Изготовлен с использованием технологии dsp


Надёжный старт: лучшие автомобильные аккумуляторы 2014 года

Ещё в 1859 году были созданы первые опытные образцы аккумуляторов, в качестве основы которых применялись такие материалы, как свинец и серная кислота. Физик Гастон Планте из Франции впервые открыл их свойство удерживать электрический заряд. Несмотря на промежуток времени, разделяющий современность и момент создания первой аккумуляторной батареи, все модели обладают схожими чертами. Конечно, некоторые различия всё же присутствуют, например, свинец используется в комбинации с кальцием либо сурьмой. Кроме того, жидкие электролиты постепенно утрачивают свои позиции — на смену им приходят материалы, созданные по технологиям GEL либо AGM. Наиболее сильные отличия наблюдаются в области основных характеристик — причём разброс их значений может быть очень большим, поэтому, чтобы найти лучший аккумулятор для автомобиля, приходится немало потрудиться.

Хороший автомобильный аккумулятор позволит длительное время не задумываться об его замене

Важнейшие параметры

При работе с клиентом продавцы всегда указывают ему на высокую номинальную ёмкость, рассказывая о том, что уж такой уровень обеспечит уверенную работу при любых условиях окружающей среды. Однако по факту этот показатель обычно используется производителем для продвижения своей продукции и создания у неё имиджа лидера по важнейшим параметрам. Тест автомобильных аккумуляторов, проведённый ведущими мировыми лабораториями, показывает, что намного большее значение имеет показатель резервной ёмкости.

Также при выборе автомобильного аккумулятора стоит оценить и такой показатель, как ток холодной прокрутки при температуре менее 18 градусов. Если вас интересует качество батареи, а также соответствие требованиям автомобильной бортовой сети, стоит оценить показатель напряжения при разомкнутом контуре бортовой цепи — он не может быть менее 12,5 Вольт. А вот по сроку с момента производства никаких существенных ограничений в настоящее время нет. Если устаревшие модели нужно было устанавливать на авто в течение 3 месяцев после момента производства, то в настоящее время допускается вводить в эксплуатацию в течение 1,5 лет, а минимальный срок службы их составляет 6–7 лет.

Видео о том, как выбрать автомобильный аккумулятор:

Рейтинг-2014

Сомнительные варианты

Если вы в настоящее время решаете, какой аккумулятор выбрать, лучше избегать этих вариантов, так как такую покупку вряд ли можно назвать разумной. Конечно, в список аутсайдеров могут попадать не только откровенно некачественные варианты, но и просто неоправданно дорогие модели — к примеру, аккумуляторы BOSCH показывают себя с лучшей стороны, но производитель дорого оценивает свой бренд, что приводит к неоправданному завышению стоимости. Причём этот вариант является не худшим — а вот батареи, выпускающиеся в Корее под торговой маркой Eneus Perfect, при средней стоимости обладают характеристиками, далёкими от оптимальных. Список моделей, от покупки которых желательно воздержаться, включает следующую продукцию:

EcoStart — один из аккумулятор с сомнительным качеством

Средний класс

Среди аккумуляторов есть модели, которые не отличаются особенно высоким качеством и превосходными параметрами, однако обладают адекватной ценой. Тест аккумуляторов 2014 года показывает, что у всех батарей из «среднего класса» есть ряд отличительных черт — все они соответствуют ГОСТу, а также обладают вполне приемлемой резервной ёмкостью. Однако они отличаются и характерными недостатками — в частности, слабыми показателями пускового тока при отрицательной температуре окружающего воздуха. Среди моделей, которые заслуживают внимания потребителя, можно назвать следующие:

Лучше не пожелаешь

Составленный рейтинг автомобильных аккумуляторов позволил выделить 10 лучших моделей, которые обладают неплохими параметрами, полностью соответствующими суровой действительности климата нашей страны. При этом вам не придётся выкладывать за них неоправданно большую сумму денег — стоимостные параметры аккумуляторов, попавших в топ-10, полностью соответствуют их характеристикам, а также качеству изготовления и сборки. Поэтому увидев в продаже перечисленные модели, вы можете не раздумывать долго и смело совершать покупку — цена будет полностью оправданной.

Exide Premium

Аккумуляторы этой марки получают разные отзывы, но потребители сходятся в том, что существенных минусов у них нет, хотя нужно ещё присматриваться к их соответствию параметрам автомобиля. Резервного заряда хватает приблизительно на 115 минут, ёмкость составляет 64 Ач при пусковом токе, достигающем 640 А. Существенный минус — очень плохие показатели при температуре ниже -20 оC, что делает спорной цену в 4600 рублей.

Tyumen Battery Standart

При покупке этой модели или её аналога премиум-класса стоит внимательно следить за датой выпуска — вполне возможно, что вам продадут за 2100 рублей аккумулятор, характеристики которого существенно ухудшились за прошедшее время. При ёмкости в 60 Ач пусковой ток составляет 520 А, а резервного заряда хватает на 109 минут. Морозостойкость хороша — показатели начинают ухудшаться только после -25 оC.

ЗВЕРЬ

Аккумулятор стоимостью в 4100 рублей вот уже несколько лет попадает на лидирующие позиции, хотя с каждым годом его номер в рейтинге увеличивается. При достаточно хорошем показателе пускового тока модель обладает неплохим, но далеко не лучшим временем резервной работы в 109 минут. Однако главным его преимуществом является отличная долговечность, о которой говорят отзывы потребителей.

Varta Blue Dynamic

Производитель позиционирует эту серию, как аккумуляторы для эксплуатации при низких температурах. Причина того — в уникальной технологии AGM, которая заключается в удержании электролита пористым стеклом. Кроме того, аккумулятор содержит значительное количество серебра и обладает собственной системой улавливания конденсата. Однако резервный период работы, равный 106 минутам, несколько маловат для стоимости в 3900 рублей.

АКТЕХ

Один из лидеров по резерву, способный работать более 2 часов (124 минуты) исключительно на внутреннем резерве. Однако аккумулятор, основанный на гибридной технологии, предполагающей использование сурьмы и кальция, обладает средним уровнем пускового тока (550 А), а также умеренной морозостойкостью, заставляющей его прекратить работу при -30 оC. Однако стоимость в 3200 рублей позволяет простить ему некоторые минусы.

TAB Polar

Несмотря на название, аккумулятор этой модели не выдерживает температуры -30 оC, не говоря уже о показателях полюсов Земли. Кроме того, он не является лидером ни по одному из основных показателей. А вот ёмкость резерва в 122 минуты является достаточно хорошим аргументом для приобретения батареи за 4000 рублей.

ROYAL

Производитель, подаривший миру аккумуляторы Medalist, хорошо показал себя и при выпуске новой модели. Показатели работы при температуре ниже -25оC отличные, хотя немного смущает умеренная для этого класса резервная ёмкость в 112 минут. Всё в совокупности, а также неплохие показатели работы при глубоком разряде, позволяет рекомендовать приобретать батарею за 4200 рублей.

A-MEGA

Начать следует с минусов, среди которых — посредственная ёмкость и слабый резерв работы, равный всего 112 минутам. Зато аккумулятор хорошо работает при низких температурах и выдаёт все остальные характеристики на уровне выше среднего. Цена, установленная на уровне 4400 рублей, вполне соответствует качеству.

MUTLU Silver Edition

Уровень абсолютно всех показателей превышает средний – резерв работы составляет 118 минут, а пусковой ток — 550 А. Единственный минус, который можно указать в этом случае — неуверенная работа при -30оC. Однако стоимость вполне разумна, так как она составляет 3200 рублей.

Tyumen Battery Premium

Благодаря использованию модификатора активной массы, представляющего собой специальную пасту, а также технологии DSP, аккумулятор тюменского производителя выдаёт 590 А пускового тока при ёмкости в 64 Ач. Стоит отметить и хорошие показатели при работе с температурой ниже -25оC. Единственный показатель, по которому батарея не является лидером — резервная ёмкость, составляющая 121 минуту. Однако благодаря цене в 2500 рублей аккумулятору можно простить этот небольшой минус.

Аккумуляторы для зимы

Когда после холодной ночи машина не заводится, в голове мелькает тысяча панических мыслей — особенно если до места назначения ехать не один десяток километров. Поэтому необходимо знать, какой аккумулятор лучше подходит для старта мотора в зимнее утро. Батареи с малым количеством сурьмы достаточно быстро набирают заряд, однако столь же быстро разряжаются. Если же говорить о кальциевых аккумуляторах, то после глубокого разряда они могут и не вернуться в строй. А вот гибридные модели, хотя и не лидируют в определённом показателе, зарекомендовали себя с лучшей стороны.

Лучшие аккумуляторы для зимы обладают очень высокими показателями стартового тока, начинающимися от 600 А — если же ваша батарея обладает показателем только в 480 А, вряд ли можно гарантировать, что она позволит запустить мотор с загустевшим маслом. Кроме того, стоит ориентироваться и на модели со значительным резервом работы — стоит помнить, что зарядка начинается исключительно при прогреве аккумулятора и только при высоких оборотах коленвала. Необходимо также дать совет — когда дорога от дома до работы занимает меньше часа, необходимо периодически проверять уровень заряда батареи, так как именно такое время уходит на полное восстановление ёмкости. В противном случае однажды утром ваш аккумулятор откажется заводить двигатель и придётся принимать экстренные меры.

В зимний период аккумуляторы подвергаются большей нагрузке

Чтобы понять, какой аккумулятор лучше для зимы, следует обратить внимание и на такую опцию, как индикатор заряда. Если уровень будет приближаться к минимальному, поплавок поднимется на поверхность и оповестит собственника машины о необходимости подзарядки — примером такого изделия является аккумулятор Зверь. Кроме того, отдавайте предпочтение моделям с минимальным количеством углублений и отверстий, так как аккумулятор не должен накапливать в себе различные загрязнители.

Чтобы понять, какой аккумулятор лучше зимой устанавливать на авто, стоит взглянуть на результаты лабораторных тестов. Для этого проводится измерение длительности работы с отдачей электрического заряда, обладающего напряжением не менее 10,5 В при уровне нагрузки 25 А. Согласно ГОСТ, период работы на резервной ёмкости в таких условиях должен превышать 98 минут. Подвергшиеся испытанию батареи ёмкостью 60 Ач показали следующие результаты:

Испытания проводились на специализированном стенде в динамометрической лаборатории с имитацией реальных условий эксплуатации. Не дотянул до требований стандарта только аккумулятор Black Horse. Предельную надёжность показала модель Varta Blue Dynamic, а вот батарее Зверь не хватило только 7 минут для того, чтобы стать лидером. Хотя оба эти аккумулятора позволяют ехать более 30 км на скорости 40 км/ч в случае неисправности генератора.

Выбираем без лишних сложностей

Подбирая аккумулятор, старайтесь отдавать предпочтение не брендам и громким слоганам, а фактическим показателям и реальной надёжности, ориентируясь на рейтинг аккумуляторов 2014 года. Практика показывает, что даже модели с умеренной стоимостью могут обладать параметрами, лучшими, чем у изделий, выпущенных под громкими брендами. И конечно же, не забывайте следить за уровнем заряда, не допуская его снижения до критических показателей в зимний период.

365cars.ru

Аккумуляторы ТЮМЕНЬ

Аккумуляторная батарея является неотъемлемой частью любого современного автомобиля. Именно от аккумулятора будет зависеть надежность пуска двигателя, работа системы зажигания и электрооборудования. Неизбежно в процессе эксплуатаии автомобиля появляется необходимость замены аккумулятора, ибо срок его служб значительно меньше срока службы автомобля.

АО "Тюменский аккумуляторный завод" производит более 50 типов аккумуляторных батарей для легковых автомобилей емкостью 38-100 Ач и грузовых автомобилей емкостью 132-230 Ач.

 

Модельный ряд "PREMIUM"

Аккумуляторы высокого класса для работы в любых климатических условиях.

 

Модельный ряд "STANDARD"

Экономичное решение при стандартной комплектации и энергонасыщенности.

Модельный ряд "Сибирь"

Надежный и стабильный пуск при низких температурах.
 

Модельный ряд "ASIA"

Аккумуляторы для установки на японские и азиатские автомобили
 

Модельный ряд "Тайга"

Мощный старт, высокая надежность и безопасность.
   

Модельный ряд "PREMIUM"

Достоинства и преимущества

 Конструкция

Тип батареи

Номинальная

емкость (20ч),

Ah

Ток холодной

прокрутки (EN),

A

Резервная

емкость,

мин.

Габаритные размеры,

мм

Максимальная

масса, кг

Расположение

полюсных

выводов

(см.рис.)

Д Ш В
  6СТ-50L 50 410 79 206 175 190 13,8  1, 1a
      6СТ-60LA    60  510  98  242 175 175  16,0  1, 1a
   6СТ-64L  64 590 106 242 175 190 17,2 1,1a
   6СТ-74L 74 630 126 278 175 175 18,9 1,1a
   6СТ-77LA 77 640 132 278 175 190 20,5 1,1a
   6CT-80L  80 660 138 306 175 190 20,7 1,1a
   6CT-95L 95 720 169 345 175 213 26,0  1,1a
   6CT-145L 145 970 278 513 189 230 40,9  2,2a
   6CT-210L 210 1360 432 518 228 236 54,7  2,2a
   6CT-220L  220 1420 456 518 228 236 56,4  2,2a
6СТ-230L 230 1480 481 518 278 242 59,4  2,2a

 Модельный ряд "STANDARD"

Достоинства и преимущества

 Конструкция

Тип батареи

Номинальная

емкость (20ч),

Ah

Ток холодной

прокрутки (EN),

A

Резервная

емкость,

мин.

Габаритные размеры,

мм

Максимальная

масса, кг

Расположение

полюсных

выводов

(см.рис.)

Д Ш В
      6СТ-44L    44 390 68 206 175 190 13,6 1,1а
   6СТ-55L 55 500 88 242 175 190 15,3 1,1а
   6CT-58L 58 510 94 242 175 175 15,8 1,1а
   6CT-60L 60 520 98 242 175 190 16,1 1,1а
   6CT-62L 62 550 102 242 175 190 16,8 1,1а
   6CT-66L 66 580 110 306 175 175 19,5 1,1а
  6CT-70L 70 590 118 278 175 190 19,2 1,1а
  6CT-72L 72 620 122 278 175 175 18,7 1,1а
   6CT-75L 75 630 128 306 175 190 20,0 1,1а
  6CT-82L 82 690 142 315 175 175 21,2 1,1а
   6CT-90L 90 680 158 345 175 213 25,0 1,1а
   6CT-100L 100 790 179 352 175 192 26,5 1,1а
   6CT-132L 132 920 249 513 189 230 39,1 2,2а
   6CT-190L 190 1300 383 518 228 236 50,7 2,2а
6СТ-225L 225 1450 468 518 278 242 57,4 2,2а

 Модельный ряд "Сибирь

Достоинства и преимущества

 Конструкция

Тип батареи

Номинальная

емкость (20ч),

Ah

Ток холодной

прокрутки (EN),

A

Резервная

емкость,

мин.

Габаритные размеры,

мм

Максимальная

масса, кг

Расположение

полюсных

выводов

(см.рис.)

Д Ш В
      6СТ-60L    60 530 98 242 175 190 16,4 1,1а
   6СТ-62L 62 570 102 242 175 190 16,9 1,1а
 

 6CT-60L

"Magic eye"

60 530 98 242 175 190 16,4 1,1а
 

 6CT-62L

"Magic eye"

62 570 102 242 175 190 16,9 1,1а
   6CT-78L 78 650 134 306 175 190 20,5 1,1а
   6CT-92L 92 700 163 345 175 213 25,7 1,1а
   6CT-142L 142 950 272 513 189 230 40,5 2,2а
   6CT-200L 200 1340 407 518 228 236 53,7 2,2а

 Модельный ряд "Тайга"

Достоинства и преимущества

Конструкция

Тип батареи

Номинальная

емкость (20ч),

Ah

Ток холодной

прокрутки (EN),

A

Резервная

емкость,

мин.

Габаритные размеры,

мм

Максимальная

масса, кг

Расположение

полюсных

выводов

(см.рис.)

Д Ш В
      6СТ-56L    56  500  90  242 175 190  15,5  1, 1a
    6СТ-63L 63 575 104 242 175 190 17,0 1,1а
    6СТ-77L  77 640 132 306 175 190 20,2  1,1а
    6СТ-90L  90 690 158 345 175 213 25,1  1,1а
    6СТ-135L  135 930 256 513 189 230 40,0  2,2а
    6СТ-195L  195 1320 395 518 228 236 51,0  2,2а

 Модельный ряд "ASIA"

Достоинства и преимущества

 Конструкция

Тип батареи

Номинальная

емкость (20ч),

Ah

Ток холодной

прокрутки (EN),

A

Резервная

емкость,

мин.

Габаритные размеры,

мм

Максимальная

масса, кг

Расположение

полюсных

выводов

(см.рис.)

Д Ш В
      6СТ-38L    38 350 57 187 128 223 11,0 1,1а
   6СТ-40L 40 360 61 187 128 223 11,1 1,1а
   6CT-45L 45 400 70 236 128 223 13,5 1,1а
   6CT-50L 50 410 79 236 128 223 13,7 1,1а
   6CT-60L 60 520 98 231 173 223 16,1 1,1а
   6CT-75L 75 600 128 266 172 220 21,0 1,1а
6СТ-95L 95 720 169 302 172 223 26.0 1.1а

sskorost.ru

DSP, или чем прирастает рынок процессоров

28.01.2002 Дмитрий Мурин Рубрика:Индустрия

Отправить заявку на получение материалов

Впечатляющий прогресс проявляется во все более широком распространении сотовых телефонов и голосовой почты, в удаленном доступе, в расширяющемся применении портативных компьютеров и PDA, видеоплейеров, видеокамер и систем, связанных с использованием Internet.

В основе функционирования многих этих устройств лежит концепция цифровой обработки сигнала (digital signal processing, DSP).

Особенности современных DSP-архитектур

DSP-процессоры используются для непрерывной обработки сигналов, следующих в режиме реального времени. Сфера применения таких устройств разительно отличается от применения других процессоров. В DSP-процессоре интервал времени, необходимый для завершения операции, должен быть определен очень точно. Иными словами, вероятность прерывания обработки сигнала должна быть сведена к нулю: любую функцию, которая может привести к прерыванию операции, следует либо исключить, либо изменить, чтобы прерывания не произошло. Это предопределяет весьма существенные отличия архитектуры таких устройств от «обычных» процессоров.

Между тем DSP-процессоры все чаще начинают выполнять некоторые типичные функции микроконтроллеров или даже RISC-процессоров. Среди архитектурных особенностей нынешних DSP-процессоров можно отметить прямой доступ к памяти, поддержку возможности интегрирования разных видов устройств ввода/вывода, два уровня кэш-памяти. Но, пожалуй, самое современное решение в области DSP-процессоров связано с использованием архитектуры, допускающей употребление очень длинных командных слов (very large instruction word, VLIW). Удивительно, но, как только несколько лет назад такое решение было внедрено в ядро DSP-процессора компании Texas Instruments, его быстродействие возросло сразу на порядок. Быстродействие современных DSP-процессоров измеряется миллиардами операций в секунду.

Если же VLIW-архитектура поддерживается еще и адекватно настроенным компилятором, то функционирование DSP-процессора может стать не только исключительно эффективным, но и предельно простым. Поэтому в настоящее время наметился крен в сторону программного конструирования DSP-архитектур. Это ведет к дальнейшему увеличению быстродействия, причем такой инструментарий становится доступным все большему числу программистов. Последние, очевидно, довольны тем, что могут использовать меньшего размера программный код, поскольку команды — одиночные, с множественными данными и переменной длины — могут быть упакованы в одно слово.

Еще один плюс VLIW-архитектуры заключается в том, что она обеспечивает параллелизм двух видов — параллелизм выполнения операций умножения с накоплением и параллелизм шин. Это позволяет еще более увеличить быстродействие, так как подсистема памяти проектируется с учетом производительности ядра, а компилятор теперь может эффективно поддерживать конвейерную структуру с массовым параллелизмом. Конечно, архитектура DSP-ядра слишком сложна, чтобы можно было просто добавлять магистрали данных по мере наращивания модулей, однако будущее DSP-процессоров в значительной мере связывается сегодня именно с такой возможностью масштабирования в целях дальнейшего увеличения быстродействия.

Недалекое прошлое и недалекое будущее

Потенциал DSP-процессоров стал всерьез рассматриваться разработчиками два десятилетия назад. Так, в 1982 году DSP-процессор, реализованный на 50 тыс. транзисторах, обладал быстродействием 5 млн. операций в секунду при энергопотреблении 150 мВт на 1 млн. операций в секунду и стоил 150 долл. Спустя 10 лет количество транзисторов увеличилось на порядок, быстродействие возросло в восемь раз, потребляемая мощность сократилась более чем вдвое, а цена уменьшилась вдесятеро. К середине 90-х годов DSP-процессоры достигли уровня цен, рабочих характеристик и потребления энергии, допускающих их массовое применение. Их производство стало крупносерийным. Тогда же сложились новые рынки, в том числе ориентированные на Internet или на беспроводные приборы, которые потребовали использования гораздо более быстродействующих устройств. Налицо классический пример своевременного появления именно той технологии, которая необходима.

В компании Texas Instruments предсказывают, что в следующем году появится DSP-процессор, который будет содержать 5 млн. транзисторов, обладать быстродействием в 5 млрд. операций в секунду, энергопотреблением всего 0,1 мВт на 1 млн. операций в секунду и стоить всего лишь 1,5 долл. Подобные микросхемы изготавливаются на кремниевых пластинах диаметром 300 мм, тогда как 20 лет назад использовались 75-миллиметровые. К 2010 году, также согласно оценкам экспертов Texas Instruments, будет реализован DSP-процессор на 50 млн. транзисторов, при этом будет использоваться кремниевая пластина диаметром 400 мм, а нормы проектирования составят всего 0,02 мкм. Быстродействие устройства составит 50 млрд. операций в секунду, тактовая частота — 10 ГГц, потребляемая мощность 0,001 мВт на 1 млн. операций в секунду, а цена — 15 центов. Можно, конечно, усомниться в достижимости столь фантастических параметров, но, как свидетельствует вся история микроэлектроники, какими бы «безумными» ни были прогнозы, реальность всегда их превосходит.

Сетевые процессоры

Удивительно, но еще пару лет назад самого термина «сетевые процессоры» не существовало. Однако именно в это время более 20 компаний приступили к разработке подобных архитектур. Основные задачи сетевых процессоров — классификация, манипуляция и идентификация пакетов данных, управление таблицами просмотра и очередью. О масштабности возлагаемых на сетевые процессоры задач свидетельствует уже само наличие разнообразных сетей — глобальных, локальных, корпоративных, общедоступных, по которым передается информация разной природы. Виды каналов связи также разнообразны — медные, коаксиальные, волоконно-оптические, инфракрасные, радио... И при этом обязательным является требование высокой скорости передачи данных.

Сетевые процессоры отличаются исключительной сложностью. Пожалуй, самый характерный пример — сетевой процессор C-5 Digital Communication Processor компании C-Port, в состав которого входят 16 RISC-процессоров, 32 процессора обработки последовательных данных, 5 сопроцессоров и внутренняя шина со скоростью передачи данных 60 Гбайт/с. Естественно, сетевые платформы часто создаются с использованием собственного опыта разработки интегральных схем и универсальных процессоров. Например, корпорация IBM в качестве младших моделей процессоров для оборудования локальных и глобальных сетей предлагает RISC-процессор Power PC. В Motorola предполагают интегрировать будущие версии сетевого процессорного ядра C-5 с RISC-ядрами Power PC. Компания Analog Devices предложила новую линию процессоров AD6x89 для оборудования глобальных сетей, в состав которых входит масштабируемый процессор защиты данных, процессор глобальных сетей, контрольный процессор — и все эти устройства созданы на базе 125-мегагерцевого RISC-процессора; кроме того, имеется 32-разрядная шина обмена данными.

Не обходит своим вниманием рынок сетевых процессоров и корпорация Intel, которая начиная с 1997 года приобрела два десятка фирм, специализировавшихся в создании интегральных схем для сетевого и телекоммуникационного оборудования. В частности, два года назад состоялась одна из крупнейших сделок в отрасли схемотехники, когда Intel за 2,2 млрд. долл. купила компанию Level One Communications, известную своим опытом в создании аналоговых схем и схем со смешанной обработкой сигналов для сетевых процессоров. IXP1200, базовая модель сетевого процессора Intel, в настоящее время имеет шесть 200-мегагерцевых RISC-ядер, организованных на основе архитектуры StrongARM. Этот программируемый сетевой процессор способен обрабатывать 3 млн. пакетов в секунду. В 2001 году выпущено еще две версии процессора — IXP1240 и IXP1250.

Еще немного о сетях

Все более проявляется тенденция к размещению средств доступа к сети не на пользовательском конце, а со стороны Internet-провайдеров или корпоративных шлюзов. Это то, что называется удаленным доступом. Сервер удаленного доступа содержит множество модемных портов, каждый из которых может быть подключен к конкретному пользователю. До сих пор, однако, аналоговые интегральные схемы входят практически в каждый персональный компьютер, и в такой ситуации рынок традиционных пользовательских модемов, где прибыль не превышает 10%, становится невыгоден. Поэтому и завоевывают популярность программные модемы, где цифровую обработку сигнала и функции управления осуществляет центральный процессор. Примечательно, что темпы роста рынка программных модемов даже выше, чем для других DSP-решений. Рынок средств удаленного доступа куда выгоднее — более высокие доходы и менее жесткая конкуренция. Здесь открываются прекрасные перспективы для интегрированной передачи голоса и данных посредством протоколов, подобных Voice over IP.

Texas Instruments, Lucent, Motorola, Intel значительное внимание уделяют решениям в области голосового ввода. Последняя год назад продемонстрировала платформу голосового доступа в Internet, названную Voice Portal Platform; эта платформа основана на технологиях непрерывной обработки речи, разработанной в Dialogic, дочерней компании Intel. Этим в Intel не ограничились и в своем стремлении составить конкуренцию Texas Instruments начали поставки программируемого DSP-процессора IXS1000, который обеспечивает работу с голосом и данными в Internet. Процессор работает совместно с 8-портовым магистральным интерфейсом и 8-портовой схемой задания кадров.

Но и на этом Intel не успокоилась: совместно с IBM ведутся работы, имеющие своей целью создание беспроводных приборов следующего поколения, а именно разрабатываются стандартные программно-аппаратные средства для Internet-систем. При этом IBM предоставит встраиваемые микропроцессорные средства для устройств на базе архитектуры Intel Personal Client Architecture, а также инструментарий для StrongARM и будущих процессоров на основе микроархитектуры Xscale. Сама же IBM разработала эталонную Internet-приставку Power PC Internet Appliance Platform.

Встроенные применения

DSP-процессоры оказываются исключительно важным подспорьем в разнообразных встроенных применениях. Так, только продажи DSP-процессоров для контроллеров дисководов в прошлом году составили 0,5 млрд. долл.; примерно на такую же сумму продано и схем для управления функциями цифрового канала считывания. Плотность записи на магнитных дисках ежегодно увеличивается более чем на 60%, что намного превосходит темпы, определяемые законом Мура. Поэтому, разумеется, требуются и более быстрые процессоры и более сложные алгоритмы управления. Основной поставщик DSP-процессоров для контроллеров дисковых накопителей — все та же компания Texas Instruments. Намного отстают от нее Cirrus Logic, IBM, NEC и STMicroelectronics. На рынке схем для управления функциями канала считывания безусловным лидером является Lucent.

Еще один перспективный сегмент рынка — аудиоаппаратура и средства профессиональной звукозаписи. Так, компания Toshiba выпускает серию DSP-процессоров для поддержки различных форматов сжатия сигнала, используемых в телевизорах, портативных аудио- и DVD-плейерах. Наиболее известен процессор TC9446F-004, предназначенный для декодеров сигналов в популярном в Сети MP3-формате. DSP-процессоры находят применение в медицинских приложениях, в слуховых аппаратах, в стимуляторах сердечной деятельности, в том числе и таких, которые способны работать с использованием Internet. Наконец, без DSP-процессоров нельзя представить и электронные книги.

Итого

Рынок сетевых процессоров пока невелик. В соответствии с данными IDC, его оборот в 2000 году «не дотянул» и до 60 млн. долл. В 2001 году, как ожидается, продажи сетевых процессоров превысят продажи процессоров универсальных, предназначенных для использования в сетевом оборудовании. Однако продажи специализированных и стандартных интегральных схем, использующихся в сетях, пока превышают объем продаж сетевых и универсальных процессоров, вместе взятых. Вместе с тем, по данным IDC, продажи сетевых процессоров в 2003 году превысят 550 млн. долл. Еще более оптимистичны аналитики Cahners In-Stat Group, утверждающие, что к 2004 году этот рынок вплотную приблизится к отметке в 3 млрд. долл.

Рынок DSP-процессоров в настоящее время в целом не просто стабилен, но, как свидетельствуют данные аналитических компаний WSTS и IC Insight, характеризуется устойчивым ростом в стоимостном и в натуральном выражении. Объем продаж достиг 7,86 млрд. долл. (1,1 млрд. шт. в натуральном выражении). Неуклонно падает цена: если в 1995 году она составляла в среднем 12,9 долл., то сейчас — всего лишь 6,8 долл. Согласно прогнозу, через три года объем продаж достигнет 14,6 млрд. долл. (2,2 млрд. шт.), причем цена несколько замедлит свое падение и составит около 6,5 долл.

Важно отметить, что рынок DSP-процессоров обычно растет быстрее рынка интегральных схем. Например, в 1995 году среднегодовой прирост для этих рыночных сегментов составил 51% и 32%, в 1997 — 34% и 4%, а в 2000-м — 22% и 19% соответственно.

Перспективы рынка DSP-процессоров

Конечно, вне конкуренции был и остается рынок процессоров для средств связи. Доля этого сектора в общем рынке DSP-процессоров неуклонно возрастает и начиная с этого года превысит 50%. Главной движущей силой развития остаются беспроводные системы связи. Основными разработчиками и изготовителями DSP-процессоров для этих систем являются компании Texas Instruments, Lucent, Motorola, Conexant (ранее Rockwell Semiconductor Systems). Все они начинают активно осваивать рынок систем мобильной связи третьего поколения, обеспечивающих широкополосную высококачественную передачу больших объемов данных и речевой информации, а также поддержку мультимедийных средств.

Texas Instruments

Эта компания является крупнейшим производителем DSP-процессоров (более 41% мирового рынка). Почти каждая новая ее разработка становится значительным шагом вперед в развитии технологий DSP. Сравнительно недавно выпущены первые три схемы на базе DSP-ядра TMS320C64x — TMS320C6414, TMS320C6415 и TMS320C6416, работающие на частотах до 600 МГц. Во всех этих устройствах используется VLIW-архитектура. Наиболее интегрированной является модель С6416, в состав которой входят сопроцессоры и интерфейсы, специально предназначенные для базовых станций третьего поколения.

Motorola

Наиболее известная разработка компании — процессор DSP56690, который поддерживает все известные системы стандартов CDMA, TDMA, все европейские и американские сотовые системы. В состав схемы входят ядро DSP56600 с тактовой частотой 100 МГц и 32-разрядный микропроцессор М210 семейства M-CORE, работающий на частоте более 50 МГц. В июне 2001 года на конференции по встраиваемым процессорам компания сообщила о разработке процессорного ядра Power PC следующего поколения; 32-разрядное RISC-ядро, оптимизированное для построения решений категории «система на кристалле», обладает частотой 800 МГц при энергопотреблении 3 мВт/МГц. Ядро площадью всего 6 кв. мм изготавливается по 0,13-микронной технологии. В двухканальной суперскалярной архитектуре используется 7-стадийный конвейер, но основной особенностью ядра является наличие прикладных процессорных устройств, предназначенных для выполнения расширенного набора команд Power PC Book E. Одно из таких устройств осуществляет цифровую обработку сигнала с быстродействием 1,6 млрд. операций умножения с накоплением в секунду.

Lucent Technologies

Процессор DSP16410 предназначен для стационарных станций беспроводных систем третьего поколения. В его состав входят два ядра серии DSP1600 и оперативное запоминающее устройство емкостью 3 Мбит, что обеспечивает значительную гибкость в выборе типа программного обеспечения цифровой обработки сигнала. Эффективно обрабатывать сигнал помогает контроллер прямого доступа к памяти, а за обработку данных отвечают усовершенствованные интерфейсы большой пропускной способности. Процессор может быть использован в оборудовании различных стандартов передачи голоса и данных, в том числе разного рода вариантах CDMA и TDMA.

Star Core

Этот проект совместного технологического центра был задуман компаниями Lucent Technologies и Motorola с целью пошатнуть позиции Texas Instruments. Основанием для объединения усилий послужило то обстоятельство, что Motorola и Lucent имеют 36% рынка DSP-процессоров (напомним, Texas принадлежит 41%). Совместными усилиями была создана DSP-архитектура, используемая в схемах обеих компаний.

Около двух лет назад было создано DSP-ядро SC100-SC140, которому требуется сила тока 0,1 мА на млн. операций в секунду при тактовой частоте 300 МГц и напряжение 1,5 В. При работе в условиях, где необходимо исключительно низкое напряжение питания, SC140 может работать и при 0,9 В на тактовой частоте 120 МГц. Ядро располагает средствами параллельной обработки — четырьмя устройствами умножения с накоплением данных, четырьмя устройствами группировки разрядов, двумя арифметическими устройствами адресации и четырехступенчатым конвейером. Архитектура SC140 предусматривает применение наборов команд переменной длины. Подобная технология позволяет осуществлять одновременно несколько 16-разрядных команд за один цикл. Ядро SC140 допускает сопряжение с другими микроконтроллерными или DSP-ядрами, а также с самопрограммируемыми сопроцессорами. Ядро SC140 послужило основой DSP-процессора MSC8101, созданного Motorola для реализации систем третьего поколения, Internet-устройств и многоканальных цифровых абонентских линий. Помимо DSP-ядра, MSC8101 имеет память 512 Кбайт, 32-разрядный RISC-процессор, 64-разрядную шину Power PC, гибкое устройство системной интеграции и 16-канальное устройство прямого доступа к памяти. В системе обеспечивается быстродействие процессорного ядра 1,2 млрд. операций в секунду, RISC-процессора — 3 млрд. операций в секунду.

Analog Devices

Специалисты компании разработали 16-разрядное процессорное ядро ADSP-219x для сотовых телефонов третьего поколения. Быстродействие интегральной схемы с четырьмя такими ядрами составляет 1,2 млрд. операций умножения с накоплением в секунду при потреблении 0,4 мА/млн. операций в секунду и напряжении питания 2,5 В. В схеме также используется высокопроизводительный шинный интерфейс АМВА компании ARM, который облегчает интеграцию со стандартными устройствами памяти, последовательными портами, каналами связи. Одно из последних предложений компании — схемы AD6489/AD6689, дополненные соответствующим ПО и предназначенные для широкополосной передачи цифровых и голосовых данных.

В кооперации с Intel разработан 16-разрядный процессор Blackfin, в котором применена архитектура Micro Signal Architecture. Это первый процессор с динамическим управлением питания, которое заключается в независимой регулировке как напряжения, так и частоты, что приводит к снижению потребления энергии на 60%. Подобные устройства предназначены для реализации видеоприложений в Internet. Ведется работа по увеличению тактовой частоты процессора до 1 ГГц и выше.

Наступает эра DSP

Впечатляющий прогресс физики полупроводников проявляется во все более широком распространении сотовых телефонов и голосовой почты, в удаленном доступе, в расширяющемся применении портативных компьютеров и PDA, видеоплейеров, видеокамер и систем, связанных с использованием Internet. В основе функционирования многих этих устройств лежат сигнальные процессоры

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

www.osp.ru

Цифровая обработка сигналов: прошлое и настоящее. Часть 1. Прошлое

Главная  → История отечественной вычислительной техники  → Цифровая обработка сигналов: прошлое и настоящее. Часть 1. Прошлое

В. М. Сазанов, Н. С. Парфенов

Введение

Многие вещи нам непонятны не потому, что понятия наши слабы; но потому, что сии вещи не входят в круг наших понятий.

К. Прутков

принято называть в вычислительной технике арифметическую обработку последовательностей равноотстоящих во времени отсчетов. Под цифровой обработкой понимают также обработку одномерных и многомерных массивов данных.

Безусловно, данная обработка может быть выполнена с помощью обычных вычислительных средств. Например, на современном персональном компьютере с процессором типа Pentium IV обработка не представляет никаких трудностей. Однако именно специфика последовательности предоставляет дополнительные возможности для достижения высокой эффективности при жестких ограничениях систем реального времени.

Не секрет, что первые вычислительные машины были созданы в 40-х годах прошлого столетия для решения задач криптографии, баллистики, ядерной физики, практического построения систем противовоздушной обороны. Системы и методы цифровой обработки также разрабатывались в оборонных отраслях в первую очередь для решения задач радиолокации, обработки гидроакустических и тепловизионных сигналов.

Для обнаружения и уничтожения летательных аппаратов служили комплексы, состоящие из радиолокаторов, управляющих вычислительных машин и ракетных установок. В области военного морского приборостроения системы цифровой обработки использовались, в частности, для анализа гидроакустических сигналов, определения шумовых паспортов кораблей на основе спектральных характеристик, вычисления корреляционных зависимостей паспорта и реального гидроакустического сигнала.

В статье представлены две разработки отечественных вычислительных систем цифровой обработки, выполненные инженерами и учеными в 70-80 годах прошлого века.

Спецпроцессор преобразования Фурье СПФ СМ для семейства управляющих ЭВМ линии СМ3 — СМ4 был создан в 1983 году для обработки изображений поверхности планеты Венера в рамках выполнения соответствующей программы. Разработка проводилась Институтом электронных управляющих машин (ИНЭУМ) совместно с Институтом радиоэлектроники Академии наук СССР — ИРЕ АН.

Цифровые вычислительные системы “Напев” и “Айлама” предназначались для обработки гидроакустического сигнала и были предложены ЦНИИ “Агат” в 1978-1979 годах по техническому заданию Военно-морского флота (ВМФ) СССР.

Вышеприведенные разработки в силу исторических причин не послужили непосредственной основой создания аппаратной части современных микропроцессоров цифровой обработки сигналов, однако приобретенный опыт проектирования программных и аппаратных компонентов позволяет коллективам-разработчикам поддерживать мировой уровень в своих дальнейших исследованиях.

Современное гражданское применение методов цифровой обработки лежит в области мультимедийных технологий, то есть обработки звука и изображений, включающей их сжатие, кодировку. В области цифровой связи цифровыми методами выполняется модуляция и демодуляция данных для передачи по каналам связи.

Сегодня многие пользователи, имеющие на своем рабочем столе персональный компьютер, даже и не подозревают о наличии вычислительных средств — микропроцессоров, построенных на принципах цифровой обработки сигналов, находящихся на расстоянии вытянутой руки.

Процессоры цифровой обработки сигналов, как добрые гномы или мифические демоны Максвелла, перерабатывают в “недрах” компьютера цифровую информационную руду: без устали фильтруют, анализируют, распознают, модулируют/демодулируют, уплотняют и разуплотняют, кодируют/декодируют — всего не перечислишь.

А беря в руку трубку сотового телефона, от Motorol?ы например, вы наверное и не знаете, что держите в руках специализированное вычислительное устройство, основу которого составляет процессор обработки цифровых сигналов.

Характеристика сигналов в системах цифровой обработки

Цифровая обработка, в отличие от аналоговой, традиционно используемой во многих радиотехнических устройствах, является более дешевым способом достижения результата, обеспечивает более высокую точность, миниатюрность и технологичность устройства, температурную стабильность.

Наиболее жесткие требования к аппаратной части цифровой обработки предъявляют радиолокационные системы. Основным содержанием цифровой обработки здесь является фильтрация входных сигналов антенны, частоты сигналов от 10 МГц до 10 ГГц. Размеры преобразований могут достигать до 214 комплексных точек, требования по быстродействию составляют 109 умножений в секунду.

При обработке цифровых сигналов радиолокатора используются алгоритмы цифровой фильтрации и спектрального анализа (вычисление дискретного и быстрого преобразования Фурье — ДПФ и БПФ), алгоритмы корреляционного анализа, обратной свертки, специальные алгоритмы линейного предсказания.

В системах обработки звука цифровые процессоры обработки сигнала решают задачи анализа, распознавания и синтеза речи, сжатия речи в системах телекоммуникации. Для систем обработки изображений типовыми задачами являются улучшение изображений, сжатие информации для передачи и хранения, распознавание образов. При обработке цифровых звуковых сигналов используются алгоритмы цифровой фильтрации и спектрального анализа (вычисление ДПФ и БПФ), алгоритмы корреляционного анализа, обратной свертки, специальные алгоритмы линейного предсказания. В большинстве случаев удовлетворительные результаты обеспечивает формат данных с фиксированной запятой, длина слова 16 бит, частоты сигналов от 4 до 20 кГц (до 40 кГц в случае обработки музыки), требуемая производительность — до 10в106 операций в секунду — 10 MIPS по компьютерной терминологии.

Характерным для систем обработки изображений является восстановление и улучшение изображений с помощью инверсной свертки, обработка массивов отсчетов с помощью алгоритмов быстрого преобразования Фурье. При восстановлении трехмерной структуры объектов, получаемых методами проникающего излучения в дефектоскопии и медицинской интраскопии, применяются методы пространственно-частотной фильтрации. Другой класс алгоритмов — преобразование контрастности, выделение контуров, статистическая обработка изображений. Для сжатия информации наиболее эффективны ортогональные преобразования Фурье, Адамара и Уолша. Требуемая производительность оценивается величинами 100-1000 MIPS, массивы данных — 105-106 отсчетов.

Характеристики сигналов в системах цифровой обработки

Назначение Характеристика Диапазон частот, размерность Требуемое быстродействие Пример, разработчик
Радиолокационные системы Фильтрация сигналов антенны 10 МГц — 10 ГГц, до 214 точек 109 умножений в секунду
Обработка звуковых сигналов Анализ и синтез речи, сжатие и распознавание 20 кГц (40 кГц), 16 бит 10 MIPS “Напев”, ЦНИИ “Агат”
Системы обработки изображений Восстановление и улучшение изображений 105-106 отсчетов 100-1000 MIPS СПФ СМ, ИНЕУМ, ИРЕ АН СССР

Ниже приводятся описания двух отечественных систем цифровой обработки сигнала, которые, однако, предваряются небольшим экскурсом в математические и алгоритмические основы обработки последовательностей сигналов.

Немного “цифровой” математики

Математическая (алгоритмическая) часть систем обработки цифровых сигналов разрабатывалась за высокими заборами высоколобыми интеллектуалами оборонных НИИ по обе стороны “железного занавеса”. Предложенные ими методы обработки воплощены в алгоритмах и программах автоматизированных систем проектирования процессоров.

Спектральный анализ

Спектр — это представление зависимости частот периодического сигнала. Спектральный язык представления сегодня стал всеобщим для всех, кто имеет дело с применением в технике различного рода колебаний. Колебательные периодические явления характеризуются тем, что через определенный промежуток времени, называемый периодом T, значение периодической величины возвращается к своему прежнему значению, что можно записать в следующем виде:

X(t+T)= x(t)

Простейшей периодической функцией является синусоидальная:

X(t) = A sin (wt + a)

где w есть частота, связанная с периодом соотношением w=2w/T.

Спектральный анализ сигнала позволяет выделить в периодическом сигнале, в соответствии с его Фурье-представлением соотношение амплитуда-частота.

Как известно из математики, “гладкую” периодическую функцию можно представить в виде суммы периодических синусоидальных функций кратного периода:

X(t) = A0 + A1 sin(wt + a1) + A2 sin(2wt + a2) + A3 sin(3wt + a3) + … = A 0 + SAk sin(kwt + ak)

Для определения коэффициентов Ak используется метод Эйлера-Фурье, состоящий в интегрировании заданной функции в промежутке [-p,+p].

Прямое и обратное преобразование Фурье

Базовой операцией, выполняемой над последовательностями отсчетов, является прямое и обратное преобразования Фурье, которое позволяет осуществить перенос сигнала из амплитудно-временной области в представление амплитуда-частота и обратно.

Цифровыми методами данную операцию можно выполнить на основе прямого преобразования Фурье, позволяющего произвольную периодическую непрерывную функцию x(t) представить в виде:

Обратное преобразование:

При выполнении данного преобразования цифровыми методами интегрирование по всему диапазону заменяется суммированием — обычной для вычислительной техники операцией.

Дискретный аналог, то есть дискретное преобразование Фурье, аналогичное (1) и (2), имеет вид:

при j = 0, 1, … N-1< и k= = 0, 1, … N-1.

Производя обычную замену экспоненциального члена

WN=e-2(i/N, получаем эквивалентные выражения:

Приемы, позволяющие сократить объемы требуемых вычислений, известны как быстрое преобразование Фурье — БПФ. Сущность метода заключается в том, что при суммировании некоторого ограниченного временного интервала отсчетов в силу периодичности последовательность N точек может быть выражена через подпоследовательность N/2 точек, причем процедура может быть применена рекурсивно.

Корреляция

Корреляция — это число, отражающее степень совпадения двух функций.

Для цифровой обработки интересен анализ данных двумерной матрицы, представляющей, предположим, след-картинку одного кадра в определенный момент времени.

На данной картинке-матрице можно определить глобальную корреляционную функцию, аналогичную одномерной. Поскольку операция выполняется над дискретными данными, интегрирование заменяется на суммирование. Таким образом, функция корреляции Y(m,n) может записана в следующем виде:

Функция корреляции широко используется в цифровой обработке. Например, для определения момента начала записи камерами слежения при смене статической картинки — появлении объекта в зоне контроля.

Простейшим примером цифровой обработки на основе использования преобразование Фурье, является фильтрация по частоте входного сигнала. Данную операцию традиционно выполняют аналоговым методом на основе известных из электротехники законов, радиотехнических средств и методов.

Схема цифровой фильтрации

Ниже приведена схема фильтрации аналогового сигнала, выполняемая после аналого-цифрового преобразования и предварительной аналоговой низкочастотной фильтрации цифровыми методами с последующим обратным преобразованием в аналоговый вид.

ФНЧ — фильтр низкой частоты, A/D — аналого-цифровой преобразователь, D/A — цифро-аналоговый преобразователь, КИХ — цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой.

Схема цифровой фильтрации

Структура каскада фильтров

Суть цифрового преобразования при фильтрации состоит в отсечении вычислительными методами ненужных гармоник. Поступающий на вход каскада сигнал X(N) сдвигается на один такт, умножается на заранее рассчитанный коэффициент C(K), определяющий полосу пропускания фильтра, и затем суммируется с накоплением результата. Применение цифровой обработки в данном случае дает преимущества гибкого изменения полосы пропускания программными методами, технологичности и температурной стабильности, недостигаемой аналоговыми методами.

Базовая операция цифровой фильтрации, определяющая структуру аппаратных средств — умножение на коэффициент с накоплением.

Специализированный процессор цифровой обработки сигналов СПФ СМ

Специализированный процессор Фурье — СПФ СМ — предназначен для выполнения алгоритмов быстрого преобразования Фурье и других специфических операций цифровой обработки сигналов. Процессор был разработан Институтом электронных управляющих машин (ИНЭУМ) совместно с Институтом радиоэлектроники АН СССР в 1983 году.

Специализированный процессор представлял собой высокопроизводительное аппаратное средство расширения возможностей управляющих компьютеров линии СМ ЭВМ.

Области применения

СПФ СМ в силу универсальности реализуемых алгоритмов применялся в различных областях науки и техники. При использовании спецпроцессора существенно ускорялось время решения и были получены показатели производительности, недостижимые без данного устройства, сравнимые с соответствующими показателями супер-ЭВМ.

Краткий перечень областей эффективного применения СПФ СМ с указанием выполняемых алгоритмов приведен ниже.

 — обнаружение и измерение координат, профилирование, построение радиоизображения, полоса сигнала 100 кГц — 1 МГц. Применяются следующие алгоритмы:

 — обеспечение надежности систем наземной и космической связи за счет оптимизации алгоритмов выделения, кодирования для сжатия и увеличения помехозащищенности, подавление помех, полоса сигнала до 100 кГц. Применяемые алгоритмы и операции: спектральный анализ, одномерное и двумерное дискретное преобразование Фурье, взаимная корреляция и согласованная фильтрация.

 — спектры линий, радиоинтерферометрия со сверхбольшими базами для разрешения радиоисточников, полоса сигнала 1-10 МГц. Применяемые алгоритмы:

 — улучшение качества снимков — резкости и контрастности, подавление помех, сжатие и восстановление после сжатия, восстановление изображений из оцифрованных голограмм, размер изображений 103x103. При обработке изображений применяется двумерное ДПФ и двумерная фильтрация.

 — анализ естественных сейсмосигналов для контроля и предсказания землетрясений, обработки результатов сейсморазведки для описания геологической структуры под поверхностью. Применяемые алгоритмы:

в полосе сигнала 50 кГц — анализ и синтез речи, улучшение качества звукозаписи, акустики помещений и систем.

 — анализ кардиограмм и энцефалограмм, томографические исследования, анализ звуков животных, полоса сигнала до 400 кГц.

для контроля качества двигателей и механических систем, полоса сигнала 100 кГц — 1 МГц.

физических явлений и цифровых систем — проверка гипотез, подбор параметров при проектировании.

Структура и основные характеристики

Функциональные узлы спецпроцессора СПФ СМ построены по конвейерной схеме и соединены между собой в общий конвейер, “смещающийся” на одно слово при поступлении на вход очередного отсчета, благодаря чему пропускная способность достигает до 400 тыс. комплексных отсчетов в секунду.

Основной узел — блок выполнения ДПФ, алгоритм БПФ по основанию 2, аппаратурная задержка приблизительно равна размеру преобразуемого массива.

Обмен данными между оперативным запоминающим устройством и спецпроцессором обеспечивается блоком сопряжения прямого доступа. Скорость обмена — 400 тыс. 32-разрядных слов в секунду.

В структуру спецпроцессора введены два дополнительных умножителя. Первый из них предназначен для перемножения преобразуемого и взвешиваемого массива, второй — для нахождения мощности — то есть квадрата модуля.

Конструктивно СПФ СМ был выполнен в одной стойке СМ ЭВМ с габаритами 947в600 в 1800 мм. Потребляемая мощность — 2 кВт.

Алгоритмы и программное обеспечение

С помощью СПФ СМ выполняются следующие алгоритмы:

Прямое преобразование комплексного массива. Размер массива N = 2n (n = 1, 2, …, 12).

Прямое ДПФ с получением энергетического спектра с вышеуказанными параметрами.

Прямое ДПФ с предварительным взвешиванием преобразуемого массива. При выполнении предварительного взвешивания время увеличивается на 30%.

Обратное ДПФ.

Операции масштабирования массивов:а) увеличение отсчета массива в 2a раз и выявление числа переполнений, числа значащих битов максимального по абсолютной величине числа (мнимые и действительные части рассматриваются как независимые числа, при переполнении производится ограничение);б) управление делением в 2 раза после каждого этапа БПФ в блоке БПФ;

в) уменьшение значений энергетического спектра в 4b раза.

Основное назначение операций a) и б) состоит в минимизации погрешности ДПФ, а операции в) — в уменьшении разрядности результата и экономии ОЗУ за счет укороченного формата мощности. Кроме того, операция а) позволяет ограничить массив сигнала и выявить статистику его амплитуды.

Дополнительные операции над массивами:

а) поэлементное перемножение двух комплексных массивов;

б) вычисление суммы произведений элементов двух комплексных массивов.

Размещение массивов в ОЗУ. Действительные и мнимые части данных располагаются последовательно. Шаг размещения массива произвольный, что позволяет исключать лишние пересылки при совместном анализе нескольких сигналов или при обработке двумерных массивов.

Управление спецпроцессором со стороны операционной системы СМ3 или СМ4 осуществляется программой-драйвером, выполняющей за одно обращение следующие команды:

Наборы макрокоманд и модулей системной библиотеки позволяют спецпроцессору выполнять следующие операции ДПФ: свертку двух действительных массивов, двумерное ДПФ массива, расположенного на магнитном носителе, ДПФ массива большого размера, находящегося на магнитном носителе; взвешивание преобразуемого массива.

Разработчики и промышленная история

Разработка спецпроцессора СПФ СМ осуществлялась в Институте электронных управляющих машин, в отделе возглавлявшемся к. т. н. Фельманом Борисом Яковлевичем. Разработка выполнялась совместно с ИРЭ АН СССР.

Спецпроцессор СПФ СМ выпускался малой серией. Общее количество выпущенных силами предприятий-разработчиков экземпляров — 30-40.

Интересным примером применения спецпроцессора СПФ СМ явилась обработка радиолокационных сигналов зондирования поверхности планеты Венера, которое проводилось со спутника.

Системы обработки гидроакустического сигнала ЦНИИ “Агат”

В конце 70-х годов в Военно-морском флоте СССР со всей остротой обозначилась необходимость увеличения дальности обнаружения кораблей вероятного противника. Решению этой проблемы в значительной мере мешали различного рода акустические помехи, в том числе помехи, создаваемые работающими агрегатами своего корабля. С другой стороны, надо было создать условия, затрудняющие обнаружение своего корабля средствами гидроакустики противника, т. е. уменьшить шумность своего корабля. Эти задачи можно было решить, лишь зная шумовые паспорта как чужих, так и своих кораблей, т. е. их спектральные характеристики, — для этого и потребовался соответствующий измерительный комплекс.

Цифровая вычислительная система “Напев”

Цифровая вычислительная система “Напев” является примером применения методов цифровой обработки сигналов для выполнения анализа гидроакустического сигнала, определения спектральных характеристик и корреляционных зависимостей, которая была разработана в НПО “Агат” в 1978-1979 гг. по техническому заданию Военно-морского флота. Главный конструктор разработки — Николай Сергеевич Парфенов.

В соответствии с тактико-техническим заданием на цифровую вычислительную систему “Напев” возлагалась задача выполнения в реальном масштабе времени анализа узкополосного звукового, в том числе гидроакустического, сигнала, определения спектральных характеристик и корреляционных зависимостей различных сигналов, поступающих по четырем независимым каналам одновременно.

Широкий диапазон анализируемых частот, многоканальное поступление информации, работа в реальном масштабе времени потребовали от разработчиков ЦВС “Напев” нестандартных решений как в алгоритмах обработки информации, так и в их технической реализации.

В ЦВС “Напев” впервые в практике морского приборостроения была разработана и реализована архитектура вычислителя с использованием конвейерного принципа обработки информации и ускорителя для выполнения операций над матрицами. При этом работа в реальном масштабе времени была обеспечена аппаратной реализацией ряда операций и использованием БПФ.

Аппаратурно система “Напев” состояла из четырех специализированных приборов: анализатора спектра, цифровой вычислительной машины, экранного пульта, обеспечивающего диалог оператор-система, и устройства управления режимами работы.

В течение 1979-1980 гг. было изготовлено 10 комплексов аппаратуры “Напев”, которые были поставлены ряду организаций Минсудпрома и являлись объективным инструментом измерения и калибровки собственных шумов машин и механизмов, инструментом проведения исследовательских работ в гидроакустике, необходимыми стендами при разработке и отладке гидроакустических алгоритмов, а также и классификации кораблей на основе его спектральных характеристик.

По существу цифровая вычислительная система “Напев” явилась одной из первых отечественных систем, в которой обработка акустических сигналов полностью проведена на основе цифровой вычислительной техники.

Основные исполнители: Прокошенков  А. Т., Бабушкин  Д., Ветохин  Ю. И., Игнатова  Т. П., Алексеева  З. Д., Прохоров  А. Н., Казаков  В. С.

Опытно-конструкторская работа “Айлама”

Логическим продолжением работ, выполненных институтом по теме “Напев”, явилась опытно-конструкторская работа “Айлама”, заданная к разработке решением Комиссии Президиума Совета Министров СССР по военно-промышленным вопросам от 10 апреля 1980 г. Главный конструктор Парфенов  Н. С.

К середине 70-х годов возникла настоятельная необходимость внедрения цифровой вычислительной техники в гидроакустические комплексы надводных кораблей и подводных лодок. Применяемая ранее аналоговая техника не обеспечивала обработку гидроакустического сигнала в реальном масштабе времени с требуемой точностью. Были нужны новые быстродействующие вычислительные средства. Накопленный специалистами института при разработке системы “Напев” опыт определил пути создания сверхбыстродействующих многопроцессорных систем параллельной обработки информации.

На основе этого опыта с 1983 г. в ЦНИИ “Агат” создается унифицированная вычислительная система частотно-временной обработки сигналов “Айлама”, явившаяся составной частью гидроакустического комплекса “Звезда”, предназначенного для установки на надводные корабли.

Впервые в СССР была создана многопроцессорная вычислительная система конвейерной обработки информации с динамической архитектурой, производительностью 100 миллионов приведенных операций в секунду, нашедшая применение в гидроакустических комплексах “Звезда”, “Заря”, “Кентавр”.

Основные исполнители: Ветохин  Ю. И., Урусов  Ю. Н., Лавров  Д. И., Караманянц  Б. Н., Кошелев  В. П., Прохоров  А. Н.

Гидроакустический комплекс “Звезда-П-1” был удостоен Государственной премии. В числе лауреатов премии — Парфенов  Н. С.

На основе ЦВС “Айлама” предприятием КНИИГП, г. Киев, были разработаны ГАК “Кентавр”, “Звезда М1-01”, “Звезда-2”, которые были установлены на кораблях.

Системы “Напев” и “Айлама” оказали существенное влияние на дальнейшие пути развития гидроакустических систем.

Заключение

Работая над данным обзором, по долгу службы что называется, мне пришлось посетить ряд отечественных фирм, специализирующихся на создании аппаратных и программных средств обработки цифровых сигналов. Впечатления — самые приятные. Уровень разработок — мировой, общее ощущение от фирм — как во вложениях хорошего хозяина: прочность, ухоженность и стабильность, настроение — рабочее, никакого нытья и уныния!

Иными словами, цифровая обработка — это одна из перспективных областей высоких наукоемких технологий — high tech — привлекательная для приложения сил. В исторической ретроспективе, лет этак через 20, в “Российской компьютерной энциклопедии — 2020” может быть напишут: “В конце ХХ века, с падением «железного занавеса» и началом перехода к рыночным отношениям, компьютерная промышленность России пережила глубокий кризис. Однако после известных событий августа 1998 года начался бурный рост прикладных направлений, связанных с разработкой промышленных контроллеров, цифровых средств связи и мультимедийных устройств для персональных компьютеров”.

Для истинных талантов — это чудесная возможность проявить себя, заставить “мир прогнуться”. В среднем на уровне обычного активного человека с инженерным дипломом цифровые методы обработки сигналов — это рабочие места для специалистов оборонных НИИ. Для молодежи — мультимедийные технологии или цифровая связь — благодатнейшие области, где порхают “жар-птицы”, которых нужно ухватить за хвост.

Вспомните еще раз историю вычислительной техники. У истоков персональных вычислений стояли два молодых (чуть больше 20 лет) человека — Стив Джобс и Стив Возняк, которые, если верить компьютерной мифологии, сделали свой первый персональный компьютер — прототип Apple-I — в гараже, а потом захватили значительную часть мирового рынка продаж персональных компьютеров.

А деньги где взяли? Автомобильчик — тот самый, что в гараже стоял, — продали. А папаша Билл Гейтс, стабильно занимающий одно из первых мест в списке богатейших людей Америки? А изобретатель мыши Дуглас Энгельбарт? А разработчик звуковых карт? В общем — список бесконечен.

А мы чем хуже? Гараж есть, автомобильчик есть, образование — на зависть Биллу и Стиву. Опять ничего не понимаю. Климат, что ли, у нас не тот? Но ничего, будем надеяться, что старшие товарищи — генералы компьютерной индустрии меня публично высекут и поправят. Кто поднимет перчатку? Или в своей стране мы никогда не дождемся ответа на неправильные вопросы и никогда не выйдем из состояния “неграждан”?

Литература

  1. Специализированный процессор для выполнения быстрого преобразования Фурье и обработки сигналов СПФ СМ. Рекламные материалы. М.: ИНЭУМ, 1984.
  2. Корнеев В. В., Киселев  А. В. Современные микропроцессоры. М.: НОЛИДЖ, 1998. 240 с.
  3. Цифровые процессоры обработки сигналов. Справочник. Остапенко  А. Г., Лавлинский  С. И., Сушков  А. В. и др. Под ред. А. Г. Остапенко. М.: Радио и связь, 1994. 264 с.
  4. Клингман Э. Проектирование специализированных микропроцессорных систем. Пер. с англ. М.: Мир, 1985. 363 с.
  5. Белоус А. И. и др. Микропроцессорный комплект БИС серии К1815 для цифровой обработки сигналов. Справочник. Белоус  А. И., Поддубный  О. Б., Журба  В. М. Под ред. А. И. Сузопарова. М.: Радио и связь, 1992. 256 с.
  6. Лапа В. Г. Математические основы кибернетики. Киев, Высшая школа, 1974. 452 с.

Контактная информация

Егоров Геннадий Алексеевич — д. т. н., заместитель директора ИНЭУМ, e-mail: [email protected].Парфенов Николай Сергеевич — главный конструктор базовых средств ЦВТ ЦНИИ “Агат”, e-mail: [email protected].Сазанов Владимир Михайлович — к. т. н., предприниматель, руководитель “Научно-технической лаборатории СВМ”, внештатный редактор раздела “Цифровая обработка сигналов”, e-mail: [email protected].

www.computer-museum.ru

Применение DSP семейства TMS320C64ХХ в высокопроизводительных VOIP-приложениях

Алексей Назаров (Компания IntegrIT)

Выбор процессора – не такая очевидная задача, как может показаться на первый взгляд, поскольку в связи с быстрым развитием новых технологий, большей степени интеграции своременных периферийных интерфейсов в процессоры происходит расширение и перекрытие областей применимости процессоров разных семейств. Существенное влияние на применимость процессоров оказывает наличие средств разработки и готового программного обеспечения, разработанных сторонними фирмами. Одни, совершенно разные по архитектуре, процессоры могут выполнять одни задачи одинаково хорошо, а другие не умеют выполнять совсем. Поэтому очень легко потеряться и запутаться в выборе. Только интегральный, взвешенный и обдуманный со всех сторон анализ позволяет сделать правильный выбор процессора под конкретную задачу проектировщика.

В последние годы проектировщики оборудования для телефонной связи все большее внимание обращают на технологию VoIP, рассматривая ее как гибкое программное решение для замены аппаратных решений на базе микросхем невысокой степени интеграции. Это позволяет улучшить качество оборудования, увеличить надежность, снизить энергопотребление, добавлять в телефонные станции важные современные функции, обеспечивать быстрое развертывание станций, интегрировать станции с сетями передачи данных общего доступа и проч. Опыт применения процессоров семейств C64 и DaVinci показал их преимущества для приложений такого класса. Ниже будут рассмотрены возможные архитектуры для оконечных устройств VoIP.

Варианты построения систем

Сравнение с другими процессорами

Перед тем, как рассмотреть построение систем на основе C64, надо понять, в чем их сила и слабость по сравнению с аналогами того же класса и той же ценовой категории. Ориентироваться при этом на маркетинговые документы каждого производителя весьма затруднительно, так как зачастую там производится сравнение на совершенно нереалистичных примерах – например часто делается сравнение на основе производительности по сверткам или FFT. В реальности, ПО для VoIP приложений много сложнее и требуется сравнение на каком-либо комплексном тесте, аналогично тому, как делается сравнение производительности персональных компьютеров на многокомпонентом тесте, например на офисном пакете программ. Однако ситуация усложнена тем, что информация о потреблении ресурсов конкретными алгоритмами часто не является публичной и производителям весьма трудно получить ее без специального запроса. Более того, данные разных производителей алгоритмов сильно разнятся. Приведенные ниже данные являются выборкой лучших данных из опубликованных от хорошо зарекомендовавших себя поставщиков ПО.

Для сравнения выберем три процессора (табл. 1): C6424 с частотой 500 МГц ($26), C5509A с частотой 200 МГц ($18), BF537 с частотой 500 МГц ($19) (в скобках указана среднерыночная цена).

Таблица 1. Основные свойства трех DSP

Семей- ство Цена, $ Тактовая частота,

МГц

BGA Линей- ный раз- мер,

мм

Макс.  потреб.,

мВт

Ethernet I2C UART Внутр. память,

кбайт

Тип внеш- ней

памяти

Кэш- контроллер
C6424 26 500 376 361 23 16 550 + + 2 240 DDR +
C5509 18 200 176 12 120   +   256 SRAM, SDRAM Только для программы
BF537 19 500 208 182 17 12 200 + + 2 132 SDRAM +

В таблице 2 собраны данные по трем типовым вокодерам: потребление процессора (обычно измеряется в MIPS – миллионах инструкций в секунду, необходимых для вокодера) и количество каналов кодирования-декодирования этим вокодером на данном процессоре.

Таблица 2. Применение DSP в типовых вокодерах

Вокодер G729AB G728 G723.1 DSP MIPS Кол-во каналов MIPS Кол-во каналов MIPS Кол-во каналов
C6424 6,3 79 18 27 7,7 64
C5509 10,3 19 24 8 12,5 16
BF537 19 26 40 12,5 28 17

Диаграмма (рис. 1) показывает производительность процессора относительно DSP C5509, который является представителем семейства менее производительных процессоров от Texas Instruments.

Рис. 1. Относительная производительность процессоров для задач кодирования речи

Из этих данных следует, что несмотря на одинаковую тактовую частоту, процессоры BlackFin существенно проигрывают процессорам семейства C64xx по количеству каналов. Фактически, они лишь ненамного (до 1,5 раз) превосходят C5509 по производительности и существенно отличаются от них лишь набором периферии, привлекательной для построения интегрированных однокристалльных решений. Замечу также, что независимых поставщиков программного обеспечения VoIP для процессоров C64 намного больше, чем для BlackFin.

Несмотря на то что компания Texas Instruments в свое время позиционировала процессоры серии C55xx для применения в VoIP приложениях, в современных условиях они уже не выдерживают конкуренции с линейкой BlackFin, так как не имеют хорошего набора встроенной периферии для VoIP приложений. Дополнительным ограничением является сильно урезанные возможности кэш-контроллера, который содержит только кэш инструкций, но не данных, поэтому эффективность работы в многоканальных VoIP системах у таких процессоров сильно падает при увеличении числа каналов и объема кода.

Процессоры BlackFin выглядят оптимально для систем с небольшим количеством VoIP каналов (порядка четырех). Для проектировщиков также важно то, что на эти процессоры портирована операционная система Linux и на нее уже портированы готовые open source-протоколы SIP, H.323 и прочие.

Однако процессоры C64xx превосходят по производительности процессоры BlackFin в 3-4 раза, имеют мощный набор периферии, эффективный кэш-контроллер для работы с 32-битной памятью DDR, один из самых лучших компиляторов. Все это делает такие процессоры оптимальными для высокопроизводительных VoIP систем с большим количеством каналов.

Некоторым недостатком является больший размер корпуса и несколько большее потребление (хотя в пересчете на канал VoIP оно даже меньше, чем у BlackFin). Однако в целом это не являются критичным для использования процессоров C64xx в ячейках АТС и прочих VoIP изделиях.

Кратко о семействе C64xx

Семейству C64xx (табл. 3) посвящено множество статей, здесь же мы сконцентрируемся на том, что наиболее важно для проектировщиков VoIP-систем.

Таблица 3. Состав семейства C64xx

Процес- сор Диапа- зон

цен, $

Такто- вая частота,

МГц

Внут- рен- няя па-мять,

кбайт

Тип внеш- ней

памяти

Ядро Выво- дов кор-

пуса

Ethernet I2C UART Mc BSP Mc ASP PCI, МГц
Классические DSP
6410/6413 20…34 400…600 156…288 SDRAM C64 288 2 2 2
6411 46 300 288 SDRAM C64 532   2 33
6412 41…72 500…720 288 SDRAM C64 548 10/100 1 2 66
6418 53 500…600 544 SDRAM C64 288   2   2 2
6414T 6415T

6416T

140…247 500…1000 1056 SDRAM C64 532 3 33
6454/55 123…299 720…1200 1472…2160 DDR2 C64+ 697 10/ 100/ 1000 1 2 66
6452 156…188 720…1200 1472 DDR2 C64+ 529 10/ 100/ 1000 1 1 2 1 66
Одноядерные процессоры DaVinci и специализированные C642x
C6421 11…28 400…700 96 DDR2 C64+ 361/376 10/100 1 1 1 1
C6424 21…39 400…700 240 DDR2 C64+ 361/376 10/100 1 2 2 1
DM640/641 26…44 400…600 160 SDRAM C64 548 10/100 1 2 1
DM642 40…60 500… 720 288 SDRAM C64 548 10/100 1 2 1 66
DM643 34…46 500…600 288 SDRAM C64 548 10/100 1 1 1
DM647/648 52…104 720…900 320…576 DDR2 C64+ 529 10/100/1000 1 1 1 66
DM6431 13…14 300 128 DDR2 C64+ 361/376 10/100 1 1 1 1
DM6433 18…26 400…700 240 DDR2 C64+ 361/376 10/100 1 1 1 1 33
DM6435 19…27 400…700 240 DDR2 C64+ 361/376 10/100 1 2 1 1
DM6437 24…38 400…700 240 DDR2 C64+ 361/376 10/100 1 2 2 1 33
Двухядерные процессоры DaVinci
DM6441 DM6443

DM6446

36…46 405…594 208 DDR2 C64+, ARM9 361 10/100 1 3 1
DM6467 87…105 594…729 248 DDR2 C64+, ARM9 529 10/100/1000 1 3 2 33

Семейство делится на следующие части:

Среди первых на одном полюсе находятся процессоры C6410/6413 как наиболее недорогие и с самым миниатюрным корпусом, а на другом – наиболее мощные процессоры C6416T.

Вторая категория обладает хорошим набором периферии при небольшом корпусе и новым ядром C64+, о котором будет вкратце сказано ниже. Одноядерные процессоры DaVinci включают как старые DM64x, так и новые DM643x процессоры, оптимизированные во многом для видеоприложений. К тому же, это одни из самых дешевых процессоров.

Двухъядерные процессоры – наиболее мощные продукты семейства – включают в себя еще и ядро ARM для управления периферией, запуска операционной системы и прочих сервисных функций.

Процессоры второго семейства (одноядерные процессоры DaVinci и специализированные C642x) наибольшим образом подходят для применения в VoIP-системах, так как обладают хорошим балансом между ценой, производительностью и набором встроенной периферии. Однако, для наиболее мощных VoIP-систем, где цена процессора не является лимитирующим фактором, примененимы и наиболее мощные классические процессоры класса C6455.

Ядро C64+ обладает целым рядом преимуществ над старым ядром C64 – это и новые инструкции, и кардинально улучшенный кэш-контроллер, и более мощный контроллер прерываний и проч. В целом это дает общесистемный выигрыш в 5…15%.

Классическая двухпроцессорная система

Классической архитектурой является спарка сигнального процессора с контроллером общего назначения, например Atmel AT91RM9200 с ядром ARM9 (рис. 2).

Рис. 2. Типичная двухпроцессорная конфигурация

При этом сигнальный процессор выполняет все функции обработки голоса (эхоподавление, детектирование сигнализации и проч.), а контроллер несет функции сетевого интерфейса и обслуживает протокол установления соединения (Q.931, SIP, H.323 и проч.). Помимо этого на контроллер обычно возлагаются ряд дополнительных функций – начальная загрузка DSP, самотестирование и прочее.

Каков может быть межпроцессорный интерфейс? При использовании процессоров серии C64xx целесообразным является обеспечение интерфейса между ним и контроллером через высокоскоростную последовательную синхронную шину McBSP (Multichannel Buffered Serial Port), соединенную на контроллере с последовательной шиной SSP в режиме SPI. При этом необходимо иметь достаточный запас пропускной способности, который можно грубо оценить в 100 кбит/сек на один канал VoIP в каждую сторону. Так как последовательный интерфейс является байт-ориентированным, то немаловажным является необходимость применения протокола (HDLC/SDLC-подобного) для автоматической пакетной синхронизации. К сожалению, большинство выпускаемых сейчас контроллеров не имеют таких встроенных средств. Это важно учитывать при проектировании, так как программное выделение пакетной синхронизации при общей скорости потока порядка 3 Мбит/сек для RISC-процессоров с ядром ARM является ресурсоемкой задачей. Для процессоров семейства C64 это не является таковой: накладные расходы на эту задачу составляют существенно менее 1% ресурса процессора.

Другим вариантом может быть использование параллельной 16/32-битной шины прямого доступа к памяти HPI (Host Peripheral Interface). При этом доступ может быть реализован с шины EBI (External Bus Interface) контроллера и регистры HPI DSP будут отображены в память контроллера. При этом скорость доступа уже не лимитируется столь жестко, но этот вариант имеет два важных недостатка: во-первых, прямое подключение без дополнительной логики интерфейсов невозможно, во-вторых, программная организация межпроцессорного обмена становится более сложной (необходимо в контроллере поддерживать очереди пакетов, которые хранятся в памяти DSP).

Чем хороша такая архитектура? Первое и очевидное преимущество заключается в четком разделении задач по разработке. Специфика данных приложений заключается в том, что ПО для сигнальной обработки с достаточно быстрой адаптацией под конкретную платформу и аппаратные интерфейсы может быть приобретено у сторонних производителей. Работа же по ПО для контроллера может вестись практически параллельно, так как в значительно большей степени связана с сервисными и интерфейсными функциями конкретного изделия. Второе преимущество состоит в том, что такую систему проще наращивать, модифицировать и поддерживать, так как единая DSP-платформа может быть сопряжена с разными управляющими процессорами. Третье преимущество, которое не лежит на поверхности, но очень важно для разработчиков – это возможность применения операционной системы Linux, портированной практически на все процессоры семейства ARM, что открывает возможность использования большого количества разработанного сервисного ПО и даже таких известных VoIP-проектов, как Openh423 или Asterisk.

Теперь необходимо остановиться на том, какой производительностью должны обладать компоненты для работы с тем или иным количеством голосовых каналов. Данные указаны в таблице 4.

Таблица 4. DSP для работы с разным числом голосовых каналов

Кол-во голосовых

каналов

DSP Встроенная память,

кбайт

Корпус Тактовая частота,

МГц

Контроллер Тактовая частота, МГц Кэш, кбайт
6…10 С6410 156 288 BGA 400 ARM9 120 8
С6421 96 361 BGA 400
8…16 С6413 288 288 BGA 500 ARM9e 180 16
16…24 С6424 240 361 BGA 600 ARM9e 240 16
С6418 528 288 BGA 600
24…32 С6414 1056 532 BGA 720 ARM9e 300 32

Заметим сразу, что это приблизительные показатели, зависящие от множества факторов (поддерживаемые вокодеры, реализация микширования для конференс-связи и т.д.).

К выбору контроллеров необходимо подойти не менее тщательно. В целом, для большинства приложений можно рекомендовать использовать контроллеры с ядром не хуже ARM9e с тактовой частотой порядка 200 МГц. Особенное внимание необходимо обратить на наличие в контроллере модуля управления памятью MMU, без которого остается использовать более простые операционные системы типа uClinux, которые требуют адаптацию разработанного под Linux программного обеспечения и существенно сужают возможности выбора из готовых компонентов.

Однопроцессорная конфигурация

Другой альтернативой для проектировщиков оборудования могут стать решения на одном кристалле (рис. 3).

Рис. 3. Однокристальное решение

Опыт разработки подобных устройств показывает целесообразность применения одноядерных процессоров C6424/C6421 для количества каналов до 16 (табл. 5) и двухъядерных процессоров DaVinci в более высокопроизводительных системах.

Таблица 5. Одноядерные процессоры для разного числа каналов

Кол-во голосовых

каналов

DSP Встроенная память, кБайт Корпус Тактовая частота, МГц
6…10 С6421 96 361 BGA 400
8…16 С6424 240 361 BGA 500
16…24 С6424 240 361 BGA 600

Исключительно успешные на рынке процессоры C6424 обладают встроенным Ethernet-контроллером, снабженным весьма мощным контроллером доступа в память, содержащем в себе кэш данных, кэш инструкций, DMA-контроллер и другие блоки. Это дает возможность запускать TCP/IP-стек непосредственно на сигнальном процессоре под управлением ядра DSP-BIOS. При этом развитые средства управления очередями пакетов в контроллере не дают существенной нагрузки на процессор даже при скоростях в десятки Мбит/сек (Texas Instruments выпустила отчет, показывающий, что при скоростях 1 Гбит/сек нагрузка на DSP при приеме трафика в UDP составляет порядка 15%). Следует также отметить, что в процессорах C6424/6421 используется улучшенное ядро C64+, в целом повышающее производительность на 5…15% по сравнению с более старым ядром, использовавшимся в процессорах С641x, и избавляющее от необходимости запрещать прерывания во время выполнения аппаратных циклов, что обычно свойственно DSP-процессорам.

Все это открывает возможности плотной интеграции TCP-IP-части непосредственно с обработкой сигнала в реальном времени. Это, в свою очередь, уменьшает общую задержку, снижает накладные расходы в программном обеспечении, а также существенно упрощает аппаратное обеспечение, так как исчезает необходимость в дополнительном контроллере. Запас ресурсов сигнального процессора в 10-20% общего ресурса, как правило, более чем достаточен для обслуживания протоколов SIP, H.323 и проч., хотя, безусловно, реализация этих частей ПО требует адаптации под ядро DSP-BIOS вместо Linux.

Для обслуживания большего количества каналов целесообразно применять процессоры семейства DaVinci, но мы не сможем уделить им большого внимания в данной статье. Отметим лишь, что наиболее мощными процессорами сейчас являются DM6455 и DM6467, снабженные всеми необходимыми интерфейсами, включая 1 Гбайт/сек Ethernet, и работающие на тактовой частоте до 1,2 ГГц. Применение таких процессоров позволит увеличить плотность до 60 и более каналов на процессор и запускать VoIP-приложения с наиболее сложной программной начинкой. Относительно недавно фирма Texas Instruments начала продвижение двухъядерных (ARM Cortex A8 плюс C64+) процессоров OMAP35xx, которые позиционируются как облегченный аналог процессоров DaVinci без высокоскоростных внешних интерфейсов типа PCI и VLYNQ и с существенно упрощенными видеоинтерфейсами. Эти процессоры обладают расширенными возможностями по энергосбережению и являются хорошей альтернативой для построения VoIP-систем.

Конфигурация с хост-интерфейсом

В ряде приложений необходима плотная интеграция DSP с хост-компьютером с фактическим использованием его в качестве мощного специализированного акселератора. Самые типичные применения – транскодеры и микшеры телеконференций. В подобных применениях требуется обеспечить много каналов кодирования/декодирования речи (рис. 4).

Рис. 4. Многопроцессорное решение для конференц-связи

Необходимо при этом понимать преимущества и недостатки подобной системы по сравнении с просто реализацией всех функций на PC. Очевидно, что главным преимуществом реализацией всех функций на PC является большая простота реализации, и более быстрое внедрение. Но вопрос в том, где находится предел возможностей. В типовом случае 2…3 ГГц PC может обрабатывать 20…30 каналов кодирования речи (G.729), в то время как C64 – 80…150 каналов. При этом потребление отличается кардинально: для PC это порядка 50…80 Вт, для DSP – порядка 2…3 Вт.

Таким образом, если общее количество каналов сравнительно невелико, то проще нарастить систему за счет увеличения числа компьютеров, если же общее число каналов измеряется тысячами, то применение DSP становится весьма привлекательным, так как становятся существенными экономия места, потребления и увеличение надежности.

Для решения подобной задачи и может быть полезна архитектура с хост-процессором. При этом несколько DSP могут быть соединены с хост-процессором через PCI. Пропускная способность шины – около 1 Гбит/сек при тактовой частоте 66 МГц, поэтому ее с избытком хватит для нескольких тысяч каналов кодирования речи. Наиболее целесообразно в подобных конфигурациях использовать процессоры DM647, 648 и 6452.

На что следует обратить внимание проектировщикам подобных систем? Во-первых, далеко не все C64x-процессоры имеют шину PCI, а в тех, которые ее имеют, выводы PCI часто мультиплексированы с другими интерфейсами и требуется внимательный анализ, не исключает ли использование PCI применение другой периферии. Например, в процессорах DM6433 выводы PCI мультиплексированы с HPI (хост-интерфейс), EMIFA (интерфейс с асинхронной памятью), VLYNQ (быстрый межпроцессорный интерфейс) и даже c видеопортом.

Во вторых, при использовании PCI, единственный вариант загрузки DSP – это только через PCI. Это несколько усложняет систему, так как DSP не может быть загружен без драйвера на хост-процессоре. Есть особенности использования PCI-интерфейса на двухъядерных DaVinci – в них регистры PCI-контроллера отображены не в памяти DSP, а в памяти ARM-ядра. Это существенно усложняет процедуру программной инициализации PCI-обмена.

В третьих, нельзя недооценивать сложностей создания драйверов должного качества под операционную систему на PC, так как в подобных мультипроцессорных системах необходимо обеспечивать высокую пропускную способность при работе в режиме реального времени.

В целом можно заключить, что подобные сложные системы требуют значительного времени на разработку, связанную в первую очередь со сложностью ПО для мультипроцессорых конфигураций.

Интерфейсы

Какие важные особенности процессоров C64xx следует учитывать и на что следует обращать внимание при проектировании?

Интерфейс I2C поддерживается практически во всех процессорах. Его целесообразно задействовать для подключения последовательной флэш-памяти или EEPROM, где процессор будет хранить как сетевые настройки (MAC-адрес, режим DHCP и проч.), так и начальные установки VoIP-портов (режимы работы эхокомпенсаторов и прочие тонкие параметры VoIP-стека). Как правило, EEPROM объема от 1…2 кбайт достаточно, но в тех случаях, когда требуется хранение телефонной книги, этот объем может быть существенно больше.

Интерфейс UART поддерживается процессорами C6421/C6424 и всеми процессорами DaVinci, что является выгодным для подключения сервисного интерфейса для тестирования, диагностики, обновления ПО. При двухпроцессорной реализации этот интерфейс следует поддержать на ARM-контроллере (как правило, большинство выпускаемых контроллеров им оснащены).

Интерфейс с шиной E1/T1 осуществляется с помощью преобразователей G.703 в ST-BUS, который, в свою очередь, может быть подключен к порту McBSP напрямую. Контроллер McBSP обладает большим числом возможностей, включая автоматическое преобразование данных, закодированных в A-law в линейный код с одновременной блочно-ориентированной пересылкой по шине прямого доступа в память. Таким образом, обслуживание этого аппаратного интерфейса не требует заметной загрузки процессора.

Следует также отметить наличие полезного последовательного интерфейса McASP, который оптимально подходит для подключения аналоговых кодеков. К одному интерфейсу можно подключить до десяти кодеков в режиме TDMA, что позволяет эффективно использовать место на печатной плате и упростить разводку. В сравнении с McBSP, McASP, с одной стороны, менее гибок, так как не позволяет сконфигурировать приемную и передающую часть на разные режимы и частоты синхросигналов. С другой стороны, он позволяет подключать множество кодеков в параллель, в то время как к McBSP можно подключить только один. При совместном использовании McASP с контроллером EDMA 3.0, входящим в ядро С64+, открывается возможность организации многоканального обмена с множеством кодеков без накладных расходов на пересылку и раскладывание данных в требуемом порядке.

Процессоры серий C64xx имеют множество вариантов загрузки. Однако проектировщикам необходимо учитывать тот факт, что размер программного кода может составлять величину порядка 0,5…4 Мбайт в зависимости от конфигурации ПО. Соответственно, загрузка по I2C или через McBSP с микросхем флэш-памяти с последовательным доступом со скоростями 100…250 кбит/сек будет занимать несколько секунд, что может быть и неприемлемым. Наиболее простым решением является все-таки применение стандартной NOR флэш-памяти, которая подключается через специальную 16-битную шину к DSP. При этом загрузка будет занимать не более десятков миллисекунд.

Загрузка из NAND-флэш-памяти возможна только для процессоров С6424 и DaVinci. В реальности процесс должен быть организован достаточно сложно – вначале грузится первичный загрузчик Linux, который монтирует файловую систему на флэш-памяти, и только после этого контроллер загружает DSP через McBSP или HPI. Безусловно, время загрузки Linux лимитирует общее время выхода на режим всей системы, что в ряде случаев может быть важным фактором.

Энергопотребление

Вопрос энергопотребления не является существенным в VoIP-приложениях, так как сами по себе интерфейсы телефонных окончаний потребляют порядка одного ватта на канал. Тем не менее, приведем типовые цифры по потреблению. Само ядро процессора при полной загрузке потребляет порядка 0,5…1 Вт в зависимости от тактовой частоты, типа процессора и проч. Основной источник дополнительного потребления – память SDRAM (для C641x) или DDR (для 642x и DaVinci). Так как в значительной мере обмен с памятью кэшируется, то в целом память может потреблять также величины порядка 1 Вт. Прочие источники потребления (интерфейс с T1/E1 и проч.) вносят меньший вклад. В целом, можно оценивать максимальное потребление всей DSP-подсистемы в 2…3 Вт, а в пересчете на канал VoIP порядка 50…100 мВт на канал. При таком низком удельном потреблении обычно не возникает проблем с конструктивным исполнением, так как изделия могут работать в без принудительной вентиляции в широком температурном диапазоне и в условиях ограниченного теплоотвода.

Общая площадь, занимаемая процессорной частью, весьма невелика и может составлять порядка 0,2…0,4 дм2 в зависимости от выбранного корпуса (23 или 16 мм), выбранного типа внешней памяти и плотности разводки.

Инструментальные средства и ПО

Для проектирования ПО используется среда разработки Code Composer Studio 3.3. Компилятор C64xx является одним из лучших оптимизирующих компиляторов для языка C, что практически избавляет разработчика от использования ассемблера. В состав инструментальных средств входит и ядро ОС реального времени DSP-BIOS с графическим интерфейсом для настройки. Накладные расходы, вносимые ядром на переключение задач и синхронизацию приложений, малы, однако его возможностей достаточно как для построения приложений жесткого реального времени, так и параллельной работы их с TCP-IP стеком и асинхронно выполняемыми задачами.

Texas Instruments предлагает и свои готовые программные решения для VoIP, однако развивает и рынок так называемых третьих сторон (TI’s Third Parties) – независимых компаний, которые поставляют ПО, удовляетворяющее стандарту XDAIS, разработанному TI.

Решающим фактором при разработке аппаратных средств является состав ПО и выбранная конфигурация VoIP. Минимально необходимым является следующий перечень стандартных компонентов VoIP:

Более продвинутые конфигурации могут включать:

Состав компонентов влияет как на объем программного кода, так и на общее количество каналов. К примеру, типовой вокодер занимает 60…100 кбайт программной памяти и требует порядка 10 MIPS (~1,6% ресурса 600 МГц процессора), а, например, автоответчик требует порядка 100 кБайт памяти на канал для записи минуты разговора. Поэтому при проектировании конкретной системы необходимо запрашивать у производителей ПО точные цифры потребления ресурсов для выбранной конфигурации системы.

Так как перечень требуемых компонентов ПО весьма велик, то проектировщикам следует обратить внимание на готовые решения в этой области, которые могут быть адаптированы под конкретное изделие. На российском рынке представлены несколько компаний, предлагающие такие продукты. Некоторые из них также предлагают услуги комплексной разработки VoIP-решения под ключ для аппаратной платформы заказчика. Использование такого подхода сокращает сроки выпуска изделий, обеспечивает лучшее качество и большую гибкость конфигурирования и тестирования.

Выводы

Процессоры семейства C64xx и DaVinci хорошо подходят для реализации VoIP-ячеек и масштабируются от 6 до 60 каналов. Следует выделить процессоры С6424/6421 как оптимальные для построения ячеек, обслуживающих один канал T1/E1 с непосредственным выходом в IP-сеть без использования дополнительных контроллеров. Низкая себестоимость на канал (порядка $1…2,5), малое удельное энергопотребление и занимаемая площадь печатной платы, хорошие инструментальные средства, широкий спектр готового ПО сторонних производителей делают эти процессоры привлекательными для построения телефонных станций и других устройств для многоканальной передачи голоса.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка – e-mail: [email protected]

www.compel.ru


Смотрите также