Основы построения процессоров цифровой обработки сигналов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГАОУ ВПО «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

КАФЕДРА ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ И КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

по дисциплине

«Информационно-логические и алгоритмические основы вычислительной техники»

на тему:

«ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРОЦЕССОРОВ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ»

 

 

Выполнил:

-----------------

студент 2 курса группы А

направления (специальности) «Прикладная математика и информатика» очной формы обучения

________________________

(подпись)

 

Руководитель  работы:

Гладков А.В., ст. преподаватель  кафедры прикладной математики и  компьютерных технологий

 

Работа допущена к защите _______________________   ______________

      (подпись руководителя)   (дата)

 

Работа выполнена и

защищена с оценкой _________________________ Дата защиты______________

 

Члены комиссии:  ________________  __________  _______________

(должность)   (подпись)   (И.О. Фамилия)

 

________________ _______________  _______________

________________ _______________  _______________

 

 

 

 

 

Ставрополь, 2013 г. 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ           3

Глава 1. Реализация цифровой обработки сигналов      5

Глава 2. Общие принципы построения ЦПОС и особенности их архитектуры 8 2.1 Архитектура фон Неймана и гарвардская архитектура    9

2.2 Структура ЦПОС                 11

2.3 ЦПОС с фиксированной и плавающей точкой            14

2.4 Основные типы ЦПОС                15

Глава 3. Применение цифровой обработки сигналов                                        16

3.1 Шумоподавление для  звука                            16

3.2 Передискретизация                 18

3.3 Антиалиасинг изображений               20

3.4 Псевдотонирование изображений              22

3.5 Выравнивание освещенности  изображений             24

3.6 Другие применения                 26

ЗАКЛЮЧЕНИЕ                  27

ЛИТЕРАТУРА 28

 

 

 

 

Введение

 

Процессор цифровой обработки сигналов (ПЦОС) - это специализированный программируемый микропроцессор, предназначенный для манипулирования в реальном масштабе времени потоком цифровых данных.

Первые ЦПОС, появившиеся в начале 80-х годов XX века, представлялись потребителям сугубо специализированными. В настоящее время они используются в очень многих конструктивных решениях: автомобилях. ЭВМ, музыкальных инструментах, видеотехнике, медицинской аппаратуре. Этот список может быть бесконечным, причем сфера использования ЦПОС непрерывно расширяется.

ПЦОС являются также мощными ускорителями для персональных компьютеров (мультимедийные приложения, трёхмерная графика и др.).

ПЦОС широко используются для обработки потоков графической информации, аудио- и видеосигналов.

Любой современный компьютер  оснащен центральным процессором  и только немногие — процессором  цифровой обработки сигналов. Центральный процессор, очевидно, представляет собой цифровую систему и обрабатывает цифровые данные, поэтому на первый взгляд неясна разница между цифровыми данными и цифровыми сигналами, то есть теми сигналами, которые обрабатывает ПЦОС.

К цифровым сигналам, в общем  случае, естественно отнести все  потоки цифровой информации, которые  формируются в процессе телекоммуникаций. Главное, что отличает эту информацию, — она не обязательно заносится  в память (и поэтому может оказаться  недоступной в будущем), следовательно, обрабатывать ее нужно в режиме реального  времени.

Число источников цифровой информации практически неограниченно. Так, например, загружаемые файлы  в формате MP3 содержат цифровые сигналы, собственно и представляющие звукозапись. В некоторых камкодерах выполняется оцифровка видеосигналов и их запись в цифровом формате. В некоторых моделях беспроводных и сотовых телефонов перед передачей также производится преобразование голоса в цифровой сигнал.

Процессоры цифровой обработки сигналов принципиально отличаются от микропроцессоров, образующих центральный процессор настольного компьютера. По роду своей деятельности центральному процессору приходится выполнять объединяющие функции. Он должен управлять работой различных компонентов аппаратного обеспечения компьютера, таких как дисководы, графические дисплеи и сетевой интерфейс, с тем чтобы обеспечить их согласованную работу.

Это означает, что центральные  процессоры настольных компьютеров  имеют сложную архитектуру, поскольку  должны поддерживать такие базовые  функции, как защита памяти, целочисленная  арифметика, операции с плавающей  запятой и обработка векторной  графики.

В итоге типичный современный  центральный процессор поддерживает несколько сот команд, которые  обеспечивают выполнение всех этих функций. Следовательно, нужен модуль декодирования  команд, который позволял бы реализовывать  сложный словарь команд, а также  множество интегральных схем. Они, собственно, и должны выполнять действия, определяемые командами. Иными словами, типичный процессор в настольном компьютере содержит десятки миллионов транзисторов.

ПЦОС, напротив, должен быть «узким специалистом». Его единственная задача — изменять поток цифровых сигналов, и делать это быстро. ПЦОС состоит главным образом из высокоскоростных аппаратных схем, выполняющих арифметические функции и манипулирующих битами, оптимизированных с тем, чтобы быстро изменять большие объемы данных.

В силу этого набор команд у ПЦОС куда меньше, чем у центрального процессора настольного компьютера; их число не превышает 80. Это значит, что для ПЦОС требуется облегченный декодер команд и гораздо меньшее число исполнительных устройств. Кроме того, все исполнительные устройства в конечном итоге должны поддерживать высокопроизводительные арифметические операции. Таким образом, типичный ПЦОС состоит не более чем из нескольких сот тысяч транзисторов.

Являясь узкоспециализированным, ПЦОС отлично справляется со своей работой. Его математические функции позволяют непрерывно принимать и изменять цифровой сигнал (такой, как звукозаписи в MP3 или запись разговора по сотовому телефону), не тормозя передачу информации и не теряя ее. Для повышения пропускной способности ПЦОС оснащается дополнительными внутренними шинами данных, которые обеспечивают более быстрый перенос данных между арифметическими модулями и интерфейсами процессора.

 

 

Глава 1. Реализация цифровой обработки сигналов

 

Реальные сигналы, как правило, являются аналоговыми (речь, музыка, информация с датчиков, например, температурных, и т. д.). Обработка сигналов может производиться аналоговой и цифровой системами. Общая структура цифровой системы обработки информации приведена на рис. 1.

Рис. 1. Система цифровой обработки сигнала

 

АЦП (аналого-цифровой преобразователь) формирует из аналогового сигнала  цифровой. ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) осуществляет обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый. Последнее преобразование не требуется  в системах, где на основе обработки  сигнала выносится некоторое  решение, и нет необходимости  восстанавливать исходный аналоговый сигнал. Порты ввода/вывода осуществляют ввод цифрового сигнала для обработки в вычислитель и, при необходимости, вывод результатов. Если цифровой вычислитель и источник сигнала (или получатель сигнала) разнесены территориально, в систему обработки входят устройства передачи сигнала по каналам связи, причем может передаваться как цифровой (с выхода АЦП по цифровым каналам связи), так и аналоговый сигнал. В последнем случае на вход АЦП поступает сигнал из канала связи.

Цифровая обработка сигнала (ЦОС) в вычислителе может выполняться  разными способами с помощью  самой разнообразной элементной базы.

Вычислитель может быть реализован аппаратным способом (устройство с  жесткой логикой) и программным методом. Элементная база включает различные непрограммируемые (работающие не под управлением программы) и программируемые устройства. К непрограммируемым элементам относятся интегральные схемы ASICs (Application Specific Integrated Circuits, специализированные или проблемно-ориентированные интегральные схемы) PLDs (Programmable Logic Devices, программируемые логические устройства), FPGA (Field Programmable Gate Arrays). Программируемыми элементами являются микроконтроллеры, универсальные процессоры общего назначения разного типа (RISC и CISC), и, наконец, ЦПОС (цифровые процессоры обработки сигнала). Следует отметить, что устройства типа PLD, FPGA "программируются" для реализации ими определенной функции. В результате получается некоторая специализированная интегральная схема. На основе схем типа PLD возможно получение и программируемого процессора, в том числе процессора цифровой обработки сигнала.

Не существует и невозможно построить  цифровой процессор, эффективно выполняющий  любые прикладные программы. Для  каждой задачи можно подобрать наиболее подходящий и лучший по какому-то критерию процессор.

Эффективность и скорость решения  задач ЦОС при использовании  различной элементной базы будут  отличаться. Решение задачи ЦОС при  примерно равных тактовых частотах занимает приблизительно в три раза больше времени на универсальных процессорах по сравнению с процессорами ЦПОС. Например, в процессоре i8086 (первый 16-битный микропроцессор компании Intel, выпущенный 8 июня 1978 года) операция сложения занимает три такта, операция умножения больше 100 тактов, в то время как в ЦПОС для этих операций необходимо по одному такту.

Цифровой процессор обработки сигналов чаще всего определяется как процессор, предназначенный для выполнения обработки данных и решения задач анализа и управления в реальном масштабе времени с использованием "оцифрованных" реальных сигналов, в том числе и реализации алгоритмов ЦОС в реальном масштабе времени. Примером различия задачи решаемой в реальном и в нереальном масштабе времени, может служить задача обработки изображения. Обработка фотографии небесных объектов, передаваемых из космоса, может производиться достаточно долго на универсальных ЭВМ, в то время как обработка кадров кинофильма или кадров телевизионного изображения должна выполняться за некоторый промежуток времени, определяемый частотой смены кадров.

Для повышения производительности ЦПОС в них используются общие методы повышения производительности типа увеличения тактовой частоты работы. Однако главным образом применяются структурные и архитектурные решения, учитывающие специфику задач и алгоритмов ЦОС. Таким образом. ЦПОС являются специализированными или проблемно-ориентированными процессорами. Они во многих случаях обеспечивают преимущества при решении задач ЦОС по сравнению с другими вариантами реализации систем.

 

 

 

Глава 2. Общие принципы построения ЦПОС и особенности их архитектуры

 

Термин "архитектура" обычно используется для описания состава, принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных узлов вычислительной системы. Этот термин включает в себя также изложение возможностей программирования, форматов данных, системы команд, способов адресации и т. д. Таким образом, термин "архитектура" относится как к аппаратным средствам или программному обеспечению, так и к их комбинации.

С момента появления самых первых ЦПОС (1982 г.) их архитектура формировалась  алгоритмами ЦОС. Любые особенности  этих процессоров определяются требованиями, возникающими при реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов. Исследование типичных алгоритмов ЦОС и их вычислительных требований является лучшим способом для изучения и понимания развития архитектуры ЦПОС.

Традиционным простым примером, на котором иллюстрируются особенности алгоритмов ЦОС и ЦПОС, является алгоритм реализации КИХ-фильтра (фильтр с конечной импульсной характеристикой).

Выходной сигнал фильтра  определяется выражением

 

где x(n) – отсчеты входного сигнала; h(i) – коэффициенты фильтра.

В 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 прежде всего определяется возможностями обмена данными между ЦПУ и памятью процессора и организацией их взаимодействия.

Ниже рассматриваются различные  идеи и методы, используемые в ЦПОС для повышения производительности системы. Эти идеи являются общими для большинства процессоров и в той или иной форме сводятся к параллелизму — одновременной работе разнообразных модулей, одновременному выполнению разных операций в нескольких модулях.