miliardy USD
·ð 1997 rok  ok. 4 miliardy USD
·ð 1999 rok  ok. 7 miliardów USD
·ð 2001 rok  ok. 10 miliardów USD
&
·ð 2010 rok  ok. 18 miliardów USD
Tradycyjny podział procesorów DSP
·ð Zmiennoprzecinkowe
·ð wiÄ™ksza precyzja
·ð wiÄ™kszy zakres dynamiki
·ð krótszy czas wdrożenia
·ð StaÅ‚oprzecinkowe
·ð niższy koszt
·ð mniejszy pobór mocy
Tendencje rozwojowe w dziedzinie mðProcesorów
·ð migracja w kierunku DSP
·ð migracja do arytmetyki zmiennoprzecinkowej
·ð wzrost możliwoÅ›ci obliczeniowych
·ð redukcja poboru mocy
2W2
Typowe przykłady zastosowań
·ð urzÄ…dzenia audio, hi-fi
·ð urzÄ…dzenia video
·ð telefonia bezprzewodowa
·ð modemy
·ð wideofony
·ð zabawki
·ð przetwarzanie obrazów
·ð grafika 3D
Kodowanie przebiegów
·ð Kompresja objÄ™toÅ›ci
·ð danych
·ð mowy
·ð obrazów
·ð Kodowanie sygnałów mowy
·ð wykorzystanie charakterystycznych cech mowy
- okresowość
- różnice pomiędzy głoskami dz
więcznymi
i bezdz
więcznymi
·ð Kodowanie obrazów
·ð wykorzystanie transformat sygnaÅ‚u
·ð informacja o różnicy pomiÄ™dzy ramkami obrazu
·ð kombinacje kodowania mowy i obrazu w aplikacjach
video
2W3
Kodowanie mowy (Voice coder  vocoder)
2W4
Kodowanie obrazów
Øð NajwiÄ™cej informacji zawarte jest w skÅ‚adowych
nisko-częstotliwościowych sygnału;
Øð Koder przeksztaÅ‚cajÄ…cy chroni informacjÄ™ zawartÄ… w zakresie
dolnych częstotliwości;
Øð Pomijany sÄ… maÅ‚e współczynniki transformaty, bez znaczÄ…cej
utraty jakości sygnału;
Øð Powszechnie stosuje siÄ™ dyskretne przeksztaÅ‚cenie kosinusowe
(DCT  Discrete Cosine Transform);
Øð Kodowanie daje redukcjÄ™ objÄ™toÅ›ci danych i zmniejsza
wymagania na przepustowość kanału transmisyjnego;
Øð W dziedzinie kodowania obrazów stosuje siÄ™ 3 podstawowe
standardy:
żð H - kompresja sygnałów wideo o ograniczonej jakoÅ›ci;
żð JPEG - kompresja obrazów nieruchomych;
żð MPEG - kompresja obrazów ruchomych peÅ‚nej jakoÅ›ci.
2W5
2W6
2W7
Ocena szybkości DSP
Najpopularniejsze parametry oceny szybkości procesorów:
MIPS - Million Instructions per Second
ilość milionów rozkazów na sekundę wykonywanych
przez procesor, ilość wewnętrznych cykli rozkazowych.
Pytanie: Co realizują poszczególne rozkazy?
MOPS - Million Operations per Second
ilość milionów operacji na sekundę Całkowita liczb
operacji wliczając dostęp do pamięci, operacje przesyłu
danych, operacje wejścia/wyjścia.
MFLOPS - Million Floating Point Operations per Second
ilość milionów operacji zmiennoprzecinkowych
na sekundÄ™.
MMAC - Million Multiply and Accumulate
ilość milionów operacji MAC na sekundę.
Benchmarks - czasy realizacji podstawowych algorytmów DSP.
2W8
Åšwiatowi potentaci rynku DSP
1. Texas Instruments
2. Freescale Semiconductor (Motorola)
3. Agere/LSI
4. Analog Devices
üð Procesory firmy Analog Devices
ADSP-21xx 16-bitowy format stałoprzecinkowy
ADSP-21xxx 32-bitowy format zmiennoprzecinkowy
(SHARC) 32-bitowy format stałoprzecinkowy
TigerSHARC 32-, 40-bitowy format zmiennoprzecinkowy
8-, 16-, 32-bitowy format stałoprzecinkowy
Blackfin 16-bitowy format stałoprzecinkowy
DSP + RISC
üð Procesory firmy Agere
DSP-16xxx 16-bitowy format stałoprzecinkowy
DSP-32xx 32-bitowy format zmiennoprzecinkowy
üð Procesory firmy Freescale:
DSP568xx/568xxE 16-bitowy format stałoprzecinkowy
DSP563xx i 566xx 24-bitowy format stałoprzecinkowy
DSP96xxx 32-bitowy format zmiennoprzecinkowy
MSC81xx 16-bitowy format stałoprzecinkowy (ALU)
32-bitowa jednostka komunikacyjna RISC
2W9
Platformy sprzętowo-programowe firmy Texas Instruments
TMS320C2000  Digital Signal Controllers
·ð PoÅ‚Ä…czenie MCU o dużej mocy i sprawnoÅ›ci obliczeniowej
z możliwościami układów cyfrowego sterowania
·ð Wbudowane aplikacje przemysÅ‚owe, np.:
-ð automatyka przemysÅ‚owa
-ð sterowanie silników cyfrowych (krokowych)
-ð cyfrowe z
ródła zasilania
-ð czujniki inteligentne
TMS320C5000  Power Efficient DSPs
·ð PrzemysÅ‚owy standard niskiego poboru mocy
·ð Zaawansowane, automatyczne zarzÄ…dzanie mocÄ…
·ð UrzÄ…dzenia osobiste i przenoÅ›ne, np.:
-ð cyfrowe odtwarzacze muzyczne
-ð telefonia VoIP/DECT
-ð odbiorniki GPS
-ð przenoÅ›ne urzÄ…dzenia medyczne
-ð czytniki linii papilarnych
2W10
TMS320C6000  High Performance DSPs
·ð TMS320C67x / C672x - Floating Point DSPs
·ð Optymalizacja wydajnoÅ›ci i sprawnoÅ›ci dziaÅ‚ania
·ð PrzemysÅ‚owy standard najbardziej zaawansowanego Optimizera
dla kompilatora C i asemblera
·ð Wysokiej jakoÅ›ci komercyjne i profesjonale aplikacje audio
·ð Zobrazowanie cyfrowe
·ð Grafika 3D
·ð TMS320C64xx, TMS320C62x - Fixed Point DSPs
·ð PoÅ‚Ä…czenie wysokiej jakoÅ›ci i efektywnoÅ›ci cenowej
·ð PrzemysÅ‚owy standard szybkoÅ›ci procesorów staÅ‚oprzecinkowych
·ð Infrastruktury bezprzewodowe i telekomunikacyjne
·ð Przetwarzanie obrazów i systemy zobrazowania
·ð Transkodowanie audio i video
·ð Servery video konferencji
·ð HDTV, HD Radio
·ð Zobrazowanie medyczne
DaVinci  Digital Media Processors
·ð Technologia DaVinci - zintegrowany pakiet procesorów,
oprogramowania i narzędzi dla producentów sprzętu video
·ð Optymalizowane dla aplikacji cyfrowego video
2W11
·ð zmodyfikowana architektura harwardzka
·ð jednostka przetwarzajÄ…ca (core):
- 16-bitowy układ mnożący - 16-bitowy rejestr przesuwny
- 32-bitowa ALU - 32-bitowy akumulator
- zbiór rejestrów pomocniczych
·ð obszar pamiÄ™ci wewnÄ™trznej:
- 32K-słów pamięci programu, typu FLASH
- 256 słów pamięci ROM z bootloaderem
- 2,5K słów pamięci danych RAM
·ð interfejsy:
- synchroniczny interfejs szeregowy (SPI)
- asynchroniczny interfejs szeregowy (SCI)
- magistrala CAN
·ð 10-bitowy, 16-kanaÅ‚owy przetwornik a/c
·ð dwie jednostki zarzÄ…dzania zdarzeniami
·ð do 4 timerów 16-bitowych, 1 Watch-Dog timer, do 16 kanałów PWM
·ð emulator standardu JTAG
·ð do 40 MIPS
2W12
·ð zmodyfikowana architektura harwardzka
·ð od 1 do 4 jednostek przetwarzajÄ…cych
·ð każda jednostka przetwarzajÄ…ca (core) posiada:
- 17-bitowy układ mnożący - 40-bitowy układ sumujący
- 40-bitowÄ… ALU - dwa 40-bitowe akumulatory
- 8 rejestrów pomocniczych; - dwa generatory adresu
- 40-bitowy rejestr przesuwny
·ð 4 magistrale wewnÄ™trzne - 1 magistrala programu, 3 magistrale danych
·ð rozbudowane interfejsy:
- standardowy port szeregowy (SSP)
- buforowany port szeregowy (Buffered Serial Port - BSP)
- wielokanałowy, buforowany port szeregowy (Multichannel BSP)
- multipleksowany port szeregowy z podziałem czasowym
(TDM - Time-Division Multiplexed)
- port równoległy komputera nadrzędnego (HPI - Host Port Interface)
·ð wspomaganie operacji na liczbach zmiennoprzecinkowych
·ð zaawansowane funkcje zarzÄ…dzania energiÄ…
·ð do 160 MIPS (1 core)
2W13
Droga rozwoju platformy C5000
2W14
Zastosowane modyfikacje w generacji C55x:
żð technologia zmiennej dÅ‚ugość sÅ‚owa instrukcji
(Variable Instruction Length Architecture)
umożliwia operowanie na instrukcjach 8-, 16-, 32-, 48-bitowych
żð podwójny ukÅ‚ad mnożący
żð podwójna jednostka arytmetyczno-logiczna ALU
żð 4 akumulatory
żð możliwość wykonania 2 instrukcji w jednym cyklu maszynowym
żð 3 magistrale odczytu danych
żð 2 magistrale zapisu danych
żð zaawansowane technologie redukcji poboru mocy
Zestawienie porównawcze generacji C54x i C55x
2W15
Platforma C6000 opiera się na 3 typach układów:
żð TMS320C62x staÅ‚oprzecinkowe procesory o architekturze 16/32-bitowej
(32-bitowe słowo instrukcji, 16-bitowe mnożenie);
żð TMS320C64x staÅ‚oprzecinkowe procesory stanowiÄ…ce rozwiniÄ™cie
układu C62x;
żð TMS320C67x 32-bitowe procesory zmiennoprzecinkowe.
Charakterystyka procesorów platformy C6000:
żð zaawansowana technologia bardzo dÅ‚ugiego sÅ‚owa instrukcji
advanced Very Large Instruction Word - VelociTI.1, VelociTI.2;
żð architektura typu Å‚aduj/zapisz (load/store) - wszystkie operacje
wykonywane na rejestrach;
żð zaawansowane kontrolery zarzÄ…dzania danymi i wykonaniem programu;
Zestawienie porównawcze generacji C62x i C64x
2W16