Основы построения процессоров цифровой обработки сигналов

2.1 Архитектура фон Неймана и гарвардская архитектура

На рис. 2 показана традиционная структура вычислительной системы, соответствующая «фон-неймановской» вычислительной машине. Американский математик Д. фон Нейман (1903—1957) предложил концепцию вычислительной машины (и в частности, хранимой в памяти программы), которая лежит в основе большинства современных машин. Одним из основных моментов этой концепции является то, что система обладает единой памятью, в которой хранятся и команды программы, и данные. Система содержит одну шину данных (ШД), по которой передаются и команды программы, и данные. Следовательно, в такой системе требуется три цикла для выборки команды и двух сомножителeй (то есть для выполнения операции MAC).

В процессорах ЦПОС применяется  гарвардская архитектура вычислительной системы, приведенная на рис. 3. Подобная архитектура названа по работе, выполненной в 40-х годах XX века в университете Гарварда под руководством Г. Айкена (1900—1973). В соответствии с этой концепцией для хранения программы (команд) и данных используются различные устройства памяти. Соответственно в системе имеется два комплекта шин для этих устройств: шина адреса памяти программ (ШАПП), шина данных памяти программ для работы с памятью программ (ПП) и шина адреса памяти данных (ШАПД), шина данных памяти данных (ШДПД) для работы с памятью данных (ПД). В системе с гарвардской архитектурой можно одновременно производить операции обращения к различным устройствам памяти, т. е. синхронно выбирать команду из памяти программ ПП по шине ШДПП и сомножитель из памяти данных ПД по шине ШДПД. Соответственно при этом для выполнения операции MAC требуется два цикла работы процессора. Реально за счет различных дополнительных мер почти всегда время операции MAC сводится к одному циклу. Различные варианты реализации операции рассмотрены ниже. В частности, ПП иногда используется не только для хранения команд, но и данных. Поэтому при описаниях ЦПОС говорят о модифицированной гарвардской архитектуре.

Рис. 2. Архитектура фон Неймана

 

Рис. 3. Гарвардская архитектура

Следует лишь иметь в виду, что  несколько комплектов шип для  одновременной выборки данных и  команд из ПД и ПП используются только внутри кристалла ЦПОС при работе с внутренней памятью процессора. Для обращения к внешней памяти во всех процессорах применяется  один комплект внешних шип — ВША  и ВШД. Это определяется ограничениями, накладываемыми технологией на количество выводов ИС. Поэтому разработчики систем ЦОС стремятся использовать только внутреннюю память, и процессоры выпускаются с большой внутренней памятью как ПП, так ПД. При  Использовании внешней памяти, особенно для хранения программы и данных, увеличивается время, затрачиваемое  на выполнение операции.

 

2.2 Структура цифрового процессора обработки данных.

На рис. 4 представлена обобщенная структура ЦПОС, отражающая только основной состав узлов процессора и  их взаимодействие.

Для хранения информации в процессоре используются память программ ПП и память данных ПД, которые связаны с другими устройствами шинами. ЦПОС имеет шины различного назначения. Шина адреса ПП ШАПП предназначена для передачи адресов ячеек памяти программ. Шина данных ПП ШДПП служит для передачи команд, хранимых в памяти программ, а также данных при использовании ПП для хранения данных (например, таблиц коэффициентов цифровых фильтров). Шины адреса ПД ШАПД, и данных ПД ШДПД применяются для передачи адреса и данных памяти данных. Количество шин, особенно шин данных в различных процессорах существенно отличается. Увеличение количества ШДПД связано с увеличением производительности процессоров за счет одновременной передачи данных для использования в различных модулях. Это дает возможность модулям одновременно выполнять определенные операции. В некоторых процессорах (например, TMS320C5000) производится разделение функции шины данных: используются различные шины данных для чтения и записи информации.

Все ЦПОС имеют внутреннюю (внутрикристальную) память. Однако внутренней памяти процессора иногда оказывается недостаточно для хранения программ и данных. Кроме того, процессор может не иметь внутренней памяти типа ПЗУ для хранения программы, которая не изменяется. В этих случаях может использоваться внешняя память, связь с которой осуществляется через интерфейс внешних шин и внешние шины адреса ВША и данных ВШД. Как уже указывалось ранее, количество внешних шин ограничено двумя, поэтому при использовании внешних ПП и ПД одновременное обращение к ним может вызвать конфликт и задержку операции чтения или записи. Внешние шины могут использоваться не только для обращения к внешней памяти, но и к другим адресуемым устройствам, например параллельным портам.

Устройство управления выполнением программы в соответствии с командами читаемыми из ПП, вырабатывает сигналы управления работой всех узлов процессора. Оно связано с регистрами состояния и управления. В эти регистры, адресуемые как ячейки памяти, заносится на этапе инициализации системы различная информация, управляющая работой процессора, например информация об используемой конфигурации памяти и распределении адресов между внешней и внутренней памятью. В эти же регистры заносится информация о текущем состоянии процессора, например, о наличии на входе запроса на прерывание.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Обобщенная функциональная схема ЦПОС

На устройство управления от внешних  устройств ВУ поступают запросы  на прерывания основной программы работы. Как уже отмечалось. ЦПОС, как 

правило, работают с ВУ и их сигналами  в реальном масштабе времени. Работа в режиме с прерываниями и в частности, ввод/вывод информации по прерываниям позволяют процессору согласовывать свою работу и прием/выдачу сигналов со скоростью (частотой) работы ВУ. Ввод/вывод информации от ВУ осуществляется через устройства ввода/вывода, в качестве которых в основном применяются различного вида последовательные порты.

ЦПОС имеют большое количество периферийных модулей, состав и количество которых определяются назначением процессора. Все процессоры имеют различные таймеры, предназначенные, скажем, для генерации сигналов необходимых частот (например, частоты дискретизации внешнего АЦП) и внутренних запросов на прерывания по таймеру, с помощью которых можно организовать временной опрос внешних датчиков информации.

АЛУ, умножитель и дополнительные функциональные узлы предназначены для выполнения операций над обрабатываемой информацией. Принципы их построения определяют производительность процессора.

Устройство генерации адреса (УГА) формирует адреса данных, извлекаемых  из ПД. Для одновременной выборки нескольких операндов необходимо формировать одновременно несколько адресов. Для этого и процессор может иметь несколько УГА. Эти устройства включают в себя арифметические модули для вычисления адресов при различных сложных методах адресации.

2.3 ЦПОС с фиксированной и плавающей точкой

Процессоры с фиксированной (ФТ) и плавающей точкой (ПТ) отличаются способностью обрабатывать сигналы и данные, использующие соответствующие формы представления. При этом следует иметь в виду, что все процессоры с ПТ имеют набор команд для обработки данных как с ФТ, так и с ПТ, т. е. являются в этом смысле универсальными.

С другой стороны, в процессорах с ФТ всегда можно организовать обработку данных с ПТ, но программным образом. Соответствующие программы преобразования и обработки данных требуют достаточно много времени для выполнения.

Основные отличия процессоров  с ФТ и ПТ заключаются в следующем:

• Функциональные модули, выполняющие арифметические операции и операции умножения, в процессорах с ПТ по сравнению с ЦПОС с ФТ гораздо сложнее, т. к. алгоритмы выполнения операций над числами с ФТ и ПТ существенно отличаются.
• Процессоры с ПТ имеют более разнообразные типы представления данных, системы команд для обработки данных как с ФТ, так и ПТ и их взаимного преобразования.
• Разрядность внутреннего представления данных в процессорах с ПТ как правило 32 разряда, в некоторых ЦПОС возможно использование укороченной формы представления.

Усложнение процессоров с ПТ приводит к тому, что их цена становится выше чем у процессоров с ФТ. Однако для многих применений это окупается большими преимуществами ЦПОС с ПТ. Основные преимущества сводятся к следующему:

• При использовании 32 разрядов и ПТ существенно повышается точность внутреннего представления данных.
• Существенно расширяется возможный динамический диапазон сигналов и данных, т. е. отношение максимально возможного к минимально возможному значению сигнала и соответственно отношение сигнал/шум.
• При использовании процессоров с ПТ снимается проблема масштабирования данных с целью избежать переполнения при выполнении различных операций и особенно операций накопления.
• Большое разнообразие типов данных и особенно данных с ПТ приводит к тому, что архитектура ЦПОС с ПТ становится более дружественной для компиляторов с языка С; это в свою очередь позволяет получать более эффективные программы в ЦПОС с ПТ при использовании языков высокого уровня.

Достоинства процессоров  с ПТ приводят к тому, что при их использовании построение системы ЦОС становится более легким и быстрым.

2.4 Основные типы ЦПОС

Как уже отмечалось выше, особенности архитектуры ЦПОС определяются тем, каким образом он реализует  алгоритмы ЦОС. Исследование вариантов  реализации типичных алгоритмов ЦОС и их вычислительных требований является лучшим способом для изучения и понимания развития архитектуры ЦПОС.

Процессоры можно разделить, с точки зрения архитектуры, на следующие основные типы:

• стандартные процессоры (conventional);
• улучшенные стандартные процессоры (enhanced conventional);
• процессоры VLIW (очень длинное слово команды);
• суперскалярные процессоры (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 является полезной для определения особенностей построения и архитектуры процессоров.

 

 

Глава 3. Применение цифровой обработки сигналов.

3.1 Шумоподавление для звука

Звуковой сигнал, записываемый в реальных акустических условиях, часто содержит нежелательные шумы, которые могут порождаться окружающей средой или звукозаписывающей аппаратурой. Один из классов шумов - аддитивные стационарные шумы.

Аддитивность означает, что шум суммируется с "чистым" сигналом и не зависит от него.

Стационарность означает, что свойства шума (мощность, спектральный состав) не меняются во времени.

Примерами таких шумов  могут являться постоянное шипение  микрофона или усилительной аппаратуры, гул электросети. Работа различных  приборов, не меняющих звучания по времени (вентиляторы, компьютеры) также может  создавать шумы, близкие к стационарным. Не являются стационарными шумами различные  щелчки, удары, шелест ветра, шум автомобилей.

Для подавления аддитивных стационарных шумов существует алгоритм спектрального вычитания. Он состоит из следующих стадий:

1. Разложение сигнала  с помощью кратковременного преобразования  Фурье (STFT) или другого преобразования, компактно локализующего энергию  сигнала. 

2. Оценка спектра шума.

3. «Вычитание» амплитудного спектра шума из амплитудного спектра сигнала.

4. Обратное преобразование STFT - синтез результирующего сигнала. 

В качестве банка фильтров рекомендуется использовать STFT с  окном Ханна длиной порядка 50 мс и степенью перекрытия 75%. Амплитуду  весового окна надо отмасштабировать так, чтобы при выбранной степени  перекрытия окон банк фильтров не менял  общую амплитуду сигнала в  отсутствие обработки.

Оценка спектра шума может  осуществляться как автоматически, путем поиска участков минимальной  энергии в каждой частотной полосе, так и вручную, путем анализа  спектра на временном сегменте, который  пользователь идентифицировал как  шум.

Одна из проблем метода спектрального вычитания – т.н. «музыкальный шум». Он появляется вследствие того, что коэффициенты STFT шумовых сигналов статистически случайны, что приводит к их неравномерному подавлению. В результате, очищенный сигнал содержит кратковременные и ограниченные по частоте всплески энергии, которые на слух воспринимаются как «колокольчики» или «льющаяся вода». В некоторых случаях этот эффект даже менее желателен, чем исходный подавляемый шум.

Для подавления этого эффекта можно применять следующие методы:

• Завышение оценки шумового порога. Приводит к подавлению слабых компонент полезного сигнала, звук становится глуше.

• Неполное подавление шума (ограничение снизу константой, отличной от нуля). Часть шума остается в сигнале  и отчасти маскирует «музыкальный шум».

• Сглаживание по времени  оценок спектра. Приводит к размытию или подавлению транзиентов (резких всплесков в сигнале: ударов, атак музыкальных инструментов).