Комп’ютеризовані системи цифрової обробки сигналів

 або

де F_d - частота надходження вхідних даних, К_d - кількість каналів надходження вхідних даних, L - кількість каналів обробки, N_d - кількість вхідних даних; Т_к - тривалість такту роботи конвеєра, Т_р - час розв'язання задачі.

В загальному задачі проектування комп'ютерних систем ЦОС можна сформулювати так:

вибрати алгоритм розв'язання задачі та представити його у вигляді конкретизованого потокового графу;

розробити структуру комп'ютерної системи ЦОС з максимальною ефективністю використання обладнання, яка враховує всі обмеження та забезпечує обробку даних в реальному масштабі часу;

визначити основні характеристики компонентів комп'ютерної системи ЦОС та здійснити їх синтез;

вибрати способи обміну, визначити необхідні зв'язки та розробити систему обміну між компонентами комп'ютерної системи ЦОС;

визначити порядок реалізації у часі алгоритму розв'язання задачі та синтезувати пристрої управління.

Процес проектування комп'ютерних систем ЦОС зводиться до виконання наступних етапів:

вибору та відображення алгоритму у вигляді конкретизованого потокового графу ;

вибору базової структури комп'ютерних систем ЦОС, розробки топології зв'язків і функцій синхронізації обміну між процесорними елементами;

розробки інтерфейсу зв'язку з оточуючим середовищем, алгоритмів генерації адрес для запису вхідних даних у пам'яті, визначення переліку операцій (макрооперацій), які повинні виконувати процесорні елементи (процесори);

синтезу структури процесорних елементів (процесорів), які реалізують визначений перелік операцій (макрооперацій), з врахуванням особливостей елементної бази, технології виготовлення та обмежень за продуктивністю.

Завершальними результатами перших трьох етапів проектування є набір адекватних алгоритму структур, що складаються з обмеженої множини процесорних елементів (процесорів), об'єднаних системою комутації та забезпечують технічні вимоги, які висуваються до комп'ютерної системи ЦОС.

Процес проектування спеціалізованих комп'ютерних систем ЦОС постійно ускладнюється за рахунок підвищення складності виконуваних задач і обмежень, які накладаються в частині габаритів, ваги і споживаної потужності. Крім цього, постійно вимагається зменшення термінів, вартості проектування та підвищення його якості. Забезпечити такі вимоги можливо при інтегрованому підході до проектування комп'ютерних систем ЦОС, який охоплює:

дослідження та розробку теоретичних основ і методів проектування комп'ютерних систем ЦОС як окремого класу засобів комп'ютерної техніки;

пошук нових алгоритмічних, структурних, схемотехнічних і конструктивно-технологічних рішень, орієнтованих на НВІС-технології, які забезпечать задані параметри комп'ютерних систем ЦОС на існуючій та перспективній елементній базі;

вибір, а при необхідності проектування, швидкодіючих малоспоживаючих НВІС-архітектур, що враховують особливості виконуваних задач і вимог застосування;

впровадження та створення засобів автоматизованого проектування комп'ютерних систем ЦОС, які забезпечать зменшення термінів і підвищать якість проектування.

Архітектури комп'ютерних систем ЦОС повинні в повній мірі використовувати можливості НВІС-технології та забезпечувати обробку інтенсивних потоків інформації в реальному часі [92]. Вартість НВІС в основному залежить від площі кристала і кількості виводів. Число зовнішніх виводів НВІС обмежене рівнем технології та розміром кристалу. При розробці спеціалізованих НВІС-структур необхідно узгодити пропускну здатність та швидкодію обробки інформації в НВІС з інтенсивністю P_d вхідних потоків даних. Пропускна здатністю НВІС визначається як кількістю, так і якістю зовнішніх виводів. Якість зовнішніх виводів визначає затримку переключення зовнішніх зв'язків, які навантажені на ці виводи. За характеристиками вводу-виводу визначаються вимоги до ємності внутрішньої пам'яті НВІС. Особливо жорсткі вимоги до вводу-виводу висуваються тоді, коли за допомогою НВІС-процесора вирішується задача великої розмірності, а ємність пам'яті НВІС не дозволяє розмістити необхідний об'єм даних. В цих випадках необхідно або наростити НВІС-процесор, або розбити задачу на частини і вирішувати її послідовно. Другий варіант вимагає перестроювання НВІС-процесора в процесі вирішення задачі, що можливо у випадку коли НВІС є оперативно програмованою мікросхемою.

Для забезпечення нарощування обчислювальних потужностей, розширення виконуваних функцій, адаптації до специфіки задач, що розв'язується, необхідно комп'ютерні системи ЦОС будувати за модульним принципом, при якому основні елементи (процесори, пам'ять) реалізуються у вигляді функціонально завершених пристроїв (модулів). Модульний підхід при проектуванні САЗ сприяє стандартизації елементів, скороченню витрат на проектування та відсуває час морального старіння технічних засобів. Структури модулів повинні бути орієнтованими на застосування НВІС, а також на реалізацію окремих модулів чи їх вузлів у вигляді НВІС. Впровадження НВІС перш за все повинно сприяти зменшенню габаритів, маси, споживання, а також збільшенню надійності та швидкодії САЗ шляхом перекладання на апаратну частину функцій програмних засобів, які найширше використовуються та є найважливішими. Апаратна реалізація таких функцій спрощується при реалізації їх на модулях з процесорною реалізацією, яка передбачає наявність пристроїв обробки, зберігання, управління та обміну.

Для найповнішого використання переваг НВІС технології при розробці архітектури комп'ютерних систем ЦОС використовується наступні принципи:

адаптації апаратно-програмних засобів до алгоритмів розв'язання задач;

структурно-алгоритмічної орієнтації при розробці методів, алгоритмів і апаратних засобів;

перекладання на апаратну частину якомога більшого числа функцій програмного забезпечення;

використання оперативно програмованих НВІС та реконфігурованих архітектур;

забезпечення регулярності і модульності архітектури комп'ютерних систем ЦОС та широке використання стандартних елементів;

локалізації та спрощення зв'язків між елементами комп'ютерних систем ЦОС;

забезпечення балансу між вводом/виводом та обчисленнями;

широкого використання конвеєризації і просторового паралелізму обробки даних;

одноциклової реалізації більшості команд;

використання універсальної та спеціалізованої паралельної пам'яті для обміну та зберігання інформації;

мінімізації пересилок та скорочення операцій над адресами.

17. Оцінка основних параметрів комп'ютерних систем цифрової обробки сигналів

17.1 Оцінка витрат обладнання

Витрати обладнання - це кількість апаратури, що необхідна для реалізації комп'ютерної системи, виражена в певних одиницях [9]. Одиницею виміру витрат обладнання може бути: кількість блоків стандартних розмірів; кількість друкованих плат; кількість однотипних НВІС або умовних корпусів, приведених до одного типу корпуса; кількість вентилів або транзисторів при реалізації компонент системи у вигляді НВІС. Для сучасних СКС, що виготовлені на базі НВІС, за одиницю виміру витрат обладнання доцільно брати вентиль, який рівний витратам на логічні елементи типу інвертор, І-НЕ, АБО-НЕ. В залежності від вимог до швидкодії, потужності споживання і стійкості до зовнішніх факторів НВІС можуть бути реалізовані за n-MОН, КМОН ,ЕСЛ,ТТЛШ технологіями або на основі арсеніда галію (As Ga). В кожній з перерахованих технологій основні функціональні вузли (регістри, суматори, комутатори, дешифратори, перемножувачі, елементи пам'яті і т. д. ) систем мають різну реалізацію. Витрати обладнання на реалізацію комп'ютерних систем ЦОС складаються з витрат на її складові частини

де і - витрати обладнання на вхідну та вихідну буферну паралельну пам'ять; W_ПК - витрати обладнання на пристрій керування; W_CKj - витрати обладнання на j- сходинку конвеєра системи.

При реалізації комп'ютерних систем ЦОС на НВІС витрати обладнання на її реалізацію в загальному вигляді можна обчислити за формулою

де - витрати обладнання на і-й тип функціонального вузла, а m_i - кількість вузлів і-го типу.

17.2 Продуктивність комп'ютерних систем обробки сигналів

Однією із основних характеристик комп'ютерних систем ЦОС є продуктивність, яка залежить від множини параметрів [9], основними із яких є:

тактова частота приймання вхідних даних F₁=1/Т_цЗп, де Т_цЗп - час циклу запису в БПП;

тактова частота видачі результатів F₂=1/Т_цЧт, де Т_цЧт - час циклу читання із БПП;

пропускна здатність конвеєра Д_k=m/T_k, де m - кількість каналів поступлення даних, T_k - такт роботи конвеєра;

кількість каналів введення K₁ та виведення K₂ (ширина доступу до вхідної та вихідної БПП);

алгоритми розв'язання задач і швидкодія елементної бази.

В залежності від розміру вхідних масивів даних для визначення продуктивності конвеєрної комп'ютерної системи ЦОС може використовуватися: конвеєрний такт T_k, час обчислення Т_о або блочний конвеєрний такт T_kб.

При обробці неперервних вхідних потоків даних продуктивність конвеєрної комп'ютерної системи ЦОС визначається наступним чином.

 (17.1)

де R - складність алгоритму обчислення, яка оцінюється кількістю операцій необхідних для реалізації алгоритму; п- кількість сходинок конвеєра; Т_АОП - час асинхронного обчислення результату; T_k - конвеєрний такт; - час звертання до БПП, який визначається її швидкодією. З формули (17.1) видно, що підвищення продуктивності комп'ютерної системи ЦОС зв'язано з зменшенням конвеєрного такту T_k, який визначається затримкою у найповільнішому ярусі системи. Його можна подати у вигляді суми Т_k=Т_ОЯм+Т_Бп, де Т_ОЯм - максимальний час обчислення в ярусі. Відмінність у часах обчислення Т_ОЯ в ярусах приводить до неповного завантаження обладнання. Виникає задача вирівнювання часів Т_ОЯ, яка розв'язується двома способами: спрощенням комбінаційної схеми швидших ярусів з метою мінімізації затрат обладнання, прискоренням роботи повільних ярусів шляхом їх конвеєризації або розпаралелювання.

При розв'язанні однієї задачі з одиничним масивом вхідних даних продуктивність СКС визначається за формулою

_,

де Т_о - час обчислення, який дорівнює часу між початком першого обчислення і завершенням останнього обчислення при розв'язанні задачі; N₁, N₂ - розміри відповідно вхідного масиву даних і вихідного масиву результатів; Е₁,Е₂ - коефіцієнти, які враховують ефективність часового суміщення відповідно введення вхідних даних і виведення результатів з процесом обчислення.

Для випадку коли СКС розв'язує декілька задач важливе значення має блочний конвеєрний такт Т_Бк, який дорівнює інтервалу часу між початком розв'язку двох задач, що послідовно розв'язуються системою. Продуктивність САЗ у такому режимі роботи визначається так

_,

де Т_Н - час налаштування на розв'язання задачі.

17.3 Ефективність використання обладнання

Ефективність використання обладнання - це інтегральний параметр, який зв'язує продуктивність комп'ютерної системи ЦОС з витратами обладнання на їх реалізацію та дає оцінку елементам (вентилям) системи за продуктивністю [9]. Кількісна величина ефективності використання обладнання визначається наступним чином

де R- складність алгоритму розв'язання задачі; W_КС - витрати обладнання на комп'ютерної системи в вентилях; t - час розв'язання задачі.

Ефективність використання обладнання конвеєрних комп'ютерної системи ЦОС при обробці неперервних вхідних потоків визначається наступним чином

де T_k - такт конвеєра.

Підвищення ефективність використання обладнання комп'ютерною системою ЦОС безпосередньо зв'язане зі зменшенням часу розв'язання задачі та витратами обладнання на реалізацію функціональних вузлів.

При оцінці ефективності використання обладнання пристроїв, які реалізуються у вигляді НВІС необхідно враховувати геометричні, динамічні та інші параметри як активних елементів, так і зв'язків між ними. Це зумовлено тим, що вартість розробки, виготовлення і експлуатації НВІС у великій мірі визначається площею кристалу. Зменшення розмірів активних елементів веде до пропорційного збільшення їх швидкодії та зменшення довжини ліній зв'язку.

Література

1. А.Б.Сергиенко. Цифровая обработка сигналов.- СПб.: Питер, 2002. - 608с

2. Солонина А.И., Улахович Д.А., Яковлев А.А. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов. СПб: БХВ - СПб, 2001, 464с.

3. Ерофеев А.А., Ковалев В.С., Ульянов И.С. Сигнальные процесоры. - М.: Знание, 1991. - 64 с.

4. Яцимірський М. М. Швидкі алгоритми ортогональних тригонометричних перетворень. - Львів: Академічний Експрес. 1997. - 219 с

5. С.Кун. Матричные процессоры на СБИС:-М.:Мир,1991.-672 с.

6. Корнеев В. В., Киселев А. В. Современные микропроцессоры. - М.: НОЛИДЖ, 1998. - 240с.

7. Бондарев В.Н. и др. Цифровая обработка сигналов: методы и средства. Учеб. Пособие для вузов. 2-е изд. - Конус, 2001. - 398с

8. Куприянов М. С., Матюшкин Б. Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования. - Спб. : Политехника, 1998.

9. Цмоць І.Г. Інформаційні технології та спеціалізовані засоби обробки сигналів і зображень у реальному часі.: Монографія - Львів: 2005.-227с

10. Р. Гонсалес, Р. Вуде. Цифровая обработка изображений.- Техносфера.: М.: 2006.-1072с.

Размещено на Allbest.ru