2. Классификация.
Способы реализации алгоритмов ЦОС
Реализация алгоритмов ЦОС на основе специализированных БИС
Существует целый ряд устройств и алгоритмов, которые практически являются стандартными, и в больших количествах повторяются от разработки к разработке. Примером таких устройств могут служить узлы массовых коммуникационных средств, микросхемы сложных интерфейсов (PCI, PCMCI и т.д.), компоненты систем мультимедиа и видеообработки для массовых компьютеров и т.п. К сожалению, эти БИС обладают рядом недостатков, сдерживающих их применение в разработках российского производителя. Рассмотрим их подробнее
Во-первых, в России практически полностью отсутствует собственное производство и разработка массовых высокотехнологичных средств связи и компонентов вычислительной техники (отдельные попытки производить на мощностях ряда предприятий модули памяти высоким полетом технологии не отличаются). В этой связи приобрести подобные БИС для апробации практически невозможно. Вспоминается попытка приобрести в Москве комплект контроллеров интерфейса PCMCI. Несмотря на большое разнообразие заявленных в каталогах изделий различных производителей, реально заказать (о поставке со склада и мечтать было нечего!) партию для отработки так и не удалось. Приобрести же специализированный Фурье-процессор или фильтр представляется и вовсе нереальной задачей.
Во-вторых, адаптация стандартных компонентов для обработки сигналов под специализированную задачу требует применения дополнительных схем сопряжения, обвязки, зачастую нестандартных и вновь разрабатываемых, что практически сводит на нет все преимущества специализированных БИС. Изготовление же БИС по заказу практически невозможно из-за высокой стоимости. Широко рекламируемые предприятиями Зеленограда БМК (в частности Исполин 60Т) по своим характеристикам отстают от зарубежных аналогов (или прототипов?..) примерно на пять – десять лет.
В этой связи достаточно интересными и перспективными к применению в российских условиях представляются БИС, реализующие, с одной стороны, некоторые стандартные протоколы передачи данных, с другой стороны обладающие достаточной гибкостью и совместимостью на уровне программ со стандартными управляющими или сигнальными процессорами. Подобные БИС производят такие компании как Giga, Mitel, Teltone, Motorola, Siemens, Plessey, Zilog, Harris и ряд других (особенно японских и корейских) компаний. Некоторые из них имеют дилеров или дистрибьюторов в России. Так, фирма Zilog предлагает довольно широкую номенклатуру БИС для реализации систем передачи и обработки данных, обладающих, с одной стороны, поддержкой специфических функций, характерных для коммуникационных задач, с другой стороны, совместимых по программному коду и интерфейсу со стандартными аппаратными средствами. Данная программа создания БИС получила название Zilog superintegration TM , и в ее рамках разработаны следующие кристаллы:
- Z89C25 на 80% совместим по кодам с процессором TMS320C25, содержит ряд дополнительных инструкций для обеспечения функционирования дополнительных устройств, имеет 32 разрядные АЛУ и аккумулятор, 16 разрядный перемножитель. На этом же кристалле интегрированы полудуплексный кодек, контроллер протокола V.24, таймеры.
- Z01701 помимо ядра цифрового сигнального процессора содержит контроллеры протоколов V.17, V.29, V.27, V.21, совместим со спецификациями Т.30 и Т.4, имеет интегрированные фильтры.
- Z80382 обеспечивает поддержку шины PCMCI, интерфейсов GCI, Plug-and-play, асинхронного последовательного адаптера, имеет встроенное процессорное ядро.
Кроме вышеупомянутых БИС, Zilog выпускает достаточно широкую номенклатуру БИС контроллеров разнообразной периферии со встроенным процессорным ядром. Применение подобных кристаллов в разработках экспериментальных, мелко- и среднесерийных устройств позволит достигнуть высокого эффекта за приемлемую цену. По крайней мере, не придется заниматься изобретением велосипеда в части реализации стандартных протоколов и взаимодействия с собственным ядром обработки сигналов.
Другой класс специализированных БИС, заслуживающий внимания разработчиков – БИС для реализации специфических алгоритмов, такие как нейрочипы, процессоры для распределенных вычислений, обработки радиолокационной информации и другие. Несмотря на то, что их производство и применение находятся в зачаточном состоянии, многие современные алгоритмы реализовать другим путем практически невозможно.
Таким образом, применение специализированных БИС в современных российских условиях, к сожалению, почти не распространено и ограничивается в основном реализацией протоколов передачи данных.
Реализация алгоритмов ЦОС на основе цифровых сигнальных процессоров общего назначения
В настоящее время большое число разработчиков выбирают в качестве средства реализации алгоритмов цифровые сигнальные процессоры (ЦСП) общего назначения. В этом есть определенный резон, связанный с тем, что ЦСП достаточно распространены и доступны на рынке, имеют привлекательные цены. Главным преимуществом систем обработки сигналов на ЦСП является гибкость системы, возможность реализации адаптивных и обучающихся алгоритмов. Кроме того, отладочные средства начального уровня недороги, достаточна информационная поддержка, выпущена литература по применению на русском языке.
Лидером по разработке и производству ЦСП является компания Texas Instruments (TI). Далее по объему производства (1996-1997 годы) следуют Motorola и Lucent (AT&T). Как ни странно, занимающая на российском рынке ведущие позиции Analog devices находится на 4 месте. Тем не менее, ЦСП этой компании, пожалуй, наилучшим образом приспособлены к реализации широкого круга задач ЦОС. Их основное преимущество – широкая номенклатура программно полностью совместимых устройств с различным быстродействием и дополнительными периферийными элементами, с фиксированной и плавающей точкой. Наличие недорогих средств отладки позволяет использовать эти ЦСП в малобюджетных проектах.
Вместе с тем, ЦСП имеют ряд недостатков, которые безусловно приходится учитывать при разработке новых изделий. Во-первых, пока тактовая частота портов обмена данными ЦСП не превышает 100 МГц, что ограничивает область применения в системах радиодиапазона. Во-вторых, каждое семейство ЦСП имеет собственные коды команд, что делает практически невозможным перенос реализованного алгоритма на ЦСП других семейств или создания универсальных библиотек алгоритмов. Существующие же компиляторы с языков высокого уровня, например с Си, также ориентированы на конкретные ЦСП и не решают данную проблему. В-третьих, при реализации сложных параллельных структур приходится увеличивать число процессоров и обеспечивать их нормальную работу в мультипроцессорном режиме. Наконец, в-четвертых, ЦСП, как правило, требуют внешних навесных элементов для реализации сносного интерфейса с источниками и приемниками данных.
Реализация алгоритмов ЦОС на базе ПЛИС
Основными преимуществами ПЛИС при применении в средствах обработки сигналов являются:
- высокое быстродействие;
- возможность реализации сложных параллельных алгоритмов;
- наличие средств САПР, позволяющих провести полное моделирование системы;
- возможность программирования или изменения конфигурации непосредственно в системе;
- совместимость при переводе алгоритмов на уровне языков описания аппаратуры (VHDL, AHDL, Verilog и др.)
- совместимость по уровням и возможность реализации стандартного интерфейса.
- наличие библиотек мегафункций, описывающих сложные алгоритмы;
- архитектурные особенности ПЛИС как нельзя лучше приспособлены для реализации таких операций, как умножение, свертка и т.п.
В настоящее время быстродействие ПЛИС достигло величин порядка 250 –300 МГц, что позволяет реализовывать многие алгоритмы в радиодиапазоне.
Рассмотрим историю развитию архитектур ПЛИС. В конце 1970 годов на рынке появились ПЛИС, имеющие программируемые матрицы "И" и "ИЛИ". В зарубежной литературе эти архитектуры FPLA (Field Programmable Logic Array) и FPLS (Field Programmable Logic Sequensers). В те времена отечественная электронная промышленность была еще "на плаву" и вскоре появились отечественные схемы K556PT1,PT2,PT21. Недостаток такой архитектуры – слабое использование ресурсов программируемой матрицы "ИЛИ".
Идя по пути совершенствования такой архитектуры, разработчики ПЛИС предложили более простую и изящную архитектуру - архитектуру программируемой матричной логики (PAL - Programmable Array Logic и GAL – Gate Array Logic) - это ПЛИС, имеющие программируемую матрицу "И" и фиксированную матрицу "ИЛИ", у ПЛИС GAL на выходе имеется триггер. К этому классу относятся широкая номенклатура ПЛИС небольшой степени интеграции. В качестве примеров можно привести отечественные ИС КМ1556ХП4, ХП6, ХП8, ХЛ8, ранние разработки (середина –конец 1980-х годов) ПЛИС фирм INTEL, ALTERA, AMD, LATTICE и др. Помимо PAL и GAL архитектур, были разработаны ПМЛ, имеющие только одну программируемую матрицу "И", например, схема 85C508 фирмы INTEL. Другим подходом к уменьшению избыточности программируемой матрицы "ИЛИ" является программируемой макрологика. ПЛИС, построенные по данной архитектуре содержат единственную программируемую матрицу "И-НЕ" или "ИЛИ-НЕ", но за счет многочисленных инверсных обратных связей способны формировать сложные логические функции. К этому классу относятся, например, ПЛИС PLHS501 и PLHS502 фирмы SIGNETICS, имеющие матрицу "И-НЕ", а также схема XL78C800 фирмы EXEL, основанная на матрице "ИЛИ"-НЕ.
Выше перечисленные архитектуры ПЛИС содержат небольшое число ячеек, к настоящему времени морально устарели и применяются для реализации относительно простых устройств, для которых не существует готовых ИС средней степени интеграции. Естественно, для реализации серьезных алгоритмов управления или ЦОС они не пригодны.
В начале 1980 годов на мировой рынок микроэлектронных изделий выходят три ведущие фирмы – производители ПЛИС. В июне 1983 года основана фирма Altera Corporation, (101 Innovation Drive, San Jose, CA 95134, USA, www.altera.com), в феврале 1984 компания Xilinx, Inc. (2100 Logic Drive, San Jose, CA 95124-3400, USA, www.xilinx.com), в 1985 году - Actel Corporation (955 East Arques Avenue, Sunnyvale, CA 94086-4533, USA, www.actel.com). Эти три компании занимают до 80% всего рынка ПЛИС и являются основными разработчиками идеологии их применения. Если ранее ПЛИС являлись одним из множества продуктов, выпускаемых такими гигантами, как Intel, AMD и др., то начиная с середины 1980 годов на рынке ПЛИС происходит специализация и законодателями мод являются фирмы, специализирующиеся только на разработке и производстве ПЛИС.
С появлением новых производителей появились и новые архитектуры. ИС ПМЛ имеют архитектуру, весьма удобную для реализации цифровых автоматов. Развитие этой архитектуры – CPLD (Complex Programmable Logic Devices) - ПЛИС, содержащие несколько логических блоков (ЛБ), объединенных коммутационной матрицей. Каждый ЛБ представляет собой структуру типа ПМЛ, т.е. программируемую матрицу "И" и фиксированную матрицу "ИЛИ". ПЛИС типа CPLD, как правило, имеют довольно высокую степень интеграции (до 10000 эквивалентных вентилей, до 256 макроячеек). К этому классу относятся ПЛИС семейства MAX5000 и MAX7000 фирмы ALTERA, схемы XC7000 и XC9500 фирмы XILINX, а также большое число микросхем других производителей (Atmel, Vantis, Lucent и др.). Рассмотрим эту архитектуру на примере ПЛИС семейства MAX3000 фирмы Altera.. Их архитектура близка к архитектуре семейства MAX7000, однако имеется ряд небольших отличий. В таблице приведены основные параметры ПЛИС MAX3000.