Однокристальные микро-ЭВМ Новосибирский Государственный Технический Университет Факультет Радиотехники и Электроники И. А. Баховцев

I. Цифровые сигнальные процессоры. Общее представление..

1. История создания ЦСП гг. ХХ века – замена аналоговой элементной базы на цифровую (надежность, стабильность). 2. Цифровые системы работают с двоичными кодами, а не с аналоговыми сигналами. Операции по обработке сигналов принимают другой вид. 3. Булева алгебра: позволяла синтезировать и оптимизировать цифровые системы. 4. Ее недостаточно для следующих процедур обработки сигналов: - фильтрация; - гармонический анализ; - компрессия/декомпрессия сигнала. 5. Для них была разработана специальная математика – ЦОС (цифровая обработка сигналов). ЦОС – совокупность специфических методов и алгоритмов обработки цифровых сигналов.

5. Современные области применения ЦОС: - радио-, гидро- и эхолокация (обнаружение и сопровождение целей на фоне естественных и искусственных помех); - теле/радиовещание и связь; - обработка изображений (медицинская и техническая диагностика, распознавание образов); - аудиоприложения (синтез и анализ музыкальных сигналов, синтез и распознавание речи); - управление. 6. Для всех этих приложений необходимы: надежность, стабильность и работа в реальном масштабе времени. Реальный масштаб времени (Real Time Scale)/режим реального времени (Real Time Mode) – это такой режим работы цифрового устройства, при котором регистрация и арифметическая обработка сигналов производится без потерь информации, поступающей от источника. ВЫСОКОЕ БЫСТРОДЕЙСТВИЕ!!!

7. В 70-Х годах – МП!!! Практика показала: для ЦОС - не хватает точности и быстродействия. ???? 8. Два момента: 1) Особенность МП как средства измерения. МП – последовательностное устройство, он принципиально проигрывает аналоговым и цифровым системам в быстродействии. Пример: y=a*x 1 +b*x 2 2) Особенности ЦОС Типовая операция ЦОС – МАС (Multiple/Accumulate) – умножение с накоплением: - умножение – самая времяемкая команда МП, - N большое значение (Пример: для ДПФ N=1024.) 9. Выводы: - ЦОС требует много трудоемких математических операций, которые нужно выполнять в режиме РВ. Это – минус! - Но! Все операции и алгоритмы однотипны. Это – плюс! - Область применения широчайшая (и важнейшая). Это – второй плюс! 10. Фирмы-изготовители МП-БИС: стали разрабатывать специализированные математические МП – – цифровые сигнальные процессоры (ЦСП = DSP – Digital Signal Processor). 11. Определение: ЦСП – это специализированный однокристальный компьютер, архитектура и система команд которого оптимизированы для выполнения ЦОС в режиме РВ.

2. Особенности ЦСП 1. Гарвардская архитектура

2. Конвейерное выполнение всех команд. ЭтапыТ1Т2Т3Т4Т5Т6 Выборка КОП К1К2К3К4К5К6 Считывание операнда К1К2К3К4К5 Выполнение команды К1К2К3К4 Запись результата К1К2К3 Конвейер – одновременное выполнение разных этапов нескольких команд.

3. Фиксированное время выполнения всех команд. 4. Наличие нескольких исполнительных блоков (АЛУ адреса). 5. Специализация системы команд и методов адресации под ЦОС. Примеры: - МАС – Multiple/Accumulate - умножение с накоплением; - Block repeat – операция блочного повторения; - Бит-реверсная адресация. 6. Реализация ряда сложных операций табличным способом (sin, cos, arctg, log…) Данные особенности позволяют ЦСП с большой скоростью выполнять операции как с фиксированной, так и с плавающей точкой.

3. Возможности МПСУ на основе ЦСП Повышение точности и быстродействия. Дополнительное ускорение реализации традиционных алгоритмов регулирования (регуляторов). Пояснение: регулятор – это фильтр, включенный в контур регулирования. Возможность реализации перспективных алгоритмов управления из современной теории управления (фильтры Кальмана, адаптивное управление, оптимальное управление, управление с наблюдателем состояния). Возможность реализации алгоритмов из области искусственного интеллекта (нейронные сети, нечеткая логика). В связи с этим МПСУ на основе ЦСП стали использоваться в управлении устройствами СЭ.

4. Недостатки ЦСП с точки зрения управления (по сравнению с МК) 1. Высокая стоимость БИС-ЦСП. 2. Высокая сложность и стоимость инструментальных средств отладки. 3. Отсутствие на кристалле ПУ, необходимых для управления: программируемых таймеров, многоканальных АЦП, ШИМ- модулей, мощной системы прерываний и т.д. 4. Узкая направленность системы команд и методов адресации. 5. Для эффективного использования ЦСП необходимо знать теорию ЦОС. Реакция фирм-изготовителей на широкий спрос в ЭП и в устройствах СЭ: разработка ЦСП, предназначенного специально для целей управления – цифрового сигнального контроллера (ЦСК = DSC – Digital Signal Controller)

5. Фирмы-производители ЦСК Texas Instruments: TMS320C24x/C28xx; Analog Devices: ADMC300/330; Frescale/Motorola: DSP56F80x. Характеристики ЦСК одного класса различных фирм примерно одинаковы. Разработки каф. ЭЭ с использованием ЦСК: Блок управления ЭМУР - DSP56F801; Стартер-генераторное устройство - DSP56F801; Электропривод запорной арматуры - DSP56F803; Система генерирования электроэнергии для авиации – TMS320F2812.

Продолжение следует