Лічбавая апрацоўка сігналаў
У якасці тэматычнага даследавання давайце разгледзім найбольш распаўсюджаную функцыю ў лічбавай вобласці: фільтраванне. Прасцей кажучы, фільтрацыя - гэта апрацоўка сігналу для паляпшэння яго характарыстык. Напрыклад, фільтрацыя можа выдаліць шум альбо электрастатычныя перашкоды ад сігналу, паляпшаючы тым самым яго суадносіны сігнал / шум. Навошта выкарыстоўваць мікрапрацэсар замест аналагавай прылады для фільтрацыі сігналу? Давайце паглядзім на яго перавагі: прадукцыйнасць аналагавых фільтраў (ці ў больш агульным сэнсе аналагавых схем) залежыць ад такіх фактараў навакольнага асяроддзя, як тэмпература. На лічбавы фільтр навакольнае асяроддзе практычна не ўплывае.
Лічбавую фільтрацыю лёгка прайграць з вельмі малым адхіленнем, паколькі яе прадукцыйнасць не залежыць ад камбінацыі прылад, прадукцыйнасць якіх адхіляецца ад нармальнай велічыні. Пасля вырабу аналагавага фільтра яго характарыстыкі (напрыклад, дыяпазон частот прапускання) змяніць няпроста. Выкарыстоўваючы мікрапрацэсар для рэалізацыі лічбавага фільтра, вы можаце змяніць характарыстыкі фільтра, перапраграмаваўшы яго.
Параўнанне працэсараў DSP і працэсараў агульнага прызначэння
Разгледзім прыклад лічбавай апрацоўкі сігналу, напрыклад, фільтр канечнай імпульснай рэакцыі (FIR). На матэматычнай мове фільтр FIR - гэта серыя кропкавых прадуктаў. Вазьміце ўваходны і парадкавы вектары, памножце каэфіцыент і слізгальнае акно ўваходнай выбаркі, а потым складзіце ўсе прадукты, каб сфармаваць выхадны ўзор. Падобныя аперацыі паўтараюцца ў вялікай колькасці ў працэсе лічбавай апрацоўкі сігналаў, так што прызначаныя для гэтага прылады павінны забяспечваць спецыяльную падтрымку, што спрыяла шунтаванню прылад DSP і агульных працэсараў (GPP):
1 Падтрымка інтэнсіўных аперацый множання
GPP не прызначаны для інтэнсіўнага множання. Нават некаторыя сучасныя GPP патрабуюць некалькіх цыклаў інструкцый, каб зрабіць множанне. Працэсар DSP выкарыстоўвае спецыялізаванае абсталяванне для рэалізацыі аднацыклавога множання. Працэсар DSP таксама дадае рэгістр акумулятара для апрацоўкі сумы некалькіх прадуктаў. Рэгістр назапашвальніка звычайна шырэйшы за іншыя рэгістры, і дадатковыя біты, якія называюцца выніковымі бітамі, дадаюцца, каб пазбегнуць перапаўнення. У той жа час, каб у поўнай меры адлюстраваць перавагі спецыялізаванага множнага назапашвання абсталявання, амаль усе наборы інструкцый DSP ўключаюць відавочныя інструкцыі MAC.
2 структура памяці
Традыцыйна GPP выкарыстоўвае структуру памяці фон Неймана. У гэтай структуры толькі адна прастора памяці падлучана да ядра працэсара праз набор шын (адрасная шына і шына дадзеных). Звычайна за адно множанне адбываецца 4 доступу да памяці, якое займае як мінімум чатыры цыклы інструкцый. У большасці DSP выкарыстоўваецца Гарвардская структура, якая дзеліць прастору памяці на дзве, каб захоўваць праграмы і дадзеныя адпаведна. Яны маюць два наборы шын, падлучаных да ядра працэсара, што дазваляе адначасова атрымліваць да іх доступ. Гэта ўладкаванне павялічвае прапускную здольнасць памяці працэсара ўдвая, і, што больш важна, адначасова забяспечвае дадзеныя і інструкцыі для ядра працэсара. Згодна з гэтым макетам, DSP можа рэалізаваць MAC з адным цыклам
інструкцыя. Існуе яшчэ адна праблема, гэта значыць, што тыповы высокапрадукцыйны GPP на самай справе ўтрымлівае два ўбудаваныя кэшы, адзін для дадзеных і адзін для інструкцый, якія непасрэдна падлучаны да ядра працэсара для паскарэння хуткасці доступу падчас выканання. Фізічна кажучы, структура гэтай убудаванай двайной памяці і шыны амаль такая ж, як у Гарварда. Аднак, лагічна кажучы, паміж імі ўсё яшчэ існуюць важныя адрозненні.
GPP выкарыстоўвае логіку кіравання, каб вызначыць, якія дадзеныя і словы інструкцый захоўваюцца ў кэшы ўбудаванай мікрасхемы, чаго праграміст не ўказвае (альбо можа нават не ведаць). У адрозненне ад гэтага, DSP выкарыстоўвае некалькі ўбудаваных памяці і некалькі набораў шын, каб забяспечыць шматкратны доступ да памяці ў кожным цыкле інструкцый. Пры выкарыстанні DSP праграміст павінен дакладна кантраляваць, якія дадзеныя і інструкцыі захоўваюцца
У чыпавай памяці. Калі праграміст піша праграму, ён павінен пераканацца, што працэсар можа эфектыўна выкарыстоўваць сваю падвойную шыну. Акрамя таго, працэсары DSP амаль не маюць кэшаў дадзеных. Гэта таму, што тыповыя дадзеныя DSP - гэта паток дадзеных. Іншымі словамі, пасля таго, як працэсар DSP вылічае кожны ўзор дадзеных, ён адкідваецца і амаль ніколі не выкарыстоўваецца паўторна.
3 Нулявая накладная пятля
Калі вы разумееце агульную асаблівасць алгарытмаў DSP, гэта значыць большую частку часу апрацоўкі марнуецца на выкананне меншых завес, лёгка зразумець, чаму большасць DSP маюць спецыялізаванае абсталяванне для завес з нулявымі выдаткамі. Так званы цыкл з нулявымі накладнымі выдаткамі азначае, што калі працэсар выконвае цыкл, яму не трэба марнаваць час на праверку значэння лічыльніка цыкла, умова пераносіцца ў верхнюю частку цыкла, а
Паменшыце лічыльнік цыкла на 1. Наадварот, цыкл GPP рэалізаваны з выкарыстаннем праграмнага забеспячэння. Некаторыя высокапрадукцыйныя GPP выкарыстоўваюць абсталяванне для прагназавання пераходаў, якое амаль дасягае таго ж эфекту, што і цыкл з нулявымі накладнымі выдаткамі, які падтрымліваецца абсталяваннем.
4 Разлік з фіксаванай кропкай
Большасць DSP выкарыстоўваюць разлікі з фіксаванай кропкай замест плаваючай кропкі. Хоць ужыванне DSP павінна надаваць вялікую ўвагу дакладнасці лічбаў, зрабіць гэта з плаваючай кропкай павінна быць нашмат прасцей, але для DSP вельмі важны і нізкі кошт. Машыны з фіксаванай кропкай танней (і хутчэй), чым адпаведныя машыны з плаваючай кропкай. Каб не выкарыстоўваць машыну з плаваючай кропкай і забяспечыць дакладнасць лічбаў, працэсар DSP падтрымлівае разлік насычэння, акругленне і зрух як у наборы інструкцый, так і ў апаратным забеспячэнні.
5 Спецыяльны рэжым звароту
Працэсары DSP часта падтрымліваюць спецыялізаваныя рэжымы адрасавання, якія вельмі карысныя для звычайных аперацый і алгарытмаў апрацоўкі сігналаў. Напрыклад, модульная (цыклічная) адрасацыя (карысная для рэалізацыі ліній затрымкі лічбавага фільтра), зваротна-разрадная адрасацыя (карысная для БПФ). Гэтыя вельмі спецыялізаваныя рэжымы звароту не часта выкарыстоўваюцца ў GPP і могуць быць рэалізаваны толькі пры дапамозе праграмнага забеспячэння.
6 Прагноз часу выканання
Большасць прыкладанняў DSP (такіх як сотавыя тэлефоны і мадэмы) з'яўляюцца праграмамі ў рэжыме рэальнага часу, і ўся апрацоўка павінна быць завершана ў вызначаны тэрмін. Гэта патрабуе ад праграміста, каб дакладна вызначыць, колькі часу апрацоўкі патрабуецца для кожнага ўзору, альбо, па меншай меры, колькі часу патрабуецца ў горшым выпадку. Калі вы плануеце выкарыстоўваць недарагі GPP для выканання задачы апрацоўкі сігналаў у рэжыме рэальнага часу, прагназаванне часу выканання, верагодна, не будзе праблемай. Павінна быць, што недарагі GPP мае адносна прамую структуру і прасцей прадказаць час выканання. Аднак вылічальная магутнасць, неабходная большасці прыкладанняў DSP у рэжыме рэальнага часу, не можа забяспечвацца недарагімі GPP. У гэты час перавага DSP перад высокапрадукцыйным GPP у тым, што нават калі выкарыстоўваецца кэшаваны DSP, праграміст (а не працэсар) вырашае, якія інструкцыі будуць унесены, таму лёгка вызначыць, ці з'яўляецца інструкцыя з кэш альбо Чытанне з памяці. DSP звычайна не выкарыстоўвае дынамічныя функцыі, такія як прагназаванне галіны і выкананне высноў. Такім чынам, прагназаваць неабходны час выканання па зададзеным фрагменце кода цалкам проста. Гэта дазваляе праграмісту вызначыць межы прадукцыйнасці чыпа.
7 Набор інструкцый DSP з фіксаванай кропкай
Набор інструкцый DSP з фіксаванай кропкай распрацаваны ў адпаведнасці з двума мэтамі:
Дазволіць працэсару выконваць некалькі аперацый у кожным цыкле інструкцый, паляпшаючы тым самым вылічальную эфектыўнасць кожнага цыкла інструкцый. Мінімізуйце прастору памяці для захоўвання праграм DSP (паколькі памяць моцна ўплывае на кошт усёй сістэмы, гэтая праблема асабліва важная ў DSP-праграмах, якія адчувальныя да выдаткаў). Для дасягнення гэтых мэт набор інструкцый працэсара DSP звычайна дазваляе праграмісту задаць некалькі паралельных аперацый у межах адной інструкцыі. Напрыклад, у інструкцыю ўключана аперацыя MAC, гэта значыць адначасова або два перамяшчэння дадзеных. У тыповым прыкладзе адна інструкцыя ўтрымлівае ўсе аперацыі, неабходныя ў раздзеле для разліку фільтра FIR. Гэты від эфектыўнай аплаты
Кошт у тым, што яго набор інструкцый не з'яўляецца ні інтуітыўна зразумелым, ні простым у выкарыстанні (у параўнанні з наборам інструкцый GPP).
Праграмам GPP звычайна ўсё роўна, простым у выкарыстанні набор інструкцый працэсара, бо яны звычайна выкарыстоўваюць мовы высокага ўзроўню, такія як C або C ++. Для праграмістаў DSP, на жаль, асноўныя прыкладанні DSP напісаны на мове зборкі (прынамсі, часткова аптымізавана на мове зборкі). Для гэтага ёсць дзве прычыны: Па-першае, большасць шырока выкарыстоўваюцца моў высокага ўзроўню, такіх як
Як і C, ён не падыходзіць для апісання тыповых алгарытмаў DSP. Па-другое, складанасць структуры DSP, напрыклад, некалькі прастор памяці, некалькі шын, нерэгулярныя наборы інструкцый і вузкаспецыялізаванае абсталяванне, абцяжарвае напісанне эфектыўных кампілятараў для яго. Нават калі зыходны код C скампіляваны ў зборку DSP з дапамогай кампілятара, задача аптымізацыі па-ранейшаму вельмі цяжкая. Тыповыя прыкладання DSP маюць шмат вылічальных патрабаванняў і строгія накладныя абмежаванні, што робіць аптымізацыю праграмы неабходнай (па меншай меры, для самай крытычнай часткі праграмы). Такім чынам, ключавым фактарам пры разглядзе выбару DSP з'яўляецца тое, ці дастаткова праграмістаў, якія могуць лепш адаптавацца да набору інструкцый працэсара DSP.
8 Патрабаванні да інструментаў распрацоўкі
Паколькі прыкладання DSP патрабуюць высокааптымізаванага кода, большасць пастаўшчыкоў DSP прадастаўляюць некаторыя сродкі распрацоўкі, якія дапамагаюць праграмістам завяршыць працу па аптымізацыі. Напрыклад, большасць вытворцаў прадастаўляюць інструменты мадэлявання працэсара для дакладнага мадэлявання актыўнасці працэсара ў кожным цыкле інструкцый. Ці для забеспячэння працы ў рэжыме рэальнага часу, ці для аптымізацыі кода, гэта вельмі карысныя інструменты. Пастаўшчыкі GPP звычайна не прадастаўляюць такія інструменты, галоўным чынам таму, што праграмісты GPP звычайна не маюць патрэбы ў падрабязнай інфармацыі на гэтым узроўні. Адсутнасць інструментаў мадэлявання, дакладных для цыкла інструкцый GPP, з'яўляецца вялікай праблемай, з якой сутыкаюцца распрацоўшчыкі прыкладанняў DSP: амаль немагчыма прадказаць колькасць цыклаў, неабходных высокапрадукцыйным GPP для дадзенай задачы, таму немагчыма растлумачыць, як для паляпшэння прадукцыйнасці кода.
Наш іншы прадукт:
