PROCESSEUR DE TRAITEMENT NUMERIQUE DU SIGNAL DIGITAL SIGNAL PROCESSOR - Département de Physique Faculté des Sciences

PROCESSEUR DE TRAITEMENT
   NUMERIQUE DU SIGNAL

  DIGITAL SIGNAL PROCESSOR

Département de Physique
Faculté des Sciences

Option : InfoTronique

Plan du cours
„   Chapitre 1.   INTRODUCTION ET GENERALITES SUR LES DSP

„   Chapitre 2.   ARITHMETIQUE EN PRECISION FINIE

                  FORMAT FIXE OU FORMAT FLOTTANT

„   Chapitre 3.   ARCHITECTURE DE LA FAMILLE TMS320C54X

„   Chapitre 4.   LES PÉRIPHÉRIQUES

„   Chapitre 5.   ASSEMBLEUR

„   Chapitre 6.   MÉTHODOLOGIE ET OUTILS DE DÉVELOPPEMENT

                  D’APPLICATION SUR DSP

F.Lani                      Digital Signal Processor

Objectif du cours
„   Connaître et comprendre les principes de base des
    DSP
„   Connaître l’architecture interne des DSP

    Prérequis
    „    Arithmétique en précision finie
    „    Programmation
    „    Architecture des processeurs

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Introduction et Généralités sur les
                DSP
Microprocesseurs
Principe d’un système de traitement de signal
Architecture
Organisation de la mémoire

Pipeline

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Microprocesseurs
„   Les systèmes ordinés (Computer Systems)

„   Les systèmes dédiés (ou embarqués) (Embedded Systems)
    Appareil ou instrument dont un microprocesseur contrôle le
    fonctionnement, en suivant un programme figé qui est adapté
    (dédié) à cet appareil. En général, le programme d'un système
    dédié est gravé dans une mémoire non volatile (ROM) et le
    microprocesseur exécute ce programme dès la mise sous tension
    de l'appareil.

 Î Les logiciels associés à ces systèmes sont fixés au moment du
  développement des appareils et y sont chargés une fois pour toutes,
  de façon permanente

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Système dédié TS
„    Applications de traitement du signal.

             les besoins de traitement très particuliers
             de ces applications ont donné lieu au
             développement d'un nouveau type de
             processeur : Le processeur de traitement
             du signal (Digital Signal Processor ou
             DSP en anglais).

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Ordinateurs: Microprocesseurs
d'usage général
Fabricant et machine
• Intel: Pentium
• Motorola: PowerPC
• Digital: Alpha Chip
• LSI Logic: famille SPARC (SUN)
...
Caractéristiques typiques
• Bus d'adresse large permettant de gérer des Giga-octets
• Système de gestion de mémoire intégré
• Données sur 32 bits au moins
• Coprocesseur intégré (68040, 486...) ou unité arithmétique et logique supportant les
opérations point flottant (PowerPC).
• Modes d'adressages sophistiqués pour supporter efficacement les langages évolués
• Large surface de silicium
• Difficile à fabriquer => coût élevé
• Forte consommation électrique

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Applications dédiées: Microcontrôleurs
 Types d'applications
                                                       • Cartes de voeux musicales
 • Distributeur de boissons                            • Contrôle des paramètres de combustion d'un moteur
 • Contrôle d'un VCR (commande des moteurs,            d'automobile
 programmation...)                                     • Freins ABS
 • Montres digitales                                   • Contrôleur de disque dur d'ordinateur
 • Télécommandes à infrarouge                          • Souris/clavier
 • Machine à laver la vaisselle                        • Contrôleur de bus USB
                                                       • Imprimante d'ordinateur
 Fabricant et machines                                 • Photocopieuse
 • Motorola: 68HC11                                    ... etc.
 • Intel: 8751
 • Microchip: famille PIC16/17
 • Cypress famille PsoC
 • … etc.

 Caractéristiques typiques
 • Mémoires et périphériques intégrés sur le circuit   • Données sur seulement 8 ou 16 bits
 (peut bien souvent fonctionner sans autres            • Pas d'unité de calcul point flottant
 périphériques)
                                                       • Modes d'adressage limités supportant mal les besoins
 • Bus d'adresses étroit, ne permettant que de gérer   des langages évolués (programmation en langage
 un espace mémoire très limité                         évolué en général peu efficace)
                                                       • Surface de silicium faible
                                                       • Facile à fabriquer => faible coût

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Traitement du signal: DSP (Digital
Signal Processors)
Types d'applications
• Systèmes de télécommunication, téléphonie (compression, stockage, transmission
cellulaire)
• Systèmes de contrôles, asservissements numériques
• Contrôle et stabilisation de trajectoire (applications aéro-spatiales...)
• Audio de haute qualité (lecteurs de disques lasers, DAT, ...)
• Contrôle de disques durs de haute performance
• Modems
• Contrôle actif antibruit/anti-vibrations
• … etc.
Fabricant et machines
• Texas Instruments: TMS320C6000, TMS320C5000...
• Motorola: 56000, 96000...
• Analog devices: ADSP2100, ADSP21000...
• ... etc.

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Configuration Type d’un Système
de TDS

            „   µp généraliste
                      Si temps différé: aucune contrainte
                      Si temps réel :performances
                      appropriées au µp
                      Toute la complexité est rejetée sur
                      la programmation

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Algorithmes de TDS et conséquences
sur les DSP
„   Les Filtres Numériques FIR (Finite Impulse Response)
„   Les Filtres Numériques IIR (Infinite Impulse Response)
„   Les Filtres adaptatifs FIR
„   Correlation (auto ou inter)
„   Le fenêtrage
„   FFT a l’aide d’Algorithme de Cooley TuKey
„   Produit scalaire de deux vecteur

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Algorithmes de TDS et conséquences
  sur les DSP
„Objectifs
           Î efficacité
                calcul des somme de produit
                Accès au données
           Î adressage
           Î une grande précision
           Î une grande dynamique
           Î Type d’opérande manipule

„Contrainte     et fonctions ordinaire des µp
           Îinterfaçage
           Îopération logiques
           Î….etc
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Caractéristiques typiques des DSP
• Processeur point fixe (TMS320C5000, 56000...) ou point flottant (TMS320C67, 96000...)
• Architecture faite pour le calcul intensif. Exemple le TMS320C67 peut faire 1000 millions
d’ opérations point flottant par secondes
• Bus d'adresses pouvant gérer des espaces mémoires limités (64 Kmots, 1 Mmots...)
• Modes d'adressages spécialisés faits pour supporter les opérations de traitement du
signal (adressage circulaire->filtrage, adressage papillon-> Transformées de Fourier...)
• Représentation des nombres limitée (entiers 2 octets, flottants 4 octets...)
•Beaucoup de périphériques intégrés sur le chip (ports série synchrones, ROM, RAM,
temporisateurs...etc.) possibilité de fonctionner presque sans périphérique externe.
• Consommation électrique faible.
• Faible coût.

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Architecture
„   La façon dont les éléments d'un système à
    microprocesseur sont interconnectés et
    échangent leur information
         Architecture de Von Neuman
         Architecture de Harvard

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éléments du système à microprocesseur (CPU,
         mémoire, périphériques) sont interconnectés par un
         système unique de 3 bus

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Architecture de Von Neuman
„Bus  de données Transmet les donnés entre le CPU et les périphériques. Le
bus de données est bidirectionnel.

„Bus   d'adresses Bus par lequel le CPU indique à l'ensemble des
périphériques avec lequel il veut échanger de l'information, et dans ce
périphérique à quel registre particulier il veut accéder. Le bus d'adresse est
unidirectionnel et transporte de l'information du CPU vers les périphériques.

„Bus  de contrôle Bus sur lequel circulent les signaux qui servent à contrôler
et synchroniser les échanges entre le CPU et les différents périphériques du
système.

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Architecture de Harvard

„        deux systèmes de bus séparés.
1.       transferts des instructions de la mémoire
         vers le CPU; c'est le bus "programme".
2.       échanges de données entre le CPU et
         les périphériques; c'est le bus "données".

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Avantages et inconvénients
„ L'architecture Harvard permet donc une
  exécution plus rapide des instructions.
„ L'architecture Harvard est aussi plus sûre
  (d'auto corruption du programme est un
  problème classique qui donne lieu à des
  comportements logiciels difficiles à cerner)
„ l'architecture Harvard est moins flexible.

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Architecture de Harvard Modifiée

„   Pour réduire le coût de la structure Harvard,
    certains DSP utilisent l’architecture dite «
    Structure de Harvard modifiée ». À l’extérieur, le
    DSP ne propose qu’un bus de données et un
    bus d’adresse, comme la structure Von Neuman.
    Toutefois, à l’intérieur, la puce DSP dispose de
    deux bus distincts de données et de deux bus
    distincts d’adresses. Le transfert des données
    entre les bus externes et internes est effectué
    par multiplexage temporel.

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Organisation de la mémoire
„   Mémoire de données avec plusieurs accès
„   Mémoire a accès multiple en lecture et en écriture avec
    plusieurs bus
„   Plusieurs bloc mémoire séparée avec leurs bus dédiés
„   Transfert de données externes avec DMA
„   Modes d’adressages particulier
„   UAL dédiées pour le calcul d’adresses
„   La taille des mémoires adressable dépend de largeur du
    bus d’adresse

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Organisation de la mémoire

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Pipeline
    optimiser le temps d’exécution
    d’un processus répétitif, à
    chaque étape du processus est
    affectée     une      ressource
    indépendante, de façon à
    pouvoir exécuter plusieurs
    processus en parallèle, chacun
    à une étape différente

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Le cycle d’exécution

„   Pre-fetch : Le contenu du compteur de programme (Program Counter ou
    PC en anglais) est placé sur le bus d’adresses (bus « programme »). Le PC
    est ensuite incrémenté.
„   Fetch : L’instruction stockée en mémoire à l’adresse indiquée parle PC est
    lue dans le registre d’instruction.
„   Decode : L’instruction stockée dans le registre d’instruction est décodée.
„   Access : Les adresses de lecture de 0 à 2 opérandes à lire sont, si
    nécessaire, placées sur les bus d’adresse de 2 des bus « données ». Cela
    est fait pour 0, 1 ou 2 opérandes, dépendant de l’instruction.
„   Read : Les 0, 1 ou 2 opérandes à lire sont lus. L’adresse d’écriture d’un
    opérande à écrire est placée sur le bus d’adresse d’un des bus « données
    ». Cela est fait uniquement si l’instruction doit effectuer une écriture.
„   Execute : L’instruction est exécutée. Si cette exécution nécessite une
    écriture en mémoire du résultat, cette écriture est effectuée.

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Pipeline
„   Le pipeline permet au CPU d’exécuter les
    6 étapes précédentes, en parallèle, sur 6
    instructions successives du programme.

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Pipeline

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