Выбор микропроцессора. Главным компонентом процессорного блока является микропроцессор.
В настоящее время выпускается большое количество микропроцессоров с различными характеристиками. В основном микропроцессоры производятся за рубежом. В системах цифровой обработки сигналов и управления в реальном масштабе времени применяют специализированные цифровые процессоры обработки сигналов. Реальный масштаб времени подразумевает, что время обработки очередной выборки сигнала меньше периода получения выборок.
Современные цифровые процессоры обработки сигналов являются сложными устройствами с большими возможностями. Фирмы-производители ЦПОС выпускают большое количество самых разнообразных процессоров с различными характеристиками. ЦПОС используются в самых различных областях, начиная с применений в устройствах радиолокации и заканчивая бытовыми приборами. Естественно, не существует идеального процессора для всех областей применений.
Для каждой из них при реализации различных алгоритмов ЦОС оказываются важными те или иные характеристики процессоров. Рассмотрим характеристики ЦПОС, которые важны при выборе процессора для конкретной разработки и обычно приводятся в различных таблицах для сравнения. Тип арифметики. Форма представления данных с плавающей или с фиксированной точкой. Процессоры с фиксированной точкой (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 преимущества процессоров с ПТ: - при использовании 32 разрядов и ПТ существенно повышается точность внутреннего представления данных; - существенно расширяется возможный динамический диапазон сигналов и данных; - при использовании процессоров с ПТ снимается проблема масштабирования данных с целью избежать переполнения при выполнении различных операций.
Достоинства процессоров с ПТ приводят к тому, что при их использовании построение системы ЦОС становится более легким и быстрым. Разрядность данных. Все обычные ЦПОС с плавающей точкой используют слово данных длиной в 32 бита. Для ЦПОС с фиксированной точкой обычный размер слова данных = 16 битов.
ЦПОС фирмы Motorola применяет слово данных в 24 бита. Большинство процессоров допускают обработку с двойной точностью. Быстродействие. Одним из самых важных параметров с точки зрения конкретных применений является быстродействие процессора. Для характеристики быстродействия используют различные параметры, однако все они определяют только конкретные стороны проблемы.
Реальнее характеризует быстродействие системы время решения различных реальных задач и тестов. Тактовая частота работы процессора и связанное с ней время командного цикла. Как правило, при описаниях процессоров обычно указывается внешняя тактовая частота, подаваемая на процессор. Она может отличаться от внутренней частоты работы из-за наличия системы деления или умножения частоты. Для последних процессоров, в которых внешняя частота может изменяться в широких пределах, чаще указывают внутреннюю частоту работы процессора.
Время командного цикла связано с внутренней частотой работы процессора. Так как отдельная операция в процессоре может выполняться как за несколько циклов, так и за один, время командного цикла является самой неоднозначной характеристикой быстродействия процессора. К тому же, в некоторых процессорах используется параллельное выполнение команд и параллельная работа нескольких операционных модулей. Поэтому время цикла полностью не характеризует реально выполняемую процессором работу.
Количество миллионов команд, выполняемых за секунду MIPS (Million instructions per second). В ЦПОС используются различные команды, в том числе комбинированные, в соответствии с которыми одновременно выполняется несколько операций. Кроме того, существуют процессоры с несколькими АЛУ (Арифметико-логическое устройство) в которых применяются длинные команды, а так же процессоры с архитектурой VLIW (Very large instruction word). Таким образом одной команде в разных процессорах соответствует различная выполняемая работа.
Поэтому характеристика MIPS неоднозначно определяет быстродействие процессора. Количество миллионов операций за секунду MOPS (Millions operations per second). Эта характеристика более однозначно, по сравнению с другими, характеризует быстродействие, т. к. учитывает выполнение параллельных команд и одновременную работу нескольких операционных модулей. Однако нет стандартного определения операции. Иногда к выполняемым операциям относят и выборки команд, и запись в память полученных результатов.
Количество миллионов операций с плавающей точкой за секунду VFLOPS (Millions of floating-point operations per second). Эта характеристика используется в процессорах с плавающей точкой. К ней относится все сказанное относительно MOPS. Количество операций MAC в единицу времени. Возможный путь определения производительности состоит в выборе единой простой операции для целей сравнения. Для прикладных программ ЦОС естественным является выбор операции умножения-накопления MAC, которая является основной для алгоритмов ЦОС. Объем и разновидности внутренней памяти (ROM, OTP ROM, RAM, Flash, кэш). Эти характеристики определяют многие параметры и возможности разрабатываемой системы.
Наличие памяти типа ROM (ПЗУ, программируемого при изготовлении процессора) позволяет заказывать ЦПОС с записанной программой работы системы. Такой вариант использования ЦПОС экономически оправдан при крупносерийном производстве. Память типа OTP ROM (One time programmable ROM, однократно программируемое ПЗУ) позволяет моделировать и тестировать систему при отработке программного обеспечения, а также изготавливать единичные и мелкосерийные образцы.
Память типа Flash позволяет неоднократно перезаписывать программу и данные в процессоре, в том числе и на рабочем месте, т. е. Непосредственно на изготовленной плате системы. Объем и разновидности памяти типа RAM определяют возможности построения системы без использования внешней памяти, как для хранения данных, так и загружаемой программы.
Объем адресного пространства памяти определяется разрядностью шины адреса и характеризует возможный общий объем памяти, используемой в системе. Количество и разновидности портов последовательного ввода информации определяют возможности системы с точки зрения связи с различными внешними устройствами. Внутренние периферийные устройства. Используемые в ЦПОС периферийные устройства можно условно разделить на устройства общего применения (типа таймеров) и проблемно-ориентированные устройства (кодеки, компрессоры, сопроцессоры и т. д.). Последние облегчают построение специализированных цифровых систем.
Наличие и количество каналов DMA (Direct Memory Access). Прямой доступ к памяти позволяет общаться с внешними устройствами, в том числе записывать отсчеты входного сигнала (выводить полученные отсчеты выходного сигнала) без использования ресурсов и затрат времени ЦПОС. Это очень эффективная особенность, облегчающая построение высокопроизводительных систем.
Напряжение питания и потребляемый ток. Характеристики процессора, особенно важные при построении переносимых систем с батарейным питанием. С этими характеристиками связан такой показатель, как потребляемая мощность. Следует отметить, что потребляемая мощность существенно зависит от выполняемой программы и как правило, не приводится. Многие производители предлагают низковольтовые (3,2 В, 2,5 В или 1,8 В) версии процессоров, которые потребляют гораздо меньше мощности, чем пятивольтовые эквиваленты при той же производительности.
Процессор может работать в различных режимах, в том числе в режиме ожидания (Idle), при нахождении в котором ряд внутренних модулей отключается и не потребляет энергии. Поэтому потребляемый ток иногда приводят для различных режимов работы. Многие современные процессоры с пониженным напряжением питания используют различное напряжение для ядра процессора и периферийных устройств. Некоторые ЦПОС позволяют программно отключать неиспользуемые периферийные устройства.
Комбинированные относительные показатели типа «мощность-ток-быстродействие». Естественным свойством любых электронных устройств, в том числе и ЦПОС, является повышение потребления мощности при увеличении быстродействия. Поэтому многие фирмы в качестве показателя эффективности процессора используют удельные относительные показатели потребления энергии или тока, отнесенные к некоторой единице быстродействия, например показатель ma/MIPS. Иногда в такие удельные показатели включают и стоимость процессора. Наличие различных средств и информационных ресурсов сопровождения разработки.
Виды сопровождения разработки цифровой системы на конкретном процессоре могут быть самые разнообразные( наличие и состав пакетов программного обеспечения разработки, наличие и состав средств отладки систем, наличие и доступность документации, информационная поддержка, существование библиотек стандартных программ и математических функций, наличие совместимых с процессором устройств преобразования данных АЦП, ЦАП). Выбор процессора для конкретной разработки целиком определяется назначением разрабатываемой системы.
В процессе поиска микропроцессоров были найдены следующие виды ЦПОС, представленные в таблице 1.3.2.1 Таблица 1.3.2.1 Тип ЦПОС Фирма изготовитель Время командного цикла, нс Представление чисел, разрядность Внешняя память Технология Потребляемая мощность, Вт ADSP2102 Analog Device 80 ФЗ, 16 бит 16К*16 КМОП 1 DSP32C AT&T ME 80 ПЗ, 24 бит 16М*8 КМОП 1,9 HD61810 Hitachi 250 ПЗ, 16 бит 64К КМОП 0,25 DSP56001 Motorola 97,5 ПЗ, 24 бит 128К*24 КМОП 0,45 PD77C20 NEC 250 ФЗ, 16 бит - КМОП - TMS32010 Texas Instruments 200 ФЗ, 16 бит 4К*16 КМОП 1 TMS320C31 Texas Instruments 50 ПЗ, 32 бит 16М КМОП 0,85 Из данной таблицы следует, что наиболее предпочтительным для использования является процессор TMS320C31, поскольку он обладает достаточно высоким быстродействием, относительно малой потребляемой мощностью, широким адресным пространством внешней памяти и удобной для программирования архитектурой с ПЗ и 32 разрядными данными. Кроме того, процессоры серии TMS320C3x хорошо известны, в том числе, на российском рынке.
Учитывая огромный накопившийся для этого процессора объем программного обеспечения, разработчики фирмы Texas Instruments воспроизвели это семейство на современной технологии (0,18 мкм вместо 0,65мкм), существенно улучшив его качественные показатели и одновременно снизив цену [3]. Таким образом, выбираю микропроцессор TMS320C31. 1.3.3