Procesoare Numerice de Semnal - CURS 1 PROCESOARE NUMERICE DE SEMNAL DIGITAL SIGNAL PROCESSORS
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 2 1. Introducere în domeniul procesoarelor numerice de semnal 2. Sisteme pentru procesarea numerică a semnalelor 3. Familia TMS320 CUPRINS 4. Structura hardware a generaţiei TMS320C2x 5. Proiectarea hardware cu procesoare TMS320C2x 6. Limbajul de asamblare al generaţiei C2x
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 3 Capitolul 1 Introducere în domeniul procesoarelor numerice de semnal 1.1 Definire. Caracteristici 1.2 Producători de DSP-uri 1.3 Aplicaţii ale DSP-urilor
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 4 Capitolul 2 Sisteme pentru procesarea numerică a semnalelor 2.1 Introducere în procesarea digitală a semnalelor 2.2 Sisteme DSP 2.3 Familia TMS320 2.4 Arhitectura generală a procesoarelor DSP 2.5 Dezvoltări software 2.6 Cerinţe hardware 2.7 Consideraţii asupra sistemului
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 5 Capitolul 3 Familia TMS320 3.1 Prezentare generală 3.2 Generaţia TMS320C1x 3.3 Generaţia TMS320C2x(x) 3.4 Generaţia TMS320C3x 3.5 Generaţia TMS320C4x 3.6 Generaţia TMS320C5x 3.7 Generaţia TMS320C54x 3.8 Generaţia TMS320C6x 3.9 Generaţia TMS320C8x 3.10 Generaţia TMS320AVxxx
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 6 Capitolul 4 Structura hardware a generaţiei TMS320C2x 4.1 Descrierea semnalelor 4.2 Privire generală asupra arhitecturii 4.3 Structura internă 4.4 Organizarea memoriei 4.5 Unitatea centrală aritmetică şi logică 4.6 Controlul sistemului 4.7 Memoria externă şi interfaţa I/O 4.8 Întreruperile 4.9 Portul serial 4.10 Multiprocesare şi accesul direct la memorie
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 7 Capitolul 5 Proiectarea hardware cu procesoare TMS320C2x 5.1 Circuitele de control ale sistemului 5.2 Interfaţarea memoriilor 5.3 Accesul direct la memorie (DMA) 5.4 Memoria globală 5.5 Interfaţarea perifericelor 5.6 Aplicaţii de sistem
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 8 Capitolul 6 Limbajul de asamblare al generaţiei C2x 6.1 Moduri de adresare a memoriei 6.2 Setul de instrucţiuni 6.2.1 Instrucţiuni pentru acumulator 6.2.2 Instrucţiuni pentru registrele auxiliare 6.2.3 Instrucţiuni pentru pointerul paginii memoriei de date 6.2.4 Instrucţiuni pentru registrele T şi P şi pentru înmulţire 6.2.5 Instrucţiuni de salt 6.2.6 Instrucţiuni pentru lucrul cu subrutine 6.2.7 Instrucţiuni pentru operaţii de intrare / ieşire 6.2.8 Instrucţiuni pentru deplasări în memorie 6.2.9 Instrucţiuni pentru control
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 9 1.1 Definire. Caracteristici Procesoarele numerice de semnal, numite în n literatura de specialitate DSP-uri (DSP - Digital Signal Processors), sunt sisteme de calcul programabile de tip "single-chip", destinate prelucrării complexe a semnalelor digitale. Deşi se numesc procesoare, ele înglobează într-un singur circuit integrat principalele subsisteme componente ale unui sistem de calcul (unitate centrală, subsistem de memorie, subsistem de intrare / ieşire ire,, etc.), realizând funcţii complexe de transfer şi de prelucrare a datelor.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 10 1.1 Definire. Caracteristici Pentru efectuarea unor prelucrări în n timp real asupra datelor, procesoarele de semnal lucrează la frecvenţe e mari şi i dispun de un set complex de instrucţiuni iuni, putând astfel executa zeci de milioane de operaţii în n virgulă mobilă pe secundă (MFLOPS - Million Floating-Point Operations per Second). Totodată, structura internă paralelă permite efectuarea mai multor operaţii simultan, ceea ce creşte considerabil puterea de calcul a DSP-ului ului.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 11 1.1 Definire. Caracteristici
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 12 1.1 Definire. Caracteristici
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 13 1.1 Definire. Caracteristici
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 14 1.1 Definire. Caracteristici
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 15 1.1 Definire. Caracteristici MAC = Multiply-Add Computation Pipelining A = BC + D
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 16 1.2 Producători de DSP-uri Texas Instruments (57%) Motorola (13%) AT&T (13%) NEC (8%) Analog Devices (6%) Alte firme (3%)
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 17 1.2 Producători de DSP-uri Texas Instruments (TI) Mai mult de 100 de tipuri de DSP-uri, utilizate în domenii diverse, cum ar fi: comunicaţii, calculatoare, produse de larg consum, conducerea proceselor industriale, instrumentaţie, aplicaţii militare, etc. Cea mai largă linie de procesoare DSP de uz general într-un singur cip Cea mai extinsă reţea de distribuitori si de utilizatori experimentaţi. Suport eficient şi complex creat şi oferit pentru fiecare procesor DSP, care cuprinde: sisteme de dezvoltare hardware şi software de înaltă calitate; asistenţă tehnică permanentă (telefonic, sau direct la utilizator); buletine de informaţii, ghiduri de utilizare, cărţi; mii de pagini de note de aplicaţii; şi un volum impresionant de cod sursă oferit gratuit. Produse şi servicii oferite în domeniul prelucrărilor numerice de semnal cu procesoare TI de către peste 200 de alte firme (third-party).
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 18 1.2 Producători de DSP-uri Texas Instruments (TI) Familia de procesoare DSP se caracterizează şi i printr-un grad ridicat în n ceea ce priveşte paralelismul operaţiilor aritmetice şi al celor de transfer. Procesoarele dispun de magistrale multiple care permit calculul paralel, încât pot exista situaţii ii în care structurile de calcul realizează 11 operaţii în n acelaşi timp.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 19 1.3 Aplicaţii ii ale DSP-urilor Tehnicile DSP tind să înlocuiască metodele clasice de procesare analogică a semnalelor în n multe domenii. Procesarea numerică a semnalelor a devenit o tehnică standard în n multe domenii, printre care: telecomunicaţiile iile, analiza şi i prelucrarea semnalelor biomedicale, controlul numeric, procesarea vorbirii şi a semnalelor audio / video, instrumentaţia ia numerică, tehnicile radar, sonar, etc.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 20 1.3 Aplicaţii ii ale DSP-urilor Se poate observa că domeniul procesării numerice a semnalelor este unul interdisciplinar, bazându-se pe noile descoperiri din diverse alte domenii. Aşa cum se poate vedea în figura, graniţele dintre domeniul DSP şi al altor discipline tehnice nu sunt bine delimitate, existând multe puncte comune.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 21 2. Sisteme pentru procesarea numerică a semnalelor Procesarea numerică a semnalelor a devenit atractivă încă din anii 1960, odată cu introducerea tehnicilor digitale.. Ulterior a devenit o alternativă în procesarea semnalelor pe măsură ce structurile digitale hardware au evoluat, au devenit mai rapide, mai uşoru de utilizat, mai ieftine şi tot mai răspândite pe piaţă. Dacă iniţial ial DSP-ul a apărut ca o cerinţă a pieţii ii, acum, performanţele ele DSP- urilor oferite au făcut ca domeniile de aplicare practic să explodeze. Preţul în scădere, suportul hard şi soft oferit tot mai complex şi i puterea de procesare tot mai mare au făcut ca utilizarea DSP-urilor în tot mai multe aplicaţii ii să devină un fapt obişnuit nuit: modemuri de mare viteză, telefoane fără fir sau celulare, playere audio sau video, camere digitale - sunt produse a căror funcţionare se bazează aproape exclusiv pe prelucrarea numerică a semnalelor.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 22 2.1 Introducere în n procesarea digitală a semnalelor Un semnal este definit ca o cantitate fizică dependentă de timp,, de poziţie ie, presiune,, etc. (de exemplu, tensiunea de ieşire ire furnizată de către un microfon este strâns legată de presiunea acustică a sunetului ca funcţie de timp). În n aplicaţiile iile practice, multe dintre semnalele întâlnite sunt analogice, deci prezente la fiecare moment de timp şi i având amplitudini diferite. Pentru a prelucra astfel de semnale continui în n timp folosind DSP-uri uri, este necesar ca acestea să fie eşantionate şi i cuantizate pentru a produce o secvenţă ă numerică. Această secvenţă ă discretă în n timp,, cu o amplitudine de valoare tot discretă, reprezentată pe un număr finit de biţi, poartă numele de semnal digital.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 23 2.1 Introducere în n procesarea digitală a semnalelor Sistemele de procesare numerică a semnalelor utilizează un DSP şi o structură hardware digitală, precum şi i două convertoare, unul analog-numeric numeric (ADC - Analog-to to-digital Converter) şi i unul numeri-analogic (DAC - Digital-to to-analog Converter) pentru a înlocui dispozitivele analogice standard, precum: amplificatoare, modulatoare şi i filtre. Semnalul analogic ce trebuie procesat este mai întâi eşantionat e şi i codificat într-un semnal digital în formă binară prin blocul ADC. Procesorul DSP realizează operaţii matematice bazate pe un anumit algoritm de prelucrare numerică a semnalelor, implementat în software. Semnalul digital obţinut la ieşire ire poate fi convertit înapoi în formă analogică prin blocul DAC. De asemenea, un procesor DSP poate prelucra şi i semnale digitale primite la intrare de la alte structuri numerice şi i poate furniza în exterior comenzi digitale către alte sisteme. În n unele aplicaţii ii, un sistem DSP poate crea intern semnale digitale.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 24 2.1 Introducere în n procesarea digitală a semnalelor Algoritmii de tip DSP pot fi implementaţi i pe mare varietate de structuri digitale: sisteme logice programabile sau neprogramabile microprocesoare şi i microcontrolere de uz general procesoare numerice de semnal de uz general
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 25 2.1 Introducere în n procesarea digitală a semnalelor Sisteme logice programabile sau neprogramabile Se pot implementa algoritmi de codare şi i decodare video, pe un singur cip VLSI (Very Large Scale Integration - cu Integrare pe Scară Foarte Largă). Totuşi, soluţiile hardware sunt orientate către rezolvarea unor aplicaţii ii specifice. Astfel de soluţii sunt mai rapide şi de mai mici dimensiuni decât soluţiile programabile, însâ necesită un timp mult mai mare pentru proiectare, un cost ridicat pentru dezvoltare şi i sunt dificil de modificat sau upgradat (actualizat). Procesorul programabil poate fi programat pentru o multitudine de task-uri (sarcini). Se utilizează pentru sisteme complexe şi care sunt prea dificil de realizat pe seama circuitelor neprogramabile, pentru produse care ncesită un timp de dezvoltare foarte scurt şi i un cost de punere la punct scăzut, sisteme care trebuie upgradate periodic, pe baza unor noi algoritmi şi i standarde. Pentru o sarcină specifică, procesorul este mai lent decât cip-ul VLSI care ar realiza acelaşi task.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 26 2.1 Introducere în n procesarea digitală a semnalelor Microprocesoare şi i microcontrolere de uz general Microprocesoarele şi i microcontrolerele de uz general sunt astfel concepute încât să poată realiza procesări în n forme extrem de generale, folosind o arhitectură von Neumann,, la care există un spaţiu unitar de memorie, atât pentru instrucţiuni iuni, cât şi i pentru date. Prin contrast, o arhitectură Harvard separă spaţiul de memorie în n memoria program şi i memoria de date, astfel încât ambele să poată fi accesate simultan. Cea mai mare parte a DSP-urilor utilizează o arhitectură Harvard modificată şi i sunt optimizate pentru a efectua operaţii repetate de înmulţire şi i sumare care accesează în mod secvenţial datele stocate în n locaţii consecutive ale memoriei.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 27 2.1 Introducere în n procesarea digitală a semnalelor Procesoare numerice de semnal de uz general Sistemele de tip DSP au înlocuit în mare parte sistemele de procesare analogică şi au permis extinderea considerabilă a ariei aplicaţiilor iilor. Principalul avantaj al DSP-urilor este programabilitatea lor. Un sistem DSP permite utilizatorului să modifice task-urile prin scrierea unui nou cod în n memoria sistemului.. De asemenea, permite actualizarea parametrilor sistemului pe baza unor noi algoritmi pentru o mai bună adaptare la mediul în continuă schimbare. Sistemele DSP se bucură de performanţe e deosebite întrucât atât memoria, cât şi i procesorul, sunt practic independente de temperatură şi pot reacţiona corect în n diferite medii externe pe întreaga durată de viaţă a produsului. Mai mult, un acelaşi i algoritm DSP poate fi transpus în diverse limbaje şi i poate fi rulat pe diferite arhitecturi hardware cu aceleaşi i rezultate. Costul sistemelor DSP este în continuă scădere, în n timp ce performanţele ele continuă să crească de la o generaţie la alta. Puterea consumată de către un DSP a scăzut spectaculos de la o generaţie la următoarea, astfel încât astăzi dispozitivele realizate se pretează foarte bine a fi incluse în n structuri portabile. În plus, unele operaţii de procesare a semnalelor nici nu pot fi implementate pe baza tehnicilor analogice.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 28 2.2 Sisteme DSP De obicei, sistemele DSP sunt incluse în n sisteme mai largi cu rolul specializat de a realiza operaţii de procesare numerică a semnalelor, permiţând astfel întregului sistem să execute task-uri mai generale. De exemplu, un procesor DSP este utilizat în n cadrul unui modem pentru controlul transmisiei de date, iar întreg ansamblul constituie sistemul DSP al unui calculator. Destul de des, acest tip de sistem DSP rulează doar o singură aplicaţie ie (specifică) şi i nu poate fi programat de către utilizator. De fapt, utilizatorul nici nu are nevoie să ştie că un astfel de procesor (de exemplu, un procesor DSP care este inclus în n sistemul de control al hard-disk disk-ului pentru controlul motorului şi a poziţionării ionării capului de citire) este parte componentă a calculatorului.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 29 2.2 Sisteme DSP Cercetările actuale în n domeniul DSP-urilor s-au orientat tot mai mult spre soluţiile complete care să înglobeze algoritmi,, software şi hardware într-un sistem unitar. Soft-ul este în fond un program care controlează un set de resurse de calcul hardware pentru a implementa un algoritm, în n timp ce hard-ul constă din blocuri de calcul specifice. Dezvoltarea soft-ului poate fi fie independentă de procesor, fie specifică unui anumit dispozitiv. Deoarece dezvoltarea soft-ului a devenit o cheltuială mai însemnată decât dezvoltarea hard-ului în n principalele sisteme DSP, proiectarea independentă de procesor are avantajul portabilităţii ii soft-ului obţinut pe diferite procesoare şi i abilitatea de a migra uşor u către noile procesoare, mai performante şi i mai complexe,, care vor apare în viitor.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 30 2.2 Sisteme DSP În n cadrul proiectării independente de procesor, limbajele de nivel înalt, precum C sau C++, sunt preferate şi i sunt disponibile pentru majoritatea procesoarelor DSP. Programele scrise în C sunt mai uşor u şi i mai rapid de scris şi i ele pot fi portate de la un procesor la altul prin simpla recompilare a codului sursă, folosind un compilator C specific noului procesor. Această portabilitate este foarte importantă, mai ales când algoritmul va fi implementat pe mai multe procesoare diferite. Soft-ul dependent de procesor este realizat prin limbaje de asamblare care reflectă arhitectura unui anumit procesor. Deşi i codul de asamblare rulează mai rapid şi i necesită mai puţină memorie, el este mai greu de scris şi i trebuie rescris pentru fiecare tip de procesor. Totuşi, limbajul C rămâne metoda preferată de implementare, atât timp cât poate asigura o viteză de rulare suficient de bună pentru un anumit procesor şi i pentru o aplicaţie ie dată.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 31 2.2 Sisteme DSP În n aplicaţiile iile în care viteza de procesare şi i nivelul resurselor de memorie reprezintă elemente cheie, soluţia este una de compromis care utilizează limbajul de asamblare pentru implementarea secţiunilor critice şi limbajul C pentru restul codului. Programarea combinată C - asamblare reprezintă un compromis bun între uşurinu urinţa a codificării şi i eficienţa a implementării. În mod constant, eficienţa a compilatoarelor C se îmbunătăţeşte te şi i multe librării DSP scrise în n limbaj de asamblare optimizat permit utilizatorului să dezvolte cu uşurinţă ă programe eficiente în cod combinat.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 32 2.2 Sisteme DSP Majoritatea algoritmilor şi i aplicaţiilor iilor DSP se dezvoltă şi se verifică pe calculatoare de uz general, fără constrângeri privind timpul de execuţie ie, mărimea memoriei, ori costul sistemului. Definitivarea unei aplicaţii ii practice trebuie condusă spre o proiectare globală care să asigure algoritmi performanţi,, software eficient şi i resurse hardware optime. De exemplu, un algoritm poate fi implementat fie prin hard, fie prin soft, alegând astfel între viteză şi i flexibilitate. De asemenea, un algoritm poate fi modificat astfel încât să se adapteze mai bine la o structură hard / soft existentă. Hard-ul poate fi conceput specific pentru un algoritm dat, sau se poate urmări minimizarea costului pe durata dezvoltării şi i utilizării. Toate aceste variante trebuie avute în n vedere în n dezvoltarea unei anumite aplicaţii ii.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 33 2.2 Sisteme DSP Proiectarea unui sistem DSP implică o cunoaştere bună a problemei şi a tuturor cerinţelor elor necesare. De obicei se lucrează în n echipă: inginer de hard, inginer de sistem, proiectant de soft şi specialist în n testarea structurii. Analiza şi i proiectarea unui algoritm DSP eficient care să utilizeze resurse hard şi soft optime este o muncă complexă,, care se bazează cel puţin în faza de proiectare pe unelte soft performante. Se poate utiliza de exemplu MATLAB şi SIMULINK, cu toolbox-urile aferente de la firma MathWorks.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 34 2.3 Familia TMS320 În 1982, Texas Instruments a introdus primul procesor DSP, TMS32010, din familia TMS320. Astăzi, această familie conţine atât procesoare în n virgulă fixă, cât şi în virgulă mobilă. Procesoarele pe 16 biţi în n virgulă fixă sunt cuprinse în n generaţiile iile: TMS320C2000 (cu reprezentanţii C24x şi C28x), C5000 (C54x şi C55x) şi C6000 (C62x şi C64x). Procesoarele pe 32 biţi în n virgulă mobilă sunt cuprinse în n generaţiile iile: C3x, C4x şi C7x. Procesoarele din aceeaşi i generaţie ale familiei TMS320 au aceeaşi arhitectură de bază, dar posedă configuraţii ii diferite ale memoriei pe cip şi a perifericelor.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 35 2.3 Familia TMS320 Arhitectura TMS32010 şi i setul de instrucţiuni iuni a fost proiectat pentru a maximiza puterea de calcul şi i flexibilitatea printr-o tehnologie de integrare la o frecvenţă a ceasului de 5MHz, 1982. Astăzi, unul dintre cele mai rapide procesoare al familiei,, C64x, dispune de o viteză de execuţie de până la 1GHz, ca urmare a îmbunătăţirilor tehnologice şi ale arhitecturii implementate şi a unor cicluri de ceas mai rapide. Îmbunătăţirile aduse arhitecturii pentru a o face independentă de viteza ceasului se bazează pe multiple unităţi de calcul de tip înmulţire-adunare (MAC - Multiply-Add Computation), pe o intensivă implementare a operaţiilor paralele, pe o memorie mai mare şi i mai rapidă cu magistrale interne multiple şi i pe introducerea unor instrucţiuni iuni şi i motoare hardware mai puternice şi i mai bine adaptate implementării unor algoritmi DSP de utilitate generală.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 36 2.3 Familia TMS320 Modul în care se constituie un sistem DSP în n jurul procesorului TMS320 Cele două blocuri externe principale necesare sunt memoria (de program şi/sau de date) şi i perifericele. De obicei, procesoarele DSP dispun de o mică memrie cache on-chip, o memorie de program de tip ROM, memorie RAM şi i periferice. Perifericele precum convertoarele A/N şi N/A pot fi conectate fie la magistrala de date, utilizând adrese dedicate (specifice( specifice), fie la interfaţa a serială, dacă cipul dispune de porturi seriale.
Procesoare Numerice de Semnal - CURS 37 2.3 Familia TMS320