Олег Вальпа - Разработка устройств на основе цифровых сигнальных процессоров фирмы Analog Devices с использованием Visual DSP++

Разработка устройств на основе цифровых сигнальных процессоров фирмы Analog Devices с использованием Visual DSP++ 

Предисловие

В настоящее время цифровые сигнальные процессоры, или сокращенно DSP (Digital Signal Processor), приобрели большую популярность в мире и даже признаны отдельной областью науки и техники.

Эта книга является практическим руководством по самостоятельному изучению и применению на практике одного из цифровых сигнальных процессоров фирмы Analog Devices. Она включает в себя подробное описание процессора, схемы для его практического применения и технологию программирования.

Книга написана простым языком и позволяет очень быстро освоить сигнальный процессор и применить его на практике в собственных разработках, включает в себя разработанные автором книги практические схемы с применением сигнального процессора, исходные тексты программ и схемы вспомогательных устройств, полезных при отладке программ для процессора.

Состоит из четырех частей: часть I посвящена схемотехнике сигнальных процессоров; в части II рассмотрено программирование устройств; далее в части III описаны вычислительные и аппаратные устройства; в части IV представлены установка, запуск, работа, спектральный анализ сигнала, а также программирование на СИ в среде разработки Visual DSP++.

На прилагаемом электронном диске находятся исходные тексты и исполняемые файлы программ из книги, а также некоторые полезные утилиты и средства разработки программного обеспечения для сигнальных процессоров.

Изучив материалы этой книги, читатель получит фундаментальные знания, с помощью которых легко освоит другие типы сигнальных процессоров.

Книга будет полезна как начинающим разработчикам, так и специалистам в области разработки цифровой электронной аппаратуры. Кроме того, она будет полезна студентам технических вузов, инженерам и программистам.

Часть I. Схемотехника

В этой части книги освещается история развития различных сигнальных процессоров и дается обзор технических характеристик сигнальных процессоров семейства ADSP-21XX. Кроме того, в ней приводится практическая схема применения процессора ADSP-2181, описываются его архитектура и программно-логическая модель, дается описание системы прерываний процессора.

Глава 1. Обзор

В настоящее время большую популярность приобрели цифровые сигнальные процессоры, или сокращенно DSP (digital signal processor). Эта книга приподнимет завесу таинственности этих компонентов и позволит читателям самостоятельно заняться их освоением и применением в собственных разработках.

Свое название сигнальные процессоры получили в связи с встроенной в них возможностью обработки звуковых и видеосигналов. Это реализовано благодаря высокой скорости работы этих процессоров и заложенной в них специальной системе команд поддерживающей функции цифровой фильтрации и быстрого преобразования Фурье. Ниже перечислены основные отличия сигнальных процессоров от обычных микропроцессоров.

• Наличие аппаратного умножителя.

• Наличие специальных блоков обработки данных.

• Специальная система команд для цифровой обработки сигналов.

• Высокое быстродействие.

• Внутренний умножитель тактовой частоты.

• RISC архитектура.

• Возможность одновременного выполнения нескольких команд.

• Гарвардская архитектура построения процессора.

• Наличие конвейеризации команд и данных.

• Наличие циклических буферов.

• Развитая система внешних интерфейсов.

Некоторые типы данного семейства процессоров имеют также встроенные аналого-цифровой преобразователь АЦП и цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, что позволяет подавать на процессор непосредственно аналоговые сигналы, которые после оцифровки обрабатываются в цифровом виде этим же процессором. Под обработкой понимается, как правило, спектральный анализ сигнала, т.е. определение наличия в этом сигнале определенной частоты заданной амплитуды, фильтрация сигнала от ненужных частот, сравнение сигнала с эталонным сигналом-шаблоном, синтез и генерация речи, сжатие и декомпрессия звуковых и видеосигналов и т.п. В современном мире существует огромное количество подобных задач в самых различных областях человеческой деятельности. Решение этих задач требуется в радиоэлектронике, радиолокации, навигации, связи, медицине, автомобильной промышленности, космонавтике и др. наукоемких областях. Ввиду своей важности, цифровая обработка сигналов в настоящее время признана даже отдельной областью науки и техники. По всему видно, что для этих процессоров открывается большое будущее. Именно поэтому, находясь у истоков развития сигнальных процессоров, важно вовремя познакомиться с ними, чтобы в дальнейшем они не казались нам недоступными и закрытыми.

Проведем небольшой экскурс в историю развития данного семейства процессоров. Первые сигнальные процессоры появились в начале 80-х годов. Одной из первых компаний начавшей производство этих процессоров, была японская корпорация NEC, выпустившая однокристальный сигнальный процессор MPD7720. Однако этот процессор не получил широкого распространения, поскольку в 1982 г. на смену ему пришел более производительный и развитый процессор TMS32010, выпущенный фирмой Texas Instruments. Благодаря удачной архитектуре и ряду технических решений он стал стандартом де-факто для сигнальных процессоров. Ниже приведены основные технические характеристики данного процессора.

Разрядность данных 16 бит

Производительность 5 млн. операций в секунду

Объем оперативной памяти 256 слов

Объем памяти программ 4 К слов

Объем подключаемой внешней памяти 4 К слов

Разрядность арифметико-логического устройства 32 бит

Разрядность умножителя 6×16 бит с 32-битным результатом

Разрядность портов ввода-вывода 16 бит

Количество портов ввода-вывода 8

Пропускная способность внешней шины 50 Мбит

Освоение новых микронных технологий и, как следствие, повышение степени интеграции микросхем позволили значительно улучшить характеристики процессоров. И уже в середине 1980-х годов появились сигнальные процессоры второго поколения. К ним можно отнести процессоры все той же фирмы Texas Instruments TMS320C25 и TMS320C5X. Эти процессоры более скоростные и имеют больший объем памяти. Кроме того, у них появилась развитая система обработки прерываний и энергосберегающие режимы работы. В некоторых моделях процессоров снижено напряжение питания. Появились теневые регистры для автоматического сохранения результатов работы в случае возникновения аппаратного или программного прерывания программы. В состав архитектуры процессора добавились таймеры и последовательные синхронные порты с развитой конфигурацией настройки.

В свою очередь, фирма Motorola выпустила сигнальные процессоры семейства DSP56000, которые имеют разрядность 24 бита, двойную внутреннюю шину данных X и Y, удобную при операциях с комплексными числами, и обладают высокой степенью конвейеризации и параллелизма. Эти свойства делают данные процессоры еще более производительными и удобными для цифровой обработки сигналов.

Еще один производитель в лице фирмы AT&T Microelectronics выпускает сигнальные процессоры серии DSP16, которые отличаются наличием кэш-памяти и встроенного высокоскоростного, до 30 Мбайт, параллельного порта.

Фирма Analog Devices вышла на рынок сигнальных процессоров со своей серией ADSP-21XX, которые конкурируют с выше рассмотренными моделями по некоторым техническим параметрам, а кроме того, по цене. Например, процессор ADSP-21msp50 имеет встроенные АЦП и ЦАП и в то же время его стоимость составляет несколько долларов.

На этом развитие сигнальных процессоров не остановилось, и уже в конце 1980-х годов на рынке появились процессоры третьего поколения от перечисленных выше фирм. Отличительной особенностью этого поколения стало появление двоичной плавающей арифметики, увеличение разрядности шины данных, емкости памяти и программ. К этому числу процессоров можно отнести TMS320C30 фирмы Texas Instruments, DSP96002 фирмы Motorola, DSP32C фирмы AT&T Microelectronics и ADSP21020 фирмы Analog Devices.

Впоследствии на рынке появились сигнальные процессоры других фирм. Однако в настоящее время, лидирующее положение в этой области занимают фирмы Texas Instruments, Motorola, AT&T Microelectronics и Analog Devices.

История развития сигнальных процессоров на этом не заканчивается, и можно было бы продолжать ее повествование, но целью данной книги является не исторический рассказ, а практическое руководство по освоению и приобретению навыков работы с этими перспективными компонентами. Поэтому я хочу остановиться на более подробном описании внутренней архитектуры и практического применения одного из сигнальных процессоров фирмы Analog Devices. Именно об этом и пойдет речь в следующей главе.