Pokročilé architektury počítačů (PAP_12.ppt) Karel Vlček, katedra Informatiky, FEI VŠB Technická Univerzita Ostrava.

Prezentace na téma: "Pokročilé architektury počítačů (PAP_12.ppt) Karel Vlček, katedra Informatiky, FEI VŠB Technická Univerzita Ostrava."— Transkript prezentace:

1 Pokročilé architektury počítačů (PAP_12.ppt) Karel Vlček, karel.vlcek@vsb.cz karel.vlcek@vsb.cz katedra Informatiky, FEI VŠB Technická Univerzita Ostrava

2 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 2 Multimediální procesory Multimediální procesor (MMP) je softwarově programovatelný procesor, který je určený ke zpracování multimedií Pojmem multimedia označuje soubor dat, který vznikl diskretizací a kvantováním, tedy digitalizací signálu Digitální signál je posloupnost dat, která představují průběh veličiny v čase nebo prostoru

3 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 3 Digitální signál K získání digitálního signálu se používá analogový – číslicový převodník ADC (Analog – Digital Converter) Při převodu analogového signálu na signál číslicový se nejdříve provádí diskretizace Dalším krokem je kvantování diskrétních hodnot, při kterém je veličina převedena na číslo. Posloupnost těchto čísel se nazývá digitální signál nebo multimediální soubor

4 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 4 Klasifikace signálů

5 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 5 Zpracování digitálních signálů Základní sestava počítače a jeho periferií při zpracování digitálních signálů

6 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 6 Výhody digitálního zpracování (1) Vysoká pružnost zpracování dosažitelná programováním počítače Možnost automatické změny při zpracování – adaptivní systémy Časová a teplotní stálost zpracování Zpracování extrémně pomalých změn signálu Snadné ukládání signálů (dat) do paměti

7 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 7 Výhody digitálního zpracování (2) Možnost hromadné výroby digitálních struktur Realizace složitých algoritmů zpracování Přesnost zpracování lze ovlivnit volbou délky zpracovávaných slov Využití současného zpracování většího počtu signálů na principu časového sdílení Vysoká odolnost proti rušení

8 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 8 Nevýhody digitálního zpracování Nutnost použít převodníky ADC a DAC, příprava multimediálních dat Omezená rychlost zpracování Vyšší příkon systému Nižší odolnost proti vzniku poruch, která má příčinu ve větší složitosti architektury systému

9 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 9 Uspořádání jádra a paměti MMP (1) Schéma jádra C24x rodiny TI C2000 Akumulátor Jednotka posuvů ARAU Registry jednotky ARAU Násobička Aritmeticko- logická jednotka Jednotka posuvů DARAM Flash Řízení jádra Dat ová sbě rnic e Pro gra mo vá sbě rnic e

10 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 10 Popis schématu TI C2000 (1) Zjednodušené blokové schéma jádra C24x rodiny TI C2000 Paměti procesoru jsou vyznačeny modrou barvou DARAM (Dual Access Random Access Memory) jádro DSC provádí až dvě operace v jednom instrukčním cyklu

11 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 11 Výkonnost MMP – HW podpora (1) Architektura MMP je odlišná ve třech aspektech: Uspořádání linky výkonných jednotek – násobiček, ALU, střádačů, Rozdělení pamětí na více částí (zejména pro výpočet lineárních transformací) Podpůrné registry pro implementaci smyček, pro spolupráci s ADC a DAC a dalších operací

12 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 12 Výkonnost MMP – HW podpora (2) Rozhraní standardizovanými sběrnicemi (RS232, SPI, CAN, I 2 C, LAN, USB a další) Multiprocesorová komunikace

13 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 13 Popis schématu TI C2000 (2) Zelenou barvou je vyznačena jednotka ARAU (Auxiliary Register Arithmetic Unit) a její registry ARAU slouží pro operace sčítání a odčítání a její nejčastější využití je pro nepřímé adresování např. v algoritmech filtrace, FFT a pod.

14 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 14 Popis schématu TI C2000 (3) Oranžovou barvou je pak značena v pořadí shora dolů: násobička, vlevo od násobičky vstupní jednotka bitových posuvů Jednotka bitových posuvů produktu násobení, aritmetická a logická jednotka, akumulátor (pracovní registr) a výstupní jednotka bitových posuvů

15 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 15 Uspořádání jádra a paměti MMP (2) Schéma procesoru TI TMS320C6416 Registry A L1D cache Registry B.L1.S1.M1. D1.D2. M2.S2.L2 Řízení jádra a podpůrné obvody Jádro C64x L1P cache L2 DMA řadič Viterbi koprocesor Turbo koprocesor 3x časovač Externí paměťové rozhraní 1, 2 3x McBSP PCI UTOPIAHPI

16 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 16 Popis jádra a paměti MMP (2,a) Výbava zahrnuje až 16 multiplexovaných kanálů 10ti bitového (C24x) nebo 12ti bitového (C28x) A/D převodníku 16 PWM (Pulse Width Modulation) výstupů, až 6 vstupů pro zachytávání vnějších logických signálů s možností zachytávání Zpracování údajů až dvou inkrementálních senzorů natočení

17 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 17 Popis jádra a paměti MMP (2,b) Za zástupce DSP disponující vysokým výpočetním výkonem je možné považovat např. DSP rodiny TI C6000, DSP rodiny ADI TigerSHARC Dále DSP rodiny Motorola MSC8100, kde firma Motorola dosahuje vysokého výpočetního výkonu poněkud odlišným způsobem než TI a ADI

18 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 18 Popis jádra a paměti MMP (2,c) Motorola do jednoho pouzdra umístila 4 rozšířené DSP jádra StarCore SC140 Každé jádro nabízí několik výpočetních jednotek TI a ADI mají jen jedno jádro a to obsahuje více výpočetních jednotek. Podrobněji je rozebráno TI pro rodinu C6000

19 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 19 Popis jádra a paměti MMP (2,d) TI dělí rodinu C6000 na 3 podskupiny: C62x (až 2400 MIPS), C64x (až 8000 MIPS) nabízející operace pevné řádové čárky C67x (až 2400 MIPS a 1800 FLOPS) což jsou DSP, které navíc nabízí operace pohyblivé řádové čárky Zjednodušené blokové schéma procesoru TI TMS320C6416 z podskupiny C64x

20 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 20 Uspořádání jádra a paměti MMP (3) SBC6713e firmy Innovative Integration TMS320C6713 Floating-point DSP 128 MB SDRAM Xilinx Spartan-IIE 32 digitálních I/O RS-232 OMNIBUS 1 OMNIBUS 2 TMS320C640DM Ethernet koprocesor Fyzická vrstva ethernet 8 MB SDRAM 32 MB flash 32-bitové FIFO Vstup externích hodin a přerušení Řízení hodin

21 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 21 Popis jádra a paměti MMP (3a) Jedná se o samostatné zařízení v podobě osazené desky plošného spoje disponující jedním procesorem TI TMS320C6713 Samotný procesor nabízí 1800 MIPS 1350 MFLOPS, 4 KB L1P, 4 KB L1D a 256 KB společné pro data a L2 cache externí paměťové rozhraní

22 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 22 Popis jádra a paměti MMP (3b) DMA řadič s 16ti kanály, dvě rozhraní McBSP, jedno 16bitové rozhraní HPI, dva 32bitové časovače a další Deska navíc obsahuje 128 MB paměti typu SDRAM, 32 MB paměti typu flash, signálový procesor TI TMS320DM64 Ethernet 10/100 Mbsp s podporou protokolů TCP/IP a nastartování systému celého zařízení

23 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 23 Literatura: Dvořák, V.: Architektura a programování paralelních systémů, VUTIUM Brno, (2004), ISBN 80-214-2608-X Dvořák, V., Drábek, V.: Architektura procesorů, VUTIUM Brno, (1999), ISBN 80-214-1458-8 Drábek, V.: Výstavba počítačů, PC-DIR, s.r.o. Brno, (1995), ISBN 80-214-0691-7 Mueller, S.: Osobní počítač, Computer Press, Praha, (2001), ISBN 80-7226-470-2 Pluháček, A.: Projektování logiky počítačů, Vydavatelství ČVUT Praha, (2003), ISBN 80-01-02145-9 Prchal, J., Šimák, B.: Digitální zpracování signálů v telekomunikacích, Vydavatelství ČVUT Praha (2001), ISBN 80- 01-02149-1

24 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 24 Literatura (pokračování): Vlček, K.: Diagnostické zabezpečení signálového mikroprocesoru S 2811, Diagnostika mikroprocesorů III. ČSVTS-FEL-ČVUT, Praha (1981), str. 196-200 Vlček, K.: Signálové mikroprocesory, Mikroprocesorová technika IV. ČSVTS-FEL-ČVUT Praha (1981) Vlček, K.: Obvodový emulátor mikroprocesoru 2920, Diagnostika mikroprocesorů IV. ČSVTS-FEL-ČVUT, Praha (1982), str. 142-147 Bowen, B. A., Brown, W. R.: VLSI Systems Design for Digital Signal Processing, Prentice Hall, Inc., N. J. (1982), ISBN 0-13- 942706-6

25 Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 25 Literatura (pokračování): Kung, S. Y., Whitehouse, H. J., Kailath, T.: VLSI and Modern Signal Processing, Prentice Hall, Inc., N. J. (1985), ISBN 0-13- 942699-X Chassaing, R.: Digital Signal Processing with C and the TMS320C30, John Wiley & Sons, Inc., (1992), ISBN 0-471- 55780-3 Marven, C., Ewers, G.: A Simple Approach to Digital Signal Processing. Texas Instruments, (1994), ISBN 0-904047-00-8 Družbík, T.: Příprava aplikace signálového procesoru TMS320C5x. Diplomová práce, UTB, Zlín (2003)