Heute sind die Gespräche, die Mitte der 1980er-Jahre unter Elektronikingenieuren populär waren und in denen es um den Rückstand der sowjetischen Elektronik gegenüber der westlichen ging, bereits vergessen. Anschließend wurde der Entwicklungsstand der Elektronik anhand der Entwicklung von Prozessoren für Personalcomputer beurteilt. Der Eiserne Vorhang erfüllte seinen Zweck; zu dieser Zeit konnten wir uns nicht einmal vorstellen, dass die sowjetische Elektronik nicht um ein oder zwei Jahre, sondern für immer hinter der westlichen zurückblieb.
Gewöhnliche sowjetische Ingenieure, die nicht an den weltweit größten Fachseminaren für Elektronik teilnehmen durften und nicht in die vom KGB entdeckten Geheimnisse eingeweiht waren, konnten die Entwicklung der Elektronik vor zehn Jahren anhand des Vremya-Programms und anhand von Hollywood-Filmen beurteilen. Nach der Aufregung um die elektronischen Spielereien von James Bond kam man zu dem Schluss: Das alles sind Spezialeffekte des Kinos; alles wird auf speziellen Mikroprozessoren erstellt (es wurde nie angegeben, welche); und dass „wo wir es brauchen und wer es braucht, wir coolere Dinge haben.“ Nach solch tiefgreifenden Schlussfolgerungen schufen sowjetische Ingenieure mit einem neuen kreativen Impuls in ihren Forschungsinstituten weiterhin Meisterwerke auf 155-TTL-Mikroschaltungen oder, die dem militärisch-industriellen Komplex am nächsten kamen, auf der 133-Serie.
Zu meiner Schande muss ich zugeben, dass ich bis etwa Mitte der neunziger Jahre auch angedeutet habe, dass spezialisierte Prozessoren etwas völlig Komplexes und Unvorstellbares seien. Aber glücklicherweise haben sich die Zeiten geändert und die ersten spezialisierten Prozessoren, die ich kennengelernt habe, waren digitale Signalprozessoren oder Signalprozessoren (DSP, Digital Signal Processor).
Signalprozessoren entstanden als Folge der Entwicklung digitaler Technologien, die zunehmend in traditionelle „analoge“ Anwendungen eingeführt wurden: Funk- und Kabelkommunikation, Video- und Audiogeräte, Mess- und Haushaltsgeräte. Rein digitale Geräte erforderten auch die Entwicklung spezieller Prozessoren für die Signalverarbeitung: Modems, Festplatten, Datenverarbeitungssysteme usw. Das Hauptunterscheidungsmerkmal von DSPs gegenüber herkömmlichen Mikroprozessoren ist ihre maximale Anpassungsfähigkeit zur Lösung digitaler Signalverarbeitungsprobleme. Hierbei handelt es sich genau um „spezialisierte“ Controller, deren Spezialisierung in einer solchen Architektur und einem solchen Befehlssystem liegt, dass optimale Signalumwandlungs- und Filtervorgänge in Echtzeit durchgeführt werden können. Herkömmliche Mikrocontroller stellen entweder überhaupt keine Befehle zur Verfügung, die solche Operationen ausführen, oder sie arbeiten sehr langsam, was ihren Einsatz in geschwindigkeitskritischen Prozessen unmöglich macht. Daher führte der Einsatz herkömmlicher Mikroprozessoren einerseits zu einer ungerechtfertigten Komplexität und Kostensteigerung des Schaltungsdesigns des Geräts und andererseits zu einer ineffektiven, einseitigen Nutzung der Fähigkeiten des Controllers. Die DSPs waren aufgerufen, diesen Widerspruch zu lösen und haben ihre Aufgabe perfekt gemeistert.
Signalprozessoren kamen Anfang der 80er Jahre auf den Markt. Der erste weithin bekannte Signalprozessor war der 1982 von Texas Instruments veröffentlichte TMS32010 DSP mit einer Leistung von mehreren MIPS (Millionen Anweisungen pro Sekunde), der mit 1,2-Mikron-Technologie erstellt wurde. Nach Texas Instruments begannen andere Unternehmen mit der Produktion von DSPs. Derzeit ist Texas Instruments führend in der Produktion von DSPs und besitzt etwa die Hälfte des Marktes für diese Controller. Der zweitgrößte Hersteller von DSPs ist Lucent Technologies, der etwa ein Drittel dieser Geräte herstellt. Abgerundet werden die Top 4 durch Analog Devices und Motorola, die etwa gleiche Marktanteile haben und zusammen etwa ein Viertel aller DSPs produzieren. Die übrigen Hersteller, darunter auch so bekannte Unternehmen wie Samsung, Zilog, Atmel und andere, machen die restlichen 5-6 Prozent des Signalprozessormarktes aus.
Es ist klar, dass die Trendsetter unter den Herstellern die führenden Unternehmen in diesem Bereich und allen voran Texas Instruments sind. Die Richtlinien führender Unternehmen bei der Produktion und Förderung von Signalprozessoren variieren erheblich.
Ziel von Texas Instruments ist es, ein möglichst breites Sortiment zu produzieren, das alle möglichen Prozessoranwendungen mit immer höherer Leistung abdecken kann. Derzeit erreicht die Leistung von Signalprozessoren bis zu 8800 MIPS und sie werden mit Technologien von 0,65 Mikrometer bis 0,1 Mikrometer hergestellt. Die Taktfrequenz erreicht 1,1 GHz.
Lucent Technologies konzentriert sich auf große Hersteller von Endgeräten und bietet seine Produkte über ein Vertriebsnetz an, ohne auf eine umfassende Werbekampagne zurückzugreifen. Das Unternehmen ist auf DSP für Telekommunikationsgeräte spezialisiert, insbesondere in einer derzeit vielversprechenden Richtung wie der Schaffung von Mobilfunkstationen.
Analog Devices hingegen verfolgt eine aktive Marketingpolitik und Werbekampagne, was durch die Abkürzung im Namen des DSP dieser Firma SHARK und Tiger SHARK (Hai und Tigerhai) belegt wird. Im technischen Bereich sind die Prozessoren dieses Unternehmens auf den Energieverbrauch und den Aufbau von Multiprozessorsystemen optimiert.
Motorola vertreibt seine Prozessoren über sein umfangreiches Vertriebsnetz. In der DSP-Architektur hat Motorola als erster den Weg eingeschlagen, gleichzeitig einen Signalprozessor und einen klassischen Mikrocontroller auf einem Chip zu schaffen, die als ein System arbeiten, was das Leben der Geräteentwickler durch die Vereinfachung des Schaltungsdesigns erheblich vereinfacht.
Die Architektur und Fertigungstechnologien von DSPs sind bereits recht weit entwickelt, allerdings führen die Anforderungen an Betriebsstabilität und Genauigkeit der DSP-Berechnungen dazu, dass man sich der hohen Komplexität funktionaler Geräte, die die Datenverarbeitung durchführen, nicht entledigen kann (insbesondere im Gleitkommaformat), was die Kosten bei der Herstellung von Prozessoren nicht wesentlich senkt. Die Kosten für DSP können zwischen 2 und 180 Dollar oder mehr pro Einheit liegen.
Eigenschaften von DSP-Prozessoren
Signalprozessoren verfügen über Hochgeschwindigkeitsarithmetik, Echtzeit-Datenübertragung und -Empfang sowie eine Speicherarchitektur mit Mehrfachzugriff.
Jede arithmetische Operation während der Ausführung erfordert die folgenden elementaren Operationen: Auswahl von Operanden; Addition oder Multiplikation durchführen; Speichern des Ergebnisses oder Wiederholen. Darüber hinaus erfordert der Berechnungsprozess Verzögerungen, das Abtasten von Werten aus aufeinanderfolgenden Speicherzellen und das Kopieren von Daten von Speicher zu Speicher. В сигнальных процессорах повышение скорости выполнения арифметических операций достигается за счет: параллельного выполнения действий, множественного доступа к памяти (выборка двух операндов и сохранение результата), наличия большого числа регистров для временного хранения данных, аппаратной реализации специальных возможностей: осуществление задержек, умножителей, кольцевой адресации usw. Signalprozessoren implementieren außerdem Hardwareunterstützung für Programmschleifen, Ringpuffer und die Möglichkeit, während eines Befehlsausführungszyklus gleichzeitig mehrere Operanden aus dem Speicher abzurufen.
Der Hauptvorteil und Unterschied zwischen DSPs und Allzweck-Mikroprozessoren besteht darin, dass der Prozessor mit vielen Datenquellen in der realen Welt interagiert. Der Prozessor kann Daten in Echtzeit empfangen und senden, ohne interne mathematische Operationen zu unterbrechen. Zu diesem Zweck werden Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler, Generatoren, Decoder und andere Geräte zur direkten „Kommunikation“ mit der Außenwelt direkt in den Chip eingebaut.
Der Aufbau von Mehrfachzugriffsspeichern wird hauptsächlich durch die Verwendung der Harvard-Architektur erreicht. Unter Harvard-Architektur versteht man eine Architektur, die über zwei physisch getrennte Datenbusse verfügt, sodass zwei Speicherzugriffe gleichzeitig erfolgen können. Dies allein reicht jedoch nicht aus, um DSP-Operationen durchzuführen, insbesondere wenn zwei Operanden in einer Anweisung verwendet werden. Daher fügt die Harvard-Architektur einen Cache-Speicher hinzu, um die Anweisungen zu speichern, die erneut verwendet werden. Bei Verwendung von Cache-Speicher bleiben der Adressbus und der Datenbus frei, sodass zwei Operanden abgerufen werden können. Diese Erweiterung – Harvard-Architektur plus Cache – wird als erweiterte Harvard-Architektur oder SHARC (Super Harvard ARCHitecture) bezeichnet.
Wir werden die spezifischen Eigenschaften des DSP anhand der DSP568xx-Familie von Motorola betrachten, die die Funktionen digitaler Signalprozessoren und universeller Mikrocontroller vereint.
Der DSP56800-Kern ist ein programmierbarer 16-Bit-CMOS-Prozessor, der für die Durchführung digitaler Signalverarbeitungs- und Rechenaufgaben in Echtzeit entwickelt wurde und aus vier Funktionseinheiten besteht: Steuerung, Adressgenerierung, ALU und Bitverarbeitung. Um die Produktivität zu steigern, werden Vorgänge an Geräten parallel ausgeführt. Jedes der Geräte kann unabhängig und gleichzeitig mit drei anderen funktionieren, denn verfügt über einen eigenen Registersatz und eine eigene Steuerlogik. Der Kern implementiert die gleichzeitige Ausführung mehrerer Aktionen: Das Steuergerät wählt den ersten Befehl aus, das Adressgenerierungsgerät generiert die Adressen des zweiten Befehls und die ALU multipliziert den dritten Befehl. Kombinierte Transfers und Operationen sind weit verbreitet.
Der eingebaute Speicher kann enthalten (für eine Familie):
Flash-Programmspeicher bis zu 60 KB
Flash-Datenspeicher bis zu 8K
RAM-Programme bis zu 2K
RAM-Daten bis zu 4K
2K-Download-Programm-Flash-Speicher
На микрочипах семейства реализовано большое количество периферийных устройств: ШИМ-генераторы, 12-разрядные АЦП с одновременной выборкой, квадратурные декодеры, четырехканальные таймеры, контроллеры CAN-интерфейса, двухпроводные последовательные коммуникационные интерфейсы, последовательные интерфейсы, программируемый генератор с ФАПЧ для формирования тактовой частоты ядра DSP usw.
Allgemeine Charakteristiken
Leistung 40 MIPS bei einer Taktfrequenz von 80 MHz und einer Versorgungsspannung von 2,7:3,6 V;
Single-Ended Parallel 16x16 Multiplikator-Addierer;
Zwei 36-Bit-Akkumulatoren, einschließlich Erweiterungsbits;
Single-Cycle-16-Bit-Drehschieber;
Hardware-Implementierung von DO- und REP-Befehlen;
Drei interne 16-Bit-Datenbusse und drei 16-Bit-Adressbusse;
Ein externer 16-Bit-Schnittstellenbus;
Ein Stapel von Unterprogrammen und Interrupts ohne Tiefenbeschränkung.
Chips der DSP568xx-Familie sind für den Einsatz in kostengünstigen Geräten und Haushaltsgeräten vorgesehen, die niedrige Kosten erfordern und keine extrem hohen Parameter erfordern: kabelgebundene und kabellose Modems, kabellose digitale Nachrichtensysteme, digitale Telefonanrufbeantworter, Digitalkameras, spezialisierte und Mehrzwecksteuerungen, Servomotor-Steuergeräte und AC-Elektromotoren.
Generell sind Signalprozessoren bereits so weit entwickelt, dass sie in Geräten von der Raumstation bis zum Kinderspielzeug eingesetzt werden können.
Wie unerwartet die Einsatzmöglichkeiten von Signalprozessoren sein können, habe ich kürzlich am Beispiel eines Spielzeugs gesehen. Eines Tages wandte sich ein Bekannter an mich und bat mich, eine sprechende Puppe zu reparieren, die seine deutschen Freunde seiner Tochter geschenkt hatten. Die Puppe war in der Tat wunderbar; laut einer Freundin verstand sie bis zu fünfzig Sätze und führte „bewusst“ ein Gespräch. In Deutschland kostete es 150 Mark, was mich auf den Gedanken brachte, dass Eltern den Bruch der Puppe mehr bereuen als ihr Kind. Meine Tochter liebte die Puppe trotzdem, vor allem weil sie, bevor sie stumm wurde, Deutsch sprach. Ohne Hoffnung auf Erfolg machte ich mich daran, diese Puppe zu reparieren. Ich benutzte eine Feile, um das Epoxidharz, mit dem die Schaltung gefüllt war, abzufeilen, und entdeckte unter einer dicken, dicken Schicht Epoxidharz ein halbes Dutzend Mikroschaltungspakete, von denen das zentrale der DSP für den DSP56F war … der Die letzten Ziffern wurden leider unwiederbringlich gelöscht. Es war nie möglich, die Puppe zum Sprechen zu bringen, und leider habe ich nicht festgestellt, wie viel Intelligenz der Signalprozessor ihr hinzugefügt hat. Wie sich später herausstellte, legte der älteste Sohn meiner Freunde, um die Puppe lauter schreien zu lassen, zunächst statt 3 V eine Spannung von 4,5 Volt an sie an, was noch nicht „tödlich“ war, und obwohl das Spielzeug keuchte, es schrie, aber nach 220 V ... . Daher die erste Schlussfolgerung: Hochtechnologien sind gut, aber nicht immer und nicht überall. Die zweite Schlussfolgerung ist, dass wir DSP vielleicht bald in Küchenutensilien, Schuhen und Kleidung sehen können, zumindest gibt es keine technischen Hindernisse dafür.
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Ich bin zufällig auf ein Video von „Chip and Dip“ Nr. 1 Digitale Audioverarbeitung ADAU1701 | gestoßen Projekt öffnen | Start
Und dann wurde ich mit allerlei Erinnerungen zu diesem Thema „überhäuft“. Ich beschloss, nachzuschauen, was in diesen Tagen an dieser Front vor sich ging, und fand viele gute und interessante Dinge.
Die Qualität der Verarbeitung ist deutlich gestiegen, der Preis ist deutlich gesunken und Audio-DSP (Digital Signal Processing) steht bereits vor unserer Haustür! :) :)
In diesem Video geht es um den SigmaDSP ADAU1701-Chip. Ich wollte sehen, was ich damit machen kann, und war von den Fähigkeiten sehr beeindruckt.
Sie können darüber auf Russisch lesen (). Für mich ermöglicht dieser DSP den Aufbau eines normalen Lautsprechersystems mit einer externen Frequenzweiche. Das System bietet unvorstellbar mehr Möglichkeiten als meine Versuche. Es ermöglicht Ihnen, sich selbst zu programmieren, wenn Sie völlig neu im Programmieren sind, sich aber mit Audiokomponenten und ihrer Funktionsweise auskennen: Filter; Crossover; Equalizer usw. usw. Dieses Wissen ist erforderlich, um alles einzurichten
So sieht ein Beispielprojekt in einem DSP-Wartungs- und Programmierprogramm aus: 
Wie Sie sehen, gibt es fast keine „digitalen Werte“ und alles wird „klanglich“ genannt.
Natürlich sind seine ADCs und DACs weit von Hi-End entfernt, aber durchschnittliches Hi-Fi, aber diese Qualität reicht für ein Zuhause und die Möglichkeiten sind sehr groß. Es ist sehr gut, dass der DSP über Berechnungen mit doppelter Genauigkeit verfügt (56-). Bit) und wird standardmäßig installiert.
Nun ja... wir haben kleine/unvollständige Lobeshymnen gesungen, jetzt ist es Realität.
Das Board ist in verschiedenen Ausführungen erhältlich:
Variante 1. Vollständiges Testboard vom Hersteller kostet ca. 12-15 Tausend Rubel und erlaubt Ihnen, zu tun, was Sie wollen. Meiner Meinung nach ist der größte Vorteil gegenüber den anderen volles SPDIF, d. h. und digitale Eingabe- und digitale Ausgabeergebnisse. Es ermöglicht Ihnen auch, Algorithmen im laufenden Betrieb zu debuggen. Bestellen Sie „Over the Hill“ auf der Website des Herstellers.
Option 2. Dies ist ein leicht abgehacktes Layout von MasterKit – Set BM2114dsp. Es verfügt über alle analogen Ein-/Ausgänge, aber das Debuggen erfolgt immer noch „on the fly“.
Kosten 4900 Rubel..
Option 3. Dies ist die einfachste Version der Verwendung von DSP von „Chip and Dip“ aus ihrem „Electronic Troops“-Labor.
Das Kit heißt Digital Signal Processors RDC2-0027v1, Digital Audio Processing Module on SigmaDSP ADAU1701, SigmaStudio
Dies ist eine Option ohne spontane Programmierung. Sie erstellen eine Binärdatei, konvertieren sie und „laden“ sie mit der „Pfeife“ in das ERROM des Boards hoch. Es dauert ein wenig, aber es dauert und erfordert ein Verständnis des Prozesses. :) :)
Die Gebühr beträgt 950 Rubel.
Ja, lassen Sie mich das klarstellen, nach der Programmierung funktioniert das Board als eigenständiges Gerät!!! Diese. Sie brauchen nicht ewig einen PC! Und Sie können „Twists“ (Encoder) an die Platine anschließen; Tasten usw., d.h. Es gibt genügend externe Anpassungsmethoden; Sie müssen nicht bei jedem Niesen auf den DSP-Code zugreifen.
Es ist deine Entscheidung...
Nun zu meinen Wünschen aus der Vergangenheit. Eines der großen Probleme bei passiven Filtern ist die Phasenverzerrung. Je größer die Steilheit der Filter ist, desto größer ist die Phasenverzerrung. Dadurch entstehen viele Obertöne, die sich nur sehr schwer beseitigen lassen und die es schwierig machen, unterschiedliche Frequenzbereiche zu koordinieren.
Bei diesen digitalen Filtern tritt dies nicht auf und Sie können viel tun, um die Grenzbänder anzupassen. Es ist jedoch erforderlich, drei Verstärker anstelle eines zu verwenden, einen für jeden Frequenzbereich (da der Lautsprecher 3-Wege-Lautsprecher ist, gibt es 3 Bänder und 3 Verstärker). Natürlich können sie hinsichtlich der Leistung optimiert werden (sagen wir in meinem Fall, dass die Leistung LF - 30 W, MF - 20 W, HF - 10 W beträgt), aber hier werden die Fähigkeiten selbst eines Amateurs meiner Meinung nach die Vereinheitlichung gewinnen. :) :)
Viele Videos am Ende
Ein Beispiel, wie man digitale Arbeit selbst erledigen kann
Der Typ baut ein Monster auf zwei DSPs
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Betrachten wir nun die Funktion x = f(t), die einen Schall oder eine andere Schwingung darstellt. Lassen Sie diese Schwankung durch einen Graphen über ein Zeitintervall beschreiben (Abb. 16.2).
Um dieses Signal in einem Computer zu verarbeiten, müssen Sie es abtasten. Hierzu wird das Zeitintervall in N-1 Teile unterteilt
Reis. 16.2.
und die Werte der Funktion x 0 , x 1 , x 2 , ..., x N-1 werden für N Punkte an den Grenzen der Intervalle gespeichert.
Ergebend direkte diskrete Fourier-Transformation N-Werte für X k können gemäß (16.1) erhalten werden.
Wenn wir uns jetzt bewerben inverse diskrete Fourier-Transformation, dann wird die ursprüngliche Sequenz (x n) erhalten. Die ursprüngliche Folge bestand aus reellen Zahlen und die Folge (X k) ist im Allgemeinen komplex. Wenn wir seinen Imaginärteil mit Null gleichsetzen, erhalten wir:
| (16.8) |
Wenn wir diese Formel mit den Formeln (16.4) und (16.6) für Harmonische vergleichen, sehen wir, dass Ausdruck (16.8) die Summe von N harmonischen Schwingungen unterschiedlicher Frequenz, Phase und Amplitude ist. Das heißt, die physikalische Bedeutung diskrete Fourier-Transformation besteht darin, ein diskretes Signal als Summe von Harmonischen darzustellen. Die Parameter jeder Harmonischen werden durch die direkte Fourier-Transformation berechnet, und die Summe der Harmonischen wird durch die Umkehrung berechnet.
Nun kann beispielsweise eine „Tiefpassfilter“-Operation, die alle Frequenzen über einem bestimmten festgelegten Wert aus einem Signal „herausschneidet“, einfach die Koeffizienten, die den Frequenzen entsprechen, die entfernt werden müssen, auf Null setzen. Nach der Verarbeitung wird es dann ausgeführt umgekehrte Umwandlung.
Besonderheiten digitale Signalverarbeitung Schauen wir uns das Beispiel eines nicht rekursiven Filteralgorithmus an. Die Struktur des Geräts, das diesen Algorithmus implementiert, ist in Abb. dargestellt. 16.3.
Die Verarbeitung besteht darin, ein Ausgangssignal Y[k] basierend auf den Werten der N letzten Eingangsabtastwerte x[k] zu erzeugen, die nach einem bestimmten Zeitintervall T am Geräteeingang empfangen werden. Empfangene Proben werden in kreisförmigen Pufferzellen gespeichert. Wenn das nächste Sample empfangen wird, werden die Inhalte aller Pufferzellen in die benachbarte Position neu geschrieben, das älteste Sample verlässt den Puffer und das neue wird in die unterste Zelle geschrieben.
Analytisch gesehen wird der Algorithmus zum Betreiben eines nichtrekursiven Filters wie folgt geschrieben:
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(16.9) |
wobei a i durch den Filtertyp bestimmte Koeffizienten sind.
Proben von den Ausgängen der Pufferelemente werden an Multiplizierer gesendet, deren zweite Eingänge Koeffizienten a i empfangen. Die Ergebnisse der Produkte werden addiert und bilden einen Abtastwert des Ausgangssignals Y[k], woraufhin der Inhalt des Puffers um eine Position verschoben wird und der Filterbetriebszyklus wiederholt wird. Das Ausgangssignal Y[k] muss berechnet werden, bevor das nächste Eingangssignal eintrifft, also innerhalb des Intervalls T. Dies ist die Essenz des Echtzeitbetriebs des Geräts. Das Zeitintervall T wird durch die Abtastfrequenz vorgegeben, die durch den Einsatzbereich des Filters bestimmt wird. Als Folge des Kotelnikov-Theorems entspricht in einem diskreten Signal die Periode, die der höchsten darstellbaren Frequenz entspricht, zwei Abtastperioden. Bei der Verarbeitung eines Audiosignals kann die Abtastfrequenz bei 40 kHz liegen. Wenn in diesem Fall ein digitaler nichtrekursiver Filter 50. Ordnung implementiert werden muss, müssen 50 Multiplikationen und 50 Akkumulationen der Multiplikationsergebnisse in einer Zeit von 1/40 kHz = 25 μs durchgeführt werden. Bei der Videosignalverarbeitung ist das Zeitintervall, in dem diese Aktionen ausgeführt werden müssen, um mehrere Größenordnungen kürzer.
Wenn Sie die DFT der Eingabesequenz direkt und streng nach der Originalformel durchführen, wird dies viel Zeit in Anspruch nehmen. Wenn wir per Definition berechnen (Summe N Terme N-mal), erhalten wir einen Wert in der Größenordnung von N 2 .
Allerdings kommt man mit einer deutlich geringeren Anzahl an Operationen aus.
Der beliebteste Algorithmus für beschleunigte DFT-Berechnungen ist die Cooley-Tukey-Methode, mit der Sie die DFT für die Anzahl der Stichproben N = 2k in einer Zeit in der Größenordnung von N*log 2 N berechnen können (daher der Name – Schnelle Fourier-Transformation, FFT oder in englischer Version FFT – Schnelle Fourier-Transformation). Die Hauptidee dieser Methode besteht darin, ein Zahlenarray rekursiv in zwei Unterarrays aufzuteilen und die Berechnung der DFT aus dem gesamten Array auf die Berechnung der DFT aus den einzelnen Unterarrays zu reduzieren. In diesem Fall erfolgt die Aufteilung des ursprünglichen Arrays in Unterarrays mithilfe der Methode der bitweisen umgekehrten Sortierung (bitweise Sortierung). umgekehrte Sortierung).
Zunächst wird das Eingabearray in zwei Unterarrays unterteilt – gerade und ungerade Zahlen. Jedes der Subarrays wird neu nummeriert und erneut in zwei Subarrays unterteilt – mit geraden und ungeraden Nummern. Diese Sortierung wird fortgesetzt, bis die Größe jedes Subarrays 2 Elemente erreicht. Dadurch (was mathematisch dargestellt werden kann) wird die Nummer jedes ursprünglichen Elements im Binärsystem umgekehrt. Das heißt, bei Einzelbyte-Zahlen wird beispielsweise die Binärzahl 00000011 zur Zahl 110000000, die Zahl 01010101 wird zur Zahl 10101010.
Es gibt FFT-Algorithmen für Fälle, in denen N eine Potenz einer beliebigen Primzahl (nicht nur zwei) ist, und auch für Fälle, in denen N das Produkt von Potenzen von Primzahlen einer beliebigen Anzahl von Stichproben ist. Am weitesten verbreitet ist jedoch die mit der Cooley-Tukey-Methode implementierte FFT für den Fall N = 2k. Der Grund dafür ist, dass der mit dieser Methode erstellte Algorithmus eine Reihe sehr guter technologischer Eigenschaften aufweist:
- die Struktur des Algorithmus und seine Grundoperationen hängen nicht von der Anzahl der Stichproben ab (nur die Anzahl der Durchläufe der Grundoperation ändert sich);
- Der Algorithmus lässt sich mithilfe einer Grundoperation und Pipeline leicht parallelisieren und lässt sich auch leicht kaskadieren (FFT-Koeffizienten für 2N Stichproben können durch Konvertieren der Koeffizienten von zwei FFTs über N Stichproben erhalten werden, die durch „Dezimieren“ der ursprünglichen 2N Stichproben durch eins erhalten werden);
- Der Algorithmus ist einfach und kompakt, ermöglicht die Datenverarbeitung „an Ort und Stelle“ und erfordert keinen zusätzlichen RAM.
Einzelchip Mikrocontroller und selbst Allzweck-Mikroprozessoren sind relativ langsam, wenn sie DSP-spezifische Vorgänge ausführen. Darüber hinaus steigen die Anforderungen an die Qualität der analogen Signalwandlung stetig. IN Signal-Mikroprozessoren Solche Vorgänge werden auf Hardwareebene unterstützt und sind daher recht schnell ausgeführt. Für den Echtzeitbetrieb muss der Prozessor außerdem Aktionen auf Hardwareebene wie Interrupt-Verarbeitung und Softwareschleifen unterstützen.
All dies führt dazu, dass D.S. P-Prozessoren, die architektonisch viele Merkmale von Allzweck-Mikroprozessoren integrieren, insbesondere mit RISC-Architektur, so und Single-Chip-Mikrocontroller, unterscheiden sich gleichzeitig deutlich von ihnen. Ein universeller Mikroprozessor dient neben rein rechnerischen Operationen als verbindendes Bindeglied für das Ganze Mikroprozessorsystem, insbesondere der Computer.
Es muss den Betrieb verschiedener Hardwarekomponenten wie Festplatten, Grafikdisplays usw. steuern. Netzwerkschnittstelle um ihre koordinierte Arbeit sicherzustellen. Dies führt zu einer ziemlich komplexen Architektur, da sie sowohl Ganzzahlarithmetik als auch Operationen mit unterstützen muss Gleitkomma Grundfunktionen wie Speicherschutz, Multiprogrammierung, Behandlung Vektorgrafiken usw. Infolgedessen verfügt ein typischer universeller Mikroprozessor mit CISC- und häufig RISC-Architektur über ein System von mehreren hundert Anweisungen, die die Ausführung all dieser Funktionen gewährleisten, sowie über entsprechende Hardwareunterstützung. Dies führt dazu, dass in einem solchen MP Dutzende Millionen Transistoren erforderlich sind.
Gleichzeitig DSP-Prozessor ist ein hochspezialisiertes Gerät. Seine einzige Aufgabe besteht darin, einen Strom digitaler Signale schnell zu verarbeiten. Es besteht hauptsächlich aus leistungsstarken Hochgeschwindigkeits-Hardwareschaltungen Arithmetische Funktionen und Bitmanipulatoren, optimiert für die schnelle Verarbeitung großer Datenmengen. Aus diesem Grund ist der Befehlssatz DSP viel weniger als die eines universellen Mikroprozessors: Ihre Anzahl überschreitet normalerweise 80 nicht. Das bedeutet, dass z DSP Es sind ein leichter Befehlsdecoder und eine viel geringere Anzahl von Aktoren erforderlich. Darüber hinaus müssen alle Ausführungsgeräte letztendlich leistungsstarke Rechenoperationen unterstützen. So typisch DSP-Prozessor besteht aus nicht mehr als mehreren hunderttausend (und nicht mehreren zehn Millionen, wie in modernen CISC-MP) Transistoren. Aus diesem Grund verbrauchen solche MPs weniger Energie, was den Einsatz in batteriebetriebenen Produkten ermöglicht. Ihre Herstellung ist extrem vereinfacht, so dass sie in preiswerten Geräten Anwendung finden. Kombination aus niedrig Energieverbrauch und niedrige Kosten ermöglichen den Einsatz nicht nur in High-Tech-Bereichen Telekommunikation, aber auch in Mobiltelefonen und Roboterspielzeugen.
Beachten wir das Wesentliche Architekturmerkmale digitaler Signalprozessoren:
- Harvard-Architektur, das auf der physischen und logischen Trennung von Befehlsspeicher und Datenspeicher basiert. Schlüsselbefehle DSP-Prozessor sind Multioperanden, und um ihren Betrieb zu beschleunigen, ist das gleichzeitige Lesen mehrerer Speicherzellen erforderlich. Dementsprechend verfügt der Chip über separate Adress- und Datenbusse (bei einigen Prozessortypen gibt es mehrere Adress- und Datenbusse). Dadurch können Sie das Abrufen von Operanden und die Ausführung von Anweisungen zeitlich kombinieren. Verwendung modifizierte Harvard-Architektur geht davon aus, dass Operanden nicht nur im Datenspeicher, sondern zusammen mit Programmen auch im Befehlsspeicher gespeichert werden können. Beispielsweise können bei der Implementierung digitaler Filter die Koeffizienten im Programmspeicher und die Datenwerte im Datenspeicher gespeichert werden. Daher können Koeffizient und Daten in einem Maschinenzyklus ausgewählt werden. Um sicherzustellen, dass ein Befehl im selben Maschinenzyklus abgerufen wird, wird während des Maschinenzyklus zweimal auf den Programm-Cache-Speicher oder den Programmspeicher zugegriffen.
- Um die Ausführungszeit einer der Hauptoperationen der digitalen Signalverarbeitung – der Multiplikation – zu verkürzen, wird ein Hardware-Multiplikator verwendet. Bei Allzweckprozessoren wird dieser Vorgang über mehrere Verschiebungs- und Additionszyklen implementiert und nimmt viel Zeit in Anspruch DSP-Prozessoren Dank eines speziellen Multiplikators ist nur ein Zyklus erforderlich. Mit der integrierten Hardware-Multiplikationsschaltung können Sie die Haupt-DSP-Operation in einem Taktzyklus ausführen – Multiplikation mit Akkumulation ( MultiIPly – Akkumulieren – MAC) für 16- und/oder 32-Bit-Operanden.
- Hardwareunterstützung für Ringpuffer. Zum Beispiel für den in Abb. 16.3 wird jedes Mal, wenn ein Abtastwert des Ausgangssignals berechnet wird, ein neuer Abtastwert des Eingangssignals verwendet, der anstelle des ältesten im Speicher abgelegt wird. Für einen solchen Umlaufpuffer kann ein fester RAM-Bereich genutzt werden. In diesem Fall werden bei Berechnungen nur sequentielle Werte von RAM-Adressen generiert, unabhängig davon, welcher Vorgang – Schreiben oder Lesen – gerade ausgeführt wird. Die Hardware-Implementierung von zyklischen Puffern ermöglicht es Ihnen, Pufferparameter (Startadresse, Länge) im Programm außerhalb des Hauptteils der Filterschleife festzulegen, wodurch Sie die Ausführungszeit des zyklischen Abschnitts des Programms reduzieren können.
- Verkürzung der Dauer des Befehlszyklus. Dies wird weitgehend durch Techniken gewährleistet, die für RISC-Prozessoren charakteristisch sind. Die wichtigsten sind die Platzierung der Operanden der meisten Befehle in Registern sowie das Pipelining auf Befehls- und Mikrobefehlsebene. Der Förderer verfügt über 2 bis 10 Stufen, was die gleichzeitige Verarbeitung von bis zu 10 Befehlen in verschiedenen Ausführungsstufen ermöglicht. Dabei werden die Generierung von Registeradressen parallel zur Ausführung arithmetischer Operationen sowie Multiport-Speicherzugriffe genutzt. Dazu gehört auch eine Technik, die für universelle Mikroprozessoren charakteristisch ist EPIC-Architektur B. die Verwendung von Anweisungen mit sehr langer Wortlänge (VLIW), die in der Kompilierungsphase des Programms generiert werden. Auch das oben Besprochene dient demselben Zweck. Harvard-Architektur Prozessor, typisch für Single-Chip-Mikrocontroller.
- Das Vorhandensein eines internen Speichers auf dem Prozessorchip, wodurch DSPs Single-Chip-MKs ähneln. Der im Prozessor integrierte Speicher ist normalerweise viel schneller als externer Speicher. Das Vorhandensein eines integrierten Speichers kann das System als Ganzes erheblich vereinfachen und seine Größe, seinen Stromverbrauch und seine Kosten reduzieren. Die interne Speicherkapazität ist das Ergebnis eines gewissen Kompromisses. Eine Erhöhung führt zu höheren Preisen für den Prozessor und erhöht den Stromverbrauch, und die begrenzte Kapazität des Programmspeichers ermöglicht keine Speicherung komplexer Algorithmen. Mehrheitlich D.S. Festkomma-P-Prozessoren verfügen über kleine interne Speicherkapazitäten, typischerweise von 4 bis 256 KB, und externe Datenbusse geringer Breite, die den Prozessor mit dem externen Speicher verbinden. Gleichzeitig erfordern Gleitkomma-DSPs in der Regel die Arbeit mit großen Datensätzen und komplexen Algorithmen und verfügen entweder über einen integrierten Speicher mit großer Kapazität oder große Adressbusse zum Anschluss externer Speicher (und manchmal auch über beides).
- Umfangreiche Möglichkeiten zur Hardware-Interaktion mit externen Geräten, darunter:
- eine Vielzahl von Schnittstellen, darunter CAN-Controller für industrielle lokale Netzwerke, integrierte Kommunikations- (SCI) und Peripherieschnittstellen (SPI), I2C, UART;
- mehrere Eingänge für analoge Signale und dementsprechend ein eingebauter ADC;
- Ausgangskanäle Pulsweitenmodulation (PWM);
- entwickeltes System externer Interrupts;
- Controller für direkten Speicherzugriff.
- Einige DSP-Familien bieten spezielle Hardware, die die Erstellung von Multiprozessorsystemen erleichtert parallele Datenverarbeitung um die Produktivität zu steigern.
- DSP-Prozessoren werden häufig in mobilen Geräten eingesetzt, bei denen der Stromverbrauch das Hauptmerkmal ist. Reduzieren Energieverbrauch Signalprozessoren verwenden eine Vielzahl von Techniken, darunter die Reduzierung der Versorgungsspannung und die Einführung von Energieverwaltungsfunktionen wie Dynamik Taktfrequenz, Wechseln in den Schlaf- oder Standby-Modus oder Ausschalten von Peripheriegeräten, die derzeit nicht verwendet werden. Es ist zu beachten, dass diese Maßnahmen einen erheblichen Einfluss auf die Geschwindigkeit des Prozessors haben und bei falscher Anwendung zur Funktionsunfähigkeit des entwickelten Geräts führen können (als Beispiel können wir einige Mobiltelefone nennen, die aufgrund von Fehlern in Steuerprogramme, reduzierter Befehlssatz DSP-Prozessoren verwenden außerdem hardwareunterstützte Anweisungen, die für die MMX-Verarbeitung typisch sind, wie zum Beispiel Befehle zum Finden des Minimums und Maximums, zum Erhalten eines Absolutwerts, zum Addieren mit Sättigung, bei dem im Falle eines Überlaufs beim Addieren zweier Zahlen die Dem Ergebnis wird der maximal mögliche Wert in einem bestimmten Bitraster zugewiesen. Dies führt zu weniger Pipeline-Konflikten und verbessert die Prozessoreffizienz.
Andererseits enthalten DSPs eine Reihe von Befehlen, deren Vorhandensein von den Besonderheiten ihrer Anwendung abhängt und die daher in anderen Mikroprozessortypen selten vorhanden sind. Zunächst einmal handelt es sich hierbei natürlich um eine Anweisung, die Summe der Adressbits zu multiplizieren und zu akkumulieren.
Programmierung Mikroprozessoren dieser Klasse haben auch ihre eigenen Eigenschaften. Der erhebliche Komfort für Entwickler, der normalerweise mit der Verwendung von Hochsprachen verbunden ist, führt oft zu weniger kompaktem und schnellerem Code. Da die Funktionen des DSP einen Echtzeitbetrieb erfordern, müssen zur Lösung derselben Probleme leistungsstärkere und teurere DSPs eingesetzt werden. Diese Situation ist besonders kritisch für Produkte mit hohen Stückzahlen, bei denen der Kostenunterschied für einen leistungsstärkeren DSP oder zusätzlichen Prozessor eine wichtige Rolle spielt. Gleichzeitig kann unter modernen Bedingungen die Geschwindigkeit der Entwicklung (und damit der Markteinführung eines neuen Produkts) mehr Vorteile bringen als der Zeitaufwand für die Optimierung des Codes beim Schreiben eines Programms in Assembler.
Ein Kompromissansatz besteht darin, die zeitkritischsten und ressourcenintensivsten Abschnitte des Programms mit Assembler zu schreiben, während der Hauptteil des Programms in einer Hochsprache, meist C oder C++, geschrieben ist.
