Трехшинная Гарвардская архитектура

Особенности DSP

Цифровая обработка сигналов DSP (digital signal processor)

DSP представляют собой специализированные процессоры для приложений, требующих интенсивных вычислений. Если ближе рассмотреть, к примеру, процесс операции умножения двух чисел с сохранением результата в традиционных микропроцессо¬рах, то можно увидеть как расходуется машинное время: сначала про¬исходит выборка команды (адрес команды выставляется на шину адре¬са), затем первого операнда (адрес операнда выставляется на шину адреса), затем операнд переносится в аккумулятор, далее происходит выборка второго операнда и т.д. Ускорение этого процесса в процес¬соре общего назначения невозможна из-за наличия единственной шины адреса и единственной шины данных, а также единственного банка данных. Ввиду этого все операции по извлечению операндов из памя¬ти, выборки команды и сохранения операнда производится последова¬тельно с использованием одной и той же шины данных и шины адреса. Кроме того, если рассмотреть операцию циклического суммирования арифметического ряда, то можно видеть что здесь непроизводительные затраты времени связаны с запоминанием адреса первой команды цик¬ла, с проверкой условия цикла (счетчика) и возвратом к первой ко-манде. Также большие непроизводительные затраты существуют при операциях перехода к подпрограмме и возврата (запись и восстанов¬ление значений регистров из стека) и при многих других операциях. Если при этом учесть огромное количество математических операций при выполнении цифровой обработки сигналов, то станет ясно, что неизбежны весьма чувствительные потери в точности вычисления при округлениях, которые не могут не сказаться на общем результате. Это происходит по причине одинаковой разрядности всех регистров процессоров общего назначения. При цифровой обработке сигналов все эти затраты недопустимы. С целью преодоления этого недостатка про¬цессоров общего назначения и были разработаны процессоры цифровых сигналов (DSP - Digital Signal Processor).

Ее особенность состоит прежде всего в том, что в отличии от привычных нам двух шин: шины адреса и шины данных, а также одного банка памяти, DSP имеет как минимум 6-7 различных шин и 2-3 банка памяти. Эта особенность име¬ет своей целью максимально ускорить выполнение операции умножения с сохранением результата, которая, несомненно, является наиболее употребляемой и ресурсоемкой при цифровой обработке сигналов. Ар¬хитектура DSP позволяет за один машинный цикл произвести: 1. выборку команды посредством шины адреса программ и шины данных программ; 2. выборку двух операндов для операции умножения посредством двух шин адреса данных; 3. занесение операндов в аккумуляторы посредством двух шин данных; 4. операцию умножения; 5. сохранить результат в аккумуляторе. Таким образом, трехшинная Гарвардская архитектура позволяет выполнить практически любую операцию за один машинный цикл. B качестве примера эффективности использования DSP при реали¬зации алгоритмов цифровой обработки сигналов можно привести следу¬ющий факт: время выполнения комплексного 1024-точечного преобразо¬вания Фурье составляет 20 мс для 486DX2 66 МГц (32-разрядный) и 3.23 mc для 24-разрядного 33 МГц DSP56001 фирмы Motorola или 3.1 мс для 32- разрядного 33 МГц DSP TMS320C30 с плавающей арифметикой фирмы Texas Instruments. Однако, как уже упоминалось, процессоры цифровой обработки сигнала имеют отличием не только высокую производительность, изме¬ряемую в быстроте выполнения операций умножения/аккумуляции (MIPS - миллионы команд в секунду), но и такие характеристики, как после¬довательность выполнения программ, арифметических операций и адре¬сации памяти, позволяющие сократить до минимума непроизводительные затраты времени. В целом DSP отличается от других типов микропро¬цессоров и микроконтроллеров по следующим пяти основным признакам: 1. Быстрая арифметика. DSP - процессор должен осуществлять выполнение за один цикл операций умножения, умножения с аккумуляцией, цикли¬ческий сдвиг, а также стандартные арифметические и логи¬ческие операции. 2. Расширенный динамический объем для операции умножения/ак¬кумуляции. Операция вычисления суммы некой последовательности значе¬ний является фундаментальной для алгоритмов, реализуемых на DSP. Защита от переполнения необходима для избежания потери данных. 3. Выборка двух операндов за один цикл. Очевидно, что для большинства операций, выполняемых DSP, необходимы два операнда. Таким образом, для достижения максимального быстродействия процессор должен быть спосо¬бен производить одновременную выборку двух операндов, что требует также наличия гибкой системы адресации. 4. Наличие аппаратно реализованных циклических буферов(встро¬енных и внешних). Широкий класс алгоритмов, реализуемых на DSP требует ис¬пользования циклических буферов. Аппаратная поддержка цик¬лического возврата указателя адреса или модульная адреса¬ция уменьшает непроизводительные затраты процессорного времени и упрощает реализацию алгоритмов. 5. Организация циклов и ветвлений без потери в производитель¬ности. Алгоритмы DSP включают очень много повторяющихся операций, которые могут быть реализованы в виде циклов. Возможность организации последовательности выполнения программы кодов в цикле без потери производительности отличают DSP от дру¬гих процессоров. Аналогично, потеря времени при выполнении операции ветвления по условию также недопустима при цифро¬вой обработке сигналов. Не следует, однако, думать, что DSP могут полностью заменить процессоры общего назначения. Как правило, процессоры цифровых сигналов имеют упрощенную систему команд, не позволяющие выполнить операции, не связанные с математическими вычислениями с такой же эффективностью, как и процессоры общего назначения. Попытка же со¬четания в одном процессоре мощность при математических вычислениях и гибкость при операциях другого рода приводит к неоправданному повышению себестоимости. Поэтому DSP используют чаще в виде сопро¬цессоров (математических, графических, акселераторов и т.д.) при главном процессоре либо в качестве самостоятельного процессора, если этого достаточно.

1.

Дата добавления: 2014-01-07