6.2Построение процессоров с плавающей запятой
Возможность разработки процессоров для выполнения операций ЦОС с высокой скоростью, высокой точностью и использованием арифметики с плавающей запятой стала долгожданным открытием. Такие операции минимизируют влияние конечной разрядности, которое проявляется как переполнение, ошибки округления и ошибки квантования коэффициентов. Кроме того, такой подход облегчает разработку алгоритмов, поскольку разработчик может создать алгоритм на большом компьютере на языке высокого уровня, а затем перенести его на устройство ЦОС проще, чем он бы это сделал при арифметике с фиксированной запятой.
7Особенности построения специализированных цифровых сигнальных процессоров
Операции цифровой обработки сигналов являются вычислительно интенсивными. В приложениях с широкополосными сигналами, где скорость поступления (выдачи) данных велика, большинство универсальных процессоров ЦОС не могут достаточно быстро выполнить нужные вычисления.
Наиболее распространенной арифметической операцией в таких алгоритмах ЦОС, как цифровая фильтрация, корреляция и преобразования, является сумма произведений [24, 26]:
(2.1)
где ak — набор коэффициентов или переменных;
х — последовательность данных.
Характерное уравнение (2.1) можно для более эффективного вычисления суммы произведений записать в рекурсивной форме:
(2.2)
8Выводы по главе
В последние годы вопрос выбора процессора ЦОС для конкретного приложения становится важным, поскольку число доступных процессоров продолжает расти [20, 22, 23]. В число специфических факторов, которые следует рассмотреть при выборе процессора ЦОС для данного приложения, входят архитектурные особенности, скорость выполнения, тип арифметики и длина слова.
1. Архитектурные особенности. Большинство доступных сейчас процессоров ЦОС имеют хорошие архитектуры, ресурсов которых, впрочем, может не хватать для определенного приложения, особенно криптографического. Ключевыми характеристиками процессоров являются размер встроенной памяти, наличие специальных команд и возможности ввода-вывода. Наличие встроенной памяти — необходимое требование в большинстве приложений ЦОС реального времени, поскольку это означает быстрый доступ к данным и быстрое выполнение программы. В зависимости от приложения важен богатый набор специальных команд поддержки операций ЦОС, например, возможность организации циклов с нулевыми служебными издержками, специализированные команды ЦОС и круговая адресация.
2. Скорость выполнения. Поскольку большинство задач ЦОС требует срочного решения, важной мерой производительности является скорость процессоров ЦОС. Традиционно двумя основными единицами измерения этой величины являются тактовая частота процессора в мегагерцах и число выполняемых команд в миллионах команд за секунду (Million Instructions Per Second — MIPS) или, если используются процессоры ЦОС с плавающей запятой, в миллионах операций с плавающей запятой в секунду (million floating-point operations per second - MFLOPS). Впрочем, подобные меры могут в некоторых случаях не подходить из-за значительных отличий в принципах работы различных процессоров ЦОС, большинство из которых может выполнять несколько операций в одной машинной команде. Например, в семействе процессоров С62х возможно выполнение восьми команд за такт. Для разных процессоров также отличается число операций, выполняемых в каждом такте. Следовательно, сравнивать скорости работы процессоров на основе названных выше мер бессмысленно. Альтернативная мера основана на скорости выполнения контрольных алгоритмов [20]- например, центральных алгоритмов ЦОС, таких как БПФ, КИХ- и БИХ- фильтрация.
3. Тип арифметики. Двумя наиболее распространенными типами арифметики, используемыми в современных процессорах ЦОС, являются арифметики с фиксированной и плавающей запятой. Арифметика с плавающей запятой — это естественный выбор в приложениях с широкими и переменными требованиями к динамическому диапазону (динамический диапазон можно определить как разность между наибольшим и наименьшим уровнем сигнала, который можно представить, или как разность между наибольшим сигналом и минимальным уровнем шума, измеренными в децибелах). Процессоры с фиксированной запятой предпочтительны с точки зрения низкой стоимости, они подходят для массового производства (например, сотовые телефоны и компьютерные дисководы). При использовании арифметики с фиксированной запятой возникают вопросы, связанные с ограничениями динамического диапазона, которые обязательно должен рассмотреть разработчик
4. Длина слова. Еще одним важным параметром в ЦОС является длина слова данных процессора, поскольку она может существенно влиять на качество обработки сигнала. Этот параметр определяет, насколько точно можно представить параметры и результаты операций ЦОС.