Funktsionaalsed signaaliprotsessorid (0)

FUNKTSIONAALSED SIGNAALIPROTSESSORID
Loengumaterjal 1 Toomas Ruuben
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 1 instituut.
Teemad Ülevaade DSP-dest, signaalitöötlusest, FPGA -dest Digitaalarvuti töö üldpõhimõtted
Tehted kahendsüsteemis (+,-,*,/ jne) Erinevaid arvsüsteemid Peamisi loogikafunktsioonid (AND, OR jne) Loogikavõrrandid Trigerid , registrid, dekoodrid, multipleksorid, demultipleksorid, aritmeetika loogika seadmed jne)
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 2 instituut.
1 Teemad Programmeeritavad loogikaseadmed CPLD , PLD FPGA FPGA ( Field programmable gate array )arhidektuurid, tööpõhimõtted Arenduskeskkonnad (Verilog, VHDL ) DSP versus FPGA Signaalitöötlusalgoritmid FPGA-s FPGA-de tootjad Laboratoorsed tööd www. xilinx .com www.altera.com Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 3 instituut.
Digitaalsed signaaliprotsessorid (DSP) DSP ( Digital Signal Processor) on disainitud spetsiaalselt intensiivseks signaalitöötluseks. Üks levinumatest signaalitöötlusalgoritmidest on digitaalne filtreerimine mis baseerub järgmisel struktuuril:
N F -1
y (n ) = h(i )x(n - i ) i=0
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 4 instituut.
2 Digitaalsed signaaliprotsessorid (DSP) Miks on vaja eelpooltoodud operatsiooni teostamiseks DSP-d: Tehted on vaja sooritada kahe diskreedi vahelises ajas (lühike, näiteks 44000 Hz diskteetimissageduse juures 22.7 mikrosekundit) Tehete liikideks on: korrutamine , liitmine (akumuleerimine), andmete nihutamine Kui filter omab 50 järku, tuleb igal taktil (22.7 mikrosekundi jooksul) sooritada 50 korrutamistehet liitmistehet ning andmete nihutamist. Protsessori taktsagedus minimaalselt 6.6 MHz Tavaprotsessorid: Operatsioonid sooritatakse järjestikku. Signaaliprotsessorid: Operatsioonid sooritatakse paralleelselt (MACD) Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 5 instituut.
Digitaalsed signaaliprotsessorid (DSP) MAC korrutamine, liitmine ja akumuleerimine. DSP-s samaaegselt ("Single intruction MAC") Seostatakse protsessori clock -iga (0.1....1 GHz) Võimsamad DSP-d sooritavad 8 MAC-I ühes tsüklis, seega kokku 8 GMAC sekundis FPGA-d võivad sooritada kuni 100 GMAC !! DSP - " advanced "/"super" HARVARD ARHIDECTURE !! Tavaprotsessorid- "Von Neumann Machine " Andmemälu siine võib olla palju erinevaid
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 6 instituut.
3 TMS320C6000
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 7 instituut.
TMS320C6000 TMS 320C6000 omab: VLIW (Very Long Instruction Word) arhidektuur 256-bitised instruktsiooni-koodid 4 korrutit! 4 ALU-d, kuni 1GHz (8 GMACi/s) Ujuvkoma (c67) ja püsikoma-variandid
Rakendused (pilditöötlus, sonar, radar , ADSL jne jne)
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 8 instituut.
4 DSP eelised
Mitu MAC operatsiooni sekundis Reaalaja töötlus Programmeerimise paindlikkus Suur jõudlus Normaalne hind
Tänapäeval PC on samuti suure jõudlusega, aga kas saab panna mobiiltelefoni sisse ?
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 9 instituut.
DSP puudused Orienteeritud liigselt ühte tüüpi operatsioonide sooritamiseks Süsteemi juhtloogika realiseerimine on tülikas Teinekord võib osutuda nn. "tankiga kärbse püüdmiseks"
Signaalitöötlus hakkab liikuma FPGA-de suunas Süsteemid võivad olla projekteeritud kui FPGA ja DSP kooslus või puhtalt FPGA-de baasil, mis sisaldavad signaalitöötlusplokke
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 10 instituut.
5 SISSEJUHATUS FPGA-sse FPGA-de areng on alguse saanud 1970-ndate aastate lõpust Eelkäiateks on PLA (Programmable Logic Array CPLD, XILINX lasi FPGA välja alates 1985. Koosneb lihtloogika elementidest (AND, OR), nende vahele koostatakse ühendused
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 11 instituut.
SISSEJUHATUS FPGA-sse PLA
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 12 instituut.
6 SISSEJUHATUS FPGA-sse Kõrge integreerituse aste (VLSI-Very Large Scale Integration) võimaldab luua väikese maksumusega digitaalseid skeeme . ASIC ­ Application Specific Integrated Circuits FPGA ­ Field-Programmable Gate Arrays ­ Võimaldavad tuua turule uusi tooteid võimalikult lühikese ajaga seejuures maandades majanduslikke riske. FPGA korral kujundab süsteemi (tema sisemise loogilise struktuuri) lõppkasutaja. Laialdaselt kasutuses (signaalitöötlussüsteemid, SDR- software defined radio ) Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 13 instituut.
SISSEJUHATUS FPGA-sse FPGA kujutab endast elementide (loogikalülitusete) võrku (array), mida on võimalik vastavalt vajadustele omavahel siduda. Kõik ühendused on kasutaja poolt programmeeritavad FPGA-de põhilised tootjad Xilinx (alates 1985) Actel Altera Plessy Plus AMD
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 14 instituut.
7 SISSEJUHATUS FPGA-sse FPGA arhidektuur
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 15 instituut.
SISSEJUHATUS FPGA-sse Iga kompanii poolt toodetud FPGA-d tuleks eraldi vaadelda. Tüüpiline FPGA koosneb kahemõõtmliest võrest mis sisaldab loogilisi plokke. Neid plokke on võimalik vastavalt vajadusele omavahel siduda. (vt. Joonis) Sidumine toimub programmeeritavate lülitite abil (programmable switches) Loogiliste plokkide arhidektuur võib olla koostatud mitmel erineval viisil. Lihtsam neist võib olla kahe sisendiga NAND (NING-EI) lülitus. Keerulistemaks on multipleksorid, otsingutabelid jne. Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 16 instituut.
8 SISSEJUHATUS FPGA-sse Loogiliste plokkide defineerimisvõimalusi on lõputu hulk. FPGA konfigureerimisel kasutatakse kahte tüüpi vahendeid: Wire segments Programmale switches Sarnaselt loogiliste plokkide defineerimisele on olemas ka ühenduste tekitamise (routing architecture ) erinevaid viise, põhimõte Palju lihtsaid mooduseid Vähem mooduseid kuid olemuselt keerukamad
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 17 instituut.
SISSEJUHATUS FPGA-sse. Majanduslikud näitajad FPGA omab madalat prototüübi hinda ja võimaldab kiirendada arendusprotsessi FPGA-de miinused Suhteliselt väike kiirus võrreldes MPGA-ga (Mask-Programmed Gate Array). Põhjus-Programmeeritavad lülitid- taksitus - mahtuvus Väiksem nn. loogiline tihedus (Loogikaelementide arv, mis oleks võimalik paigutada ühele mikroskeemile). Programmeeritavate lülitite loomine võtab chip -il ruumi. Chip-I suuruse määrab siiski tema sisendite-väljundite arv, mitte tema loogiliste plokkide ja ühenduste arv. Seega ei pruugi hinna mõttes loogiline tihedus olla probleemiks. Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 18 instituut.
9 Kaks Suuremat FPGA-de tootjat Nimi Xilinx Altera Asutatud 1984 Müügistrateegia "Tühi lint" PC lisakomponent Müügisegment Telecom ja Prof AV seadmed Käive 1843M 1290M Kasum 350M 323M Töötajaid 3353 2600
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 19 instituut.
FPGA võrreldes tavaprotsessoriga
Intel Xeon FPGA
Takt 3 Ghz 350 MHz Gflops 24 60 Võimsus 80 W 10 W Mälukiirus 3 GB/Sec 50 Gb/sec Sisemälu Kiirus 10 Tb/sec Kuni 700 Tb/sec
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 20 instituut.
10 FPGA võrreldes DSP-ga Kõige moodsam DSP Texas Instumendilt on hetkel TMS320C600 Omab VLIW (Very Long Instruction Word) arhidektuuri. Sisaldab 256 bitiseid instruktsiooni koode 4 korrutit! 4 ALU-d, kuni 1GHz (8 GMAC-I /s!) (TMS320C6416) Võrdluseks FPGA 350 MHz, 60 Gflops (omab erinevat sisu võrreldes GMAC-iga) Ujuvkoma (c67) ja püsikoma vaiandid (c62, c64) Kasutusvaldkonnad: Pilditöötlus, sonar, radar, tlf keskjaamad jne Osades rakendustes kasutatakse FPGA-d eeltöötluseks, enne DSPd
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 21 instituut.
SISSEJUHATUS FPGA-sse. Kasutusvaldkonnad ASIC (Application-Specific Integrated Circuits (ASICs)). Telekommunikatsiooni rakendused, DRAM controllerrid jne. Random Logic - asendab 10-20 PAL (Programmable Array Logic) Võib olla kasutusel ka lihtsalt prototüübina Protsessorite vaheline andmeülekanne, nende haldamine, parlleelsus (Hardware programming)
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 22 instituut.
11 FPGA-st ASIC-usse Xilinx Kasutatakse nn. katkisi FPGA-sid, mis sobiksid siiski konkreetse projekti tarbeks (Easypath)
Altera
Asendanda programmeeritavad struktuurid ASIC moodulitega (HardCopy)
FPGA-l baseeruva süsteemi projekteerimine on siiski kallim võrreldes ASIC-uga kuna Arendusvahendid võivad olla väga kallid (kuni 500 milj) Chipi tootmise kulud, vigade parandus läheb kalliks Keerukusest ja tehnoloogiast tulenev pikem arengutsükkel
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 23 instituut.
FPGA-de eelkäiad PLA ja PLD PLA (Programmable Logic Array) omab:
Kahte programmeeritavat tasapinda Võimaldab koostada suvalise kombinatsiooni AND/OR lülitustest Annab parima võimaliku loogikatiheduse Suur lülituste (fuse) arv Aeglane, keerukas, seoses kahe prorammeerimistasandiga
Struktuurskeemid tuuakse sageli lihtsustatud kujul. Loogikaelementide sisendid kujutatakse ühe juhtmega
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 24 instituut.
12 FPGA-de eelkäiad PLA ja PLD Traditsiooniline PLA struktuurskeem
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 25 instituut.
FPGA-de eelkäiad PLA ja PLD Tegelikkuses sisaldavad loogikalülitused mitmeid sisendeid .
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 26 instituut.
13 FPGA-de eelkäiad PLA ja PLD Näide
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 27 instituut.
FPGA-de eelkäiad PLA ja PLD Struktuurskeem võib olla välja toodud ka AND ja OR lülitusi eraldi välja toomata
Toomas Ruuben. TTÜ Raadio ja sidetehnika 28 instituut.
14 FPGA-de eelkäiad PLA ja PLD PAL (Programmable Array Logic) on PLA edasiarendus kus OR (VÕI) lültuste tasapind fikseeriti. PAL on PLD (Programmable Logic Device ) alus. PLD jaguneb omakorda SPLD ( Simple Programmable Logic Device ) CPLD ( Complex Programmable Logic Device )
PAL struktuuri iseloomustab:
Üks programmeeritav tasapind (OR tasapind on fikseeritud) AND/OR kombinatsioonide arv on piratud Loogiline tihedus on väiksem