Программное обеспечение систем цифровой обработки сигналов

Исследование типичных алгоритмов ЦОС, их вычислительных требований является лучшим способом для изучения и понимания развития архитектуры ЦПОС.Традиционным простым примером, на котором иллюстрируются особенности алгоритмов ЦОС и процессоров ЦПОС, является алгоритм КИХфильтра.Выходной сигнал фильтра определяется выражениемN −1y (n)∑ h (i )⋅ x (n −i)i0где х(n) – отсчеты входного сигнала; h(i) – коэффициенты фильтра.соответствии с алгоритмом, выборки входного сигнала умножаются на коэффициенты фильтра и суммируются. Подобные вычисления используются и во многих других алгоритмах ЦОС. Таким образом, базовой операцией ЦОС является операция умножения и добавление (накопление) результата умножения. Подобную операцию часто обозначают при описаниях мнемоникой MAC.Для того чтобы работать с высокой производительностью, процессор должен выполнять операцию MAC за один цикл (такт) работы процессора. Отсчеты сигнала, коэффициенты фильтра и команды программы хранятся в памяти. Для выполнения операции требуется произвести три выборки из памяти: команды и двух сомножителей. Следовательно, для работы с высокой производительностью эти три выборки необходимо произвести за один такт работы процессора. При этом подразумевается, что результат операции остается в устройстве выполнения операции (в центральном процессорном устройстве ЦПУ), а не помещается в память. В более общем случае нужна еще операция записи результата в память, т. е. необходимы четыре обращения к памяти за цикл. Таким образом, производительность процессора определяется прежде всего возможностями обмена данными между ЦПУ и памятью процессора и организацией их взаимодействия.IХ.Основные особенности процессоров ЦПОСКонвейерное выполнение командПроцесс выполнения команды во всех процессорах разбивается на несколько этапов. Конвейерный принцип выполнения команд состоит в том, что различные этапы разных команд выполняются одновременно.УмножительОсновное место среди подобных модулей занимает умножитель, используемый во всех ЦПОС. Он производит операцию умножения данных в формате «слово» процессора (16  16 для 16разрядных процессоров) за один цикл (в отличие от программных методов реализации операции умножения, которые требуют многих циклов).Например, в процессоре i8086 операция сложения занимает три такта, операция умножения – больше 100 тактов.СдвигателиСдвиги операндов в ту или иную сторону на определенное количество разрядов можно производить в АЛУ, однако при этом требуется отдельная команда. Во многих ЦПОС имеются аппаратно реализованные модули сдвига, расположенные в цепях передачи операндов между различными модулями. Они позволяют производить сдвиги при передаче и загрузке операндов без использования дополнительных команд.Дополнительные АЛУДополнительно к основному АЛУ, выполняющему различные арифметические и логические операции, в ЦПОС применяют вспомогательные арифметические устройства. Они позволяют выполнять различные математические операции одновременно с основным АЛУ, повышая производительность системы.Устройства генерации адреса УГА (AGU)процессорах ЦПОС используют специализированные устройства для генерации адресов данных в памяти данных. Эти устройства формируют или модифицируют адреса для обращения к операндам, размещенным в памяти данных ПД.Формирование адресов при различных методах адресации, особенно специальных, связано с выполнением вычислений. УГА функционируют параллельно с другими модулями и позволяют одновременно с выполнением операций в АЛУ вычислять адреса операндов для следующей команды.них используются наборы регистров для хранения адресов и некоторых данных (например значений индексов или приращений при модификации адреса) и специализированные АЛУ.Отдельно как устройства генерации адресов данных УГА выделяются в процессорах ADI (DAG), Motorola (AGU), TMS320C55X (DAGEN). В этих процессорах используются два устройства, позволяющие формировать одновременно два адреса для двух операндов.Аппаратная организация цикловЦиклические процессы, т. е. повторение одиночных команд и их блоков, занимают значительное место среди алгоритмов ЦОС. Обычная организация циклов программным образом требует использования команд формирования и проверки условий окончания циклов, которые должны выполняться при каждом прохождении «тела» цикла. На выполнение этих команд затрачивается время. Поэтому в ЦПОС используются устройства, которые позволяют организовать циклы с «нулевыми потерями» времени на организацию (проверку условий окончания).Специальные методы адресацииДля реализации алгоритмов ЦОС в ЦПОС существуют специальные методы адресации. К ним, прежде всего, относятся битреверсивнаяи циклическая (циркулярная) адресации. Здесь опишем организацию циркулярных буферов, используемых при циклической адресации.Циркулярный буфер представляет собой набор ячеек в памятиданных, обращение к которым производится по циклу, т. е. при достижении последней ячейки буфера очередное обращение производится неследующей по порядку, а начальной ячейке буфера. Имеется буфер длиной 10 с физическими адресами ФА ячеек памяти (n – 1)–(n + 8). Адреса ячеек в буфере обозначены «Ад буф» и имеют номера 1–10. Обращение к ячейкам буфера может идти в любом направлении: «вниз» и «вверх». При движении «вниз» после ячейки с номером ФА, равным (n + 8), следующим будет являться обращение к ячейке с адресом (n–1), а при движении «вверх» после ячейки ( n – 1) – обращение к ячейке (n + 8). Изменение адреса при движении по буферу может происходить с любым индексом (шагом).Х. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ ЦПОСПроцессоры можно разделить с точки зрения архитектуры на следующие основные типы:стандартные (conventional);улучшенные стандартные (enhancedconventional);VLIW («очень длинное слово команды»);суперскалярные (superscalar);гибриды ЦПОС/микроконтроллер.Это деление, естественно, носит условный характер, особенно для процессоров первых двух типов. Вопрос, куда отнести тот или иной конкретный процессор, может вызвать затруднение. Однако такая классификация представляется полезной для определения особенностей построения и архитектуры процессоров.Следует также отметить, что фирмыпроизводители объявляют о появлении новых процессоров, в том числе на основе новых архитектур. Так что возможно появление процессоров, не укладывающихся в приведенную классификацию.ЗАКЛЮЧЕНИЕС уверенностью можно сказать, что в настоящее время цифровая обработка сигнала (ЦОС) занимает не последнее место в развитии цифровых технологий. Практически все современные аудиоустройства и средства связи используют алгоритмы ЦОС. Существует множество программ, адаптированных под определенные задачи, например: проигрыватели, аудиоредакторы, программыосциллографы, спектрографы – все они используют похожие алгоритмы обработки сигнала.Бурный прогресс вычислительной техники в последние десятилетия привел к широкому внедрению методов цифровой обработки информации практически во всех областях научных исследований и народнохозяйственной деятельности. При этом среди различных применений средств вычислительной техники одно из важнейших мест занимают системы цифровой обработки сигналов (ЦОС), нашедшие использование при обработке данных дистанционного зондирования, медикобиологических исследований, решении задач навигации аэрокосмических и морских объектов, связи, радиофизики, цифровой оптики и в ряде других приложений [1,7,8,11]. Цифровая обработка сигналов (ЦОС) это динамично развивающаяся область ВТ, которая охватывает как технические, так и программные средства. Родственными областями для цифровой обработки сигналов являются теория информации , в частности, теория оптимального приема сигналов и теория распознавания образов. При этом в первом случае основной задачей является выделение сигнала на фоне шумов и помех различной физической природы, а во втором автоматическое распознавание, т.е. классификация и идентификация сигнала. В теории информации под сигналом понимается материальный носитель информации. В цифровой же обработке сигналов под сигналом будем понимать его математическое описание, т.е. некоторую вещественную функцию, содержащую информацию о состоянии или поведении физической системы при какомнибудь событии, которая может быть определена на непрерывном или дискретном пространстве изменения времени или пространственных координат. В широком смысле под системами ЦОС понимают комплекс алгоритмических, аппаратных и программных средств. Как правило, системы содержат специализированные технические средства предварительной (или первичной) обработки сигналов и специальные технические средства для вторичной обработки сигналов. Средства предварительной обработки предназначены для обработки исходных сигналов, наблюдаемых в общем случае на фоне случайных шумов и помех различной физической природы и представленных в виде дискретных цифровых отсчетов , с целью обнаружения и выделения (селекции) полезного сигнала, его пеленгования и оценки характеристик обнаруженного сигнала. Полученная в результате предварительной обработки полезная информация поступает в систему вторичной обработки для классификации, архивирования, структурного анализа и т.д. [7,8]. Основными процедурами предварительной обработки сигналов являются процедуры быстрых дискретных ортогональных преобразований (БДОП), реализуемых в различных функциональных базисах, процедуры линейной алгебры, линейной и нелинейной фильтрации. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫСпециализированный процессор для выполнения быстрого преобразования Фурье и обработки сигналов СПФ СМ. Рекламные материалы. М.: ИНЭУМ, 1984.В.В.Корнеев, А.В.Киселев Современные микропроцессоры. М.:НОЛИДЖ, 1998. 240 с.Цифровые процессоры обработки сигналов: Справочник/ А.Г. Остапенко, С.И. Лавлинский, А.В.Сушков и др. Под ред. А.Г. Остапенко. М.: Радио и связь, 1994. –264 с.Э.Клингман Проектирование специализированных микропроцессорных систем: Пер. с англ. –М.: Мир, 1985. 363 с.Цифровые процессоры обработки сигналов: Справочник /А.Г.Остапенко, С.И.Лавлинский, А.Б.Сушков и др.; Под ред. А.Г.Остапенко, М.: Радио и связь, 1994, 264 с.Белоус А.И. и др. Микропроцессорный комплект БИС серии К1815 для цифровой обработки сигналов: Справочник/ А.И.Белоус, О.Б. Поддубный, В.М. Журба; под ред. А.И. Сузопарова. – М.: Радио и связь, 1992. –256 с.Лапа В.Г., Математические основы кибернетики. Издательское объединение «Вища школа», 1974, 452 с.M. Levy, DSP Architecture Directory, EDN April 23, 1998, p. 47 111Евстигнеев В.Г., Кошарновский А.Н. Использование российской и зарубежной элементной базы при разработке систем цифровой обработки видео и управляющей информации.Корнеев В.В., Киселев А.В. Современные микропроцессоры. М.: Издво “Нолидж”, 1998. 240с.; ил.