Особенности архитектуры цифровых процессоров сигналов, транспьютеров и интерфейсных СБИС.

 

Центральные процессоры поддерживают многозадачность, широкую память и т.п. теряя на этом производительность и неся дополнительные аппаратные затраты. Поэтому параллельно с ЦП развивалась линия быстродействующих процессоров. Наиболее универсальные из них получили название цифровых процессоров сигналов. Специализированные ЦПС – графические процессоры (GPU), транспьютеры, отдельные интерфейсные СБИС отличаются спецификой архитектуры, микропрограммного обеспечения, ориентированы на решение конкретной задачи. ЦПС опережают ЦП по производительности на одинаковой тактовой частоте, но отстают из-за массовости в топологической норме, и как следствие, имеют более низкие тактовые частоты. Только GPU идут вровень с ЦП, опережая последние по быстродействию в десятки и сотни раз.

 

Рис. 12. 1. Ядро процессора включает 2 по четыре исполнительных устройства с VLIW командой

 

Первые ЦПС I 2920 выпустила фирма Intel в 1978 году. Это 25-х битные процессоры, функционирующие в RISC цикле и не имеющие прерываний. Их микропрограммный автомат предельно упрощен. Появился специфичный набор команд – арифметика с насыщением, размерность АЛУ более чем вдвое превышает размерность операндов. Новая команда, умножение с накоплением, поддерживает массовую обработку сигналов. Имеет встроенный ЦАП и АЦП.

 

Рис. 12. 2. Структура связей исполнительных устройств

 

Основную историю ЦСП принято отсчитывать от 1979—1980 годов, когда Bell Labs представила первый однокристальный ЦСП Mac 4, а также на «IEEE International Solid-State Circuits Conference '80» были показаны µMPD7720 компании NEC и DSP1 компании AT&T, которые, однако, не получили широкого распространения. Далее на арену вступает компания Texas Instruments, признанный сегодня лидер в области цифровых процессоров сигналов.

Стандартом де-факто стал выпущенный кристалл TMS32010 фирмы Texas Instruments, по многим параметрам и удачным техническим решениям превосходящий изделия конкурентов. Множество фирм выпускают ЦПС различной конфигурации. ЦПС входят в кристаллы развитых микроконтроллеров.

Рассмотрим архитектуру DSP - TMS320C6411 (рис. 12.1, 12.2). Это процессор с VLIW командой, 8- исполнительных устройств. Имеет КЭШ данных и команд.

Ниже показана специализация различных вариантов ЦПС. Это и ориентированный на построение фраймграберов процессор TMS320DM642 (рис. 12.3), процессор видеокамеры TMS320DM310 (рис. 12.4, 12.5.).

 

 

Рис. 12.3. Подключение TMS320DM642

Рис. 12.4. Цифровая видеокамера с процессором TMS320DM310

 

Это, по сути, сборка на кристалле DSP+ несколько контроллеров • Real-time MPEG-1, -4 video encode кодируются at CIF resolution (352 x 288) • Real-time MPEG-4 video decode декодируется at VGA resolution (640 x 480) • One-second shot-to-shot delay for 6-megapixel CCD imagers Одна-секунда задержки для 6-megapixel CCD формирования изображения приложений • Supports multiple applications and file formats including файловые форматы включая MPEG-4, MPEG-2, MPEG-1, JPEG, M-JPEG, H.263, MP3, AAC and WM4 • Highly integrated system-on-a-chip (SoC) design reduces overall system cost Система на чипе (SoC) разработка уменьшает общую стоимость A/D, D/A Serial I/F for Audio (2)

 

Рис. 12.5. Выходы TMS320DM310

 

– Correlated double sampling (CDS) Коррелированная двойная выборка (CDS) – Programmable black level clamping Программируемый уровень черного • Programmable gain amplifier (PGA): –6-dB to +42-dB gain ranging Программируемый прирост усилители (PGA): -6-dB, чтобы +42-dB • 12-bit digital data output: – Up to 20-MHz conversion rate до 20-MHz – No missing codes Никакая потеря не кодирует • 79-dB signal-to-noise ratio79-dB сигнал-помехи • Portable operation: – Low voltage: 2.7 V to 3.6 V – Low power: 83 mW (typ) at 3.0 V – Standby mode: 6 mW

 

Рис. 12.6. Преобразования аналогового сигнала

 

 

Рис. 12.7. Потоки в системе обработки сигналов с CCD построенной на базе DCS24

CCD источник может быть подключен через CCD signal processor VSP2262 (рис. 12.6). Потки данных в таких приборах существенно влияют на архитектуру (рис. 12.7). Становится все более распространенным комплексное объединение ЦПС и микроконтроллеров. Например, ЦПС TMS320DSC24 включает в себя ЦПС 5409 и контроллер ARM 7. Последний - 32-х разрядный и поддерживает работу серии стандартных интерфейсов.

 

• Двойной процессор integrating a TMS320C54xTM DSP and an ARM7TDMI RISC MCU • 16-bit low-power DSP with 32K c 16-bit интегрированным DARAM и 32K x 16-bit SARAM производительностью operates at up to 94.5 MHz • Smart Интеллектуальный power management and low-power modes for DSP and MCU subsystems • SDRAM controller контроллер поддерживает 16- and 32-bit SDRAM up to 75 MHz вплоть до 75 MHz • ARM7TDMI RISC microcontroller микроконтроллер работает с байтами 32K встроенного SRAM, вплоть до 37.5 MHz core with 32K bytes of integrated SRAM operating up to 37.5 MHz • Integrated DSP and MCU subsystem peripherals • Seamless interface to external CPU used as a host processor • Supports scan-based emulation эмуляция of DSP and MCU cores • Packaging: 257-ball MicroStar BGATM (GHK)   Важна распайка Решает все по функциям цифрового фотоаппарата, требуемым для NV.

 

Рис. 12.8. Объединение DSP и микроконтроллера

 

Довольно интересна история развития специализированных процессоров транспорта данных, осуществляющих на проходе перекодировку потоков под различные стандарты. Транспьютер (англ. transputer) — элемент построения многопроцессорных систем, выполненный на одном кристалле большой интегральной схемы, продукт английской компании INMOS Ltd. (ныне — подразделение STMicroelectronics). Термин транспьютер происходит от слов Transistor и Computer. Такой генезис должен, по мнению разработчиков, подчёркивать возможность построения сложных вычислительных комплексов на базе транспьютеров, где их роль уподоблялась бы роли транзисторов, выступающих основным элементом при проектировании электронных схем. Параллельная система может создаваться из набора транспьютеров, которые функционируют независимо и взаимодействуют через последовательные каналы связи.

Транспьютеры успешны в различных областях. В настоящее время транспьютеры INMOS Ltd. (ныне — подразделение STMicroelectronics) не производятся, будучи вытесненными похожими разработками конкурентов, особенно Texas Instruments. Термин линк (link) —физический канал связи между параллельно работающими процессорами — пришёл из транспьютеров, а протокол транспьютерного линка стал стандартом IEEE.