Dsp seminario
- 1. Università Degli Studi Di Genova Corso Di Implementazione Di Linguaggi A.A. 2010/2011 DSPs – Digital Signal ProcessorsDSPs – Digital Signal Processors PAOLO FARINA 1
- 2. DSP – DIGITAL SIGNAL PROCESSING DIGITAL SIGNAL PROCESSING: è una tecnica di analisi ed elaborazione digitale dei segnali che si basa sull'uso di processori dedicati, con un elevato grado di specializzazione. - Lo scopo del DSP è di solito la misura o il filtraggio di segnali analogici del 2 - Lo scopo del DSP è di solito la misura o il filtraggio di segnali analogici del mondo reale è quindi necessario prima convertire il segnale analogico in digitale attraverso un apposito convertitore (ADC – Analog to Digital Converter) ed eventualmente riconvertire il segnale digitale in segnale analogico attraverso un altro convertitore (DAC – Digital to Analog Converter) DSPADC DACInput Output
- 3. SEGNALI DIGITALI E SEGNALI ANALOGICI SEGNALE ANALOGICO: In generale, un segnale analogico è la rappresentazione o trasformazione di una grandezza fisica tramite una sua analoga. - In elettronica per analogico si intende il modo di rappresentare il segnale elettrico all'interno di una data apparecchiatura; il segnale è detto analogico quando i valori utili che lo rappresentano sono 3 è detto analogico quando i valori utili che lo rappresentano sono continui (infiniti). - La rappresentazione numerica di una grandezza analogica è quasi sempre data da un numero reale (con precisione teoricamente infinita) o da una loro combinazione. Esempi: lancette dell’orologio (tempo), termometro di mercurio (temperatura), segnale elettrico (segnale acustico)
- 4. SEGNALI DIGITALI E SEGNALI ANALOGICI DIGITALE: In informatica ed elettronica con digitale ci si riferisce a tutto ciò che viene rappresentato con numeri o che opera manipolando numeri. SEGNALE DISCRETO: Per segnale discreto o segnale discreto nel tempo si intende una successione di valori di una certa grandezza dati in corrispondenza di una serie di valori discreti 4 grandezza dati in corrispondenza di una serie di valori discreti nel tempo. SEGNALE DIGITALE: Un segnale digitale è un segnale discreto che può assumere soltanto valori appartenenti ad un insieme discreto
- 5. SIGNAL PROCESSING I segnali possono essere elaborati in moltissimo modi differenti: • Conversione: Un segnale analogico è convertito in una sequenza discreta di valori rappresentati in modo digitale • Filtraggio: Processo attraverso il quale un segnale viene modificato alterando le sue componenti e caratteristiche 5 alterando le sue componenti e caratteristiche • Smoothing: consiste nell'applicazione di una funzione di filtro il cui scopo è evidenziare i pattern significativi, attenuando il rumore generato da artefatti ambientali. • Digitalizzazione: è il processo di conversione, che applicato alla misurazione di un fenomeno fisico ne determina il passaggio dal campo dei valori continui a quello dei valori discreti. • Compressione • Modulazione
- 6. APPLICAZIONI DEL DSP Il Digital Signal Processing e conseguentemente i Digital Signal Processors sono utilizzati in un’ampia gamma di applicazioni e dispositivi. Per esempio: • Telefonia e Fax 6 • Telefonia e Fax •Sistemi Radar •Sistemi Audio: microfoni, amplificatori, sintetizzatori ecc. •Sonar •TV digitale •Sistemi multimediali: pc, periferiche I/O, controller •Automazione e Process Control (servodrive) •Sistemi Video: videocamere, editing video
- 7. DSP SOFTWARE Per lo sviluppo di applicazioni per il DIGITAL SIGNAL PROCESSING si usano solitamente gli stessi linguaggi che si usano per le applicazioni scientifiche e ingegneristiche: il C, BASIC e il linguaggio ASSEMBLY Ciascuno dei tre linguaggi citati è usato in differenti contesti, in relazione 7 È molto importante durante lo sviluppo di algoritmi per il DSP, come ad esempio la creazione di un filtro, tenere presente l’ERRORE associato alla rappresentazione dei numeri. Ciascuno dei tre linguaggi citati è usato in differenti contesti, in relazione all’esperienza del programmatore e al livello di astrazione a cui si intende gestire le istruzioni.
- 8. DSP SOFTWARE - LIVELLI Un microprocessore DSP è solitamente dotato di molte funzionalità integrate, per esempio filtri , I/O analogici e I/O digitali, questo potrà essere programmato in modi differenti, in base a ciò che il costruttore fornisce. Assembler: che costringe il programmatore a studiare l’architettura interna del 8 Assembler: che costringe il programmatore a studiare l’architettura interna del dispositivo per scrivere programmi in assembler che usano uno specifico instruction set Compilatore C: che permette di scrivere programmi in C astraendo dalla specifica architettura del processore Software ad alto livello provvisto di librerie specifiche con algoritmi e funzioni prefabbricate, routines di I/O e strumenti per il debugging.
- 9. DSP SOFTWARE – STRUTTURA SVILUPPO AMBIENTE DI SVILUPPO C/Basic Compilatore Scheda Di Programmazione 9 Assembler Compilatore DSP
- 10. DSPs – DIGITAL SIGNAL PROCESSORS Il Digital Signal Processor è un microprocessore ottimizzato per eseguire in maniera estremamente efficiente sequenze di istruzioni ricorrenti (come ad esempio somme, moltiplicazioni e traslazioni) nel condizionamento di segnali digitali. Manipolazione Dei Dati Calcoli Matematici 10 Sistemi Operativi, word processing, gestione di DB, fogli di calcolo, ecc. Elaborazione dei segnali digitali, controllo di sistemi, simulazioni. Movimentazione di dati (A- >B) e Verifica di condizioni (if A==B then…)v Addizioni (A+B =C) Moltiplicazioni (AxB=C) Applicazioni Tipiche Operazioni Principali Microprocessori Tradizionali DSP
- 11. DSPs – ARCHITETTURA Architettura di Von Neumann: Contiene una sola memoria e un solo bus per il trasferimento dei dati. Per moltiplicare due numeri sono necessari tre cicli di clock. Memoria Dati e Istruzioni CPUAddress bus Bus dati 11 Architettura Harvard: caratterizzata dalla separazione dei dati e dalle istruzioni del programma attraverso bus separati. (Largamente usata) Dati e Istruzioni Bus dati Memoria di Programma Solo Istruzioni CPUPM address bus PM data bus Memoria Dati Solo dati DM address bus DM data bus
- 12. DSPs – ARCHITETTURA Architettura Super Harvard: simile all’architettura Harvard ma con l’aggiunta di funzionalità che ne aumentano il throughput, per esempio con l’aggiunta di un instruction cache e un I/O controller Memoria di Programma Istruzioni e Dati CPUPM address bus PM data bus Memoria Dati DM address bus DM data busCache 12 Instruction Cache: contiene solitamente le ultime n istruzioni del programma e viene utilizzata quando si presentano dei loop. I/O Controller: controller dell’Input/Output per trasferimento dati in memoria ad alta velocità. Istruzioni e Dati Secondari PM data bus Solo dati DM data busCache Istruzioni I/O ControllerDati
- 13. DSPs – ARCHITETTURA INTERNA Memoria Programma Istruzioni e Dati secondari Memoria Dati Solo Dati PM Data Address Generator DM Data Address Generator Program Sequencer Instruction Cache DM address busPM address bus 13 I/O Controller (DMA) Registri Dati Shifter ALU Multiplier PM data bus High Speed I/O (serial, parrarel, ADC, DAC, ecc.) DM data bus
- 14. DSPs – ARCHITETTURA INTERNA DATA ADDRESS GENERATOR: uno per ognuna delle due memorie. Controllano gli indirizzi mandati dalle memorie dati e programma specificando dove le informazioni devono essere lette o scritte. Controllano i buffer circolari. DATA REGISTERS: registri dati usati come nelle normali CPU (flag, data buffer, ecc.) 14 MULTIPLIER: prende i valori da due registri, li moltiplica e salva il risultato in un altro registro. ALU: effettua addizioni, sottrazioni, valori assoluti, operazoni logiche, conversioni da virgola fissa a virgola mobile ecc. BARREL SHIFTER: effettua operazioni binarie elementari come shiftare, ruotare, estrarre, e depositare segmenti. SHADOW REGISTERS: sono registri duplicati che possono essere usati al posto di loro corrispettivi registri dati in un singolo ciclo di clock. (Usati per il Fast context switching)
- 15. DSPs – FIXED versus FLOATING POINT I Digital Signal Processors possono essere divisi in due categorie, a virgola fissa e a virgola mobile, in riferimento al formato di salvataggio e manipolazione dei dati all’interno del dispositivo. Fixed point DSPs Solitamente si utilizza il formato a 16 bit. (Ma anche a 24 bit come alcuni 15 Fixed point DSPs bit. (Ma anche a 24 bit come alcuni prodotti Motorola) Floating point DSPs Solitamente si utilizza il formato a 32 bit. I valori massimo e minimo rappresentabili sono rispetivamente: ±3.4×10^38 e ±1.2×10^-38
- 16. DSPs – Buffer Circolari Nei DSP viene implementata in hardware la gestione dei buffer circolari per supplire alla carenza di memoria derivante da alcune operazioni. (Lettura del campione nei filtri FIR) Per la gestione dei Buffer Circolari sono necessari 4 parametri: - Puntatore al primo indirizzo di memoria usato 16 - Puntatore al primo indirizzo di memoria usato -Puntatore all’ultimo indirizzo - Step - Puntatore al valore più recente Nei DSPs questi parametri sono mappati su appositi registri
- 17. DSPs – Buffer Circolari 17
- 18. DSPs – In Definitiva • Funzioni general-purpose: – Registri, accumulatore, ALU, etc – Anche dal punto di vista della programmazione si comportano come processori general purpose A cui si aggiungono il supporto per la rapida esecuzione delle istruzioni tipiche del loro dominio 18 • Accesso efficiente ai dati Tramite bus multipli • Indirizzamento efficiente dei dati Dag, buffer circolari • Elevata capacità di interfacciamento Elevato numero di pin e interfacce di I/O • Tempi di esecuzione predibili
- 19. DSPs – PANORAMICA STORICA Le origini dei DSPs risalgono agli anni settanta quando divennero disponibili i primi computer digitali Il primo DSPs monolitico venne lanciato sul mercato nel 1978 da Intel (Intel 2920), era dotato di Alu priva di moltiplicatore e un’architettura Harvard VLIW(very long instruction word) di 24 bit. 19 VLIW(very long instruction word) di 24 bit. Raggiungeva in 2.5 MIPS (Million Instruction per Second) Nel 1982 la Texas Instruments produce il suo primo dispositivo DSP, un microprocessore dalle funzioni estremamente specializzate in grado di eseguire in tempi velocissimi elaborazioni di segnali digitali.
- 20. DSPs – TMS320C6457 CORE Gestione memoria esterna con phased-locked loop Coprocessori per le operazioni di decodifica dei segnali. Ethernet Media Access Controller interfaccia per supporto standard 20 supporto standard ethernet 10/100/1000 Timer General-Purpouse I/O Port
- 21. DSPs – TMS320C6457 CPU La C64x+CPU consiste in 8 unità funzionali 2 register files e 2 data paths: • Le 8 unità funzionali sono in grado di eseguire una istruzione per ogni ciclo di colck. -.M = operazioni di moltiplicazione 21 -.M = operazioni di moltiplicazione -.S, .L= possono eseguire svariate f unzioni logiche e aritmetiche, .L(ALU) può operare somme e sottrazioni in parallelo su una coppia di input comuni -.D= carica i dati dalla memoria al registro e salva il risultato dal registro alla memoria. Frequenza da 850 MHz, 1 e 1.2 GHz
- 22. DSPs – TMS320C6457 CPU • Ulteriori funzionalità includono: SPLOOP: Un piccolo buffer per le istruzioni che aiuta la CPU nella creazione di software pipelining loops dove iterazioni multiple di un ciclo sono eseguite in parallelo Compact Instructions: Istruzioni molto comuni possono essere espresse a 16 bit invece che a 32. 22 Exception Handling: aiuta il programmatore nell’isolamento dei bugs. Privilege: definisce 2 livelli di operatività, user e superuser fornendo al sistema operativo un sistema di protezione delle risorse a basso livello. Time-Stamp Counter: realizzato per sistemi operativi real time, un free-running time stamp counter è implementato nella CPU.
- 23. DSPs – TMS320C6457 Unità Funzionali 23
- 24. DSPs – TMS320C6457 Unità Funzionali 24
- 25. DSPs – PARTE DELL’INSTRUCTION SET Valore Assoluto Somma tra due numeri Somma tra due numeri usando il doubleword addressing mode 25 AND logico tra due numeri Inverte l’ordine dei bit in una parola di 32 bit
- 26. DSPs – DSP con FPGA Al posto dei tradizionali Digital Signal Processor si possono sviluppare FPGA(Field Programmable Gate Array) specifici per il Digital Signal Processing . CARATTERISTICHE: Flessibilità: gli FPGA possono essere riprogrammati in poco tempo. Revisioni sul design possono essere implementate in poco tempo. 26 design possono essere implementate in poco tempo. Costi Bassi: gli FPGA sono prodotti generici prodotti in grandi quantitativi, per cui il costo è considerevolmente basso. Basso Tempo di Sviluppo: la flessibilità degli FPGA elimina i lunghi cicli per il design associati agli ASICs.
- 27. DSPs – DSPs con FPGA CAUSE DELLA LIMITATA DIFFUSIONE: Poca esperienza nell’uso di questi dispositivi per intensa applicazione di calcolo Gli algoritmi sviluppati per microprocessori possono essere difficili da tradurre in 27 Gli algoritmi sviluppati per microprocessori possono essere difficili da tradurre in hardware Scarsa disponibilità di tools per FPGA progettati per lo sviluppo di DSP Il successo di un FPGA DSP è strettamente dipendente dall’esperienza del progettista soprattutto nello sviluppo di algoritmi per l’efficienza dell’hardware
- 28. DSPs – DSPs con FPGA – ALTERA STRATIX V L’ALTERA STRATIX V GS è un FPGA ottimizzato per l’implementazione di DSP 28 Più di 1 milione di elementi logici (Les) Più di 50 Mb di memoria Ottimizzazione delle prestazioni specifiche per le applicazioni di digital signal processing a precisione variabile
- 29. DSPs – DSPs con FPGA – ALTERA STRATIX V 29
- 30. DSPs – DSPs con FPGA – XILINX VIRTEX-6 Xilinx Virtex-6 LX240T include: • 769 DSP48E1 slices clocking at 600 MHz • 241K celle logiche •461 blocchi RAMs, 32 Kb ognuno 30 •461 blocchi RAMs, 32 Kb ognuno •24 buffer driver bidirezionali a bassa potenza I moduli DSP48E1 sono un’estensione dei moduli DSP48E presenti nei Vertex-5 e sono dei Digital Signal Processor pre-implementati sul FPGA.
- 31. DSPs – DSPs con FPGA – XILINX VIRTEX-6 DSP48E1 slice Le principali caratteristiche del Virtex-6 FPGA DSP48E1 sono: • Pre-Addizionatore a 25-bit con un registro D per migliorare le capacità del path. • Moltiplicatore 25 x 18 bit. 31 • Moltiplicatore 25 x 18 bit. • Un clock indipendente per una maggiore flessibilità • Modi operativi controllati dinamicamente dall’utente • Unità logiche a 48-bit • Registri opzionali di input, output e pipeline • Pattern Detector per rilevazione di underflow e overflow
- 32. DSPs – DSPs con FPGA – XILINX VIRTEX-6 DSP48E1 slice 32
- 33. Grazie per l’attenzione e … … BUONE FESTE! 33