Аппаратура связи и передачи данных, средства гидро- и радиолокации, медицинское оборудование и робототехника, управление двигателями, оружием и станками, автомобильная электроника и авионика, телевидение и измерительная техника, приборы контроля за состоянием объектов и окружающей среды, радиовещание и высококачественное воспроизведение звука, компьютерные технологии - вот далеко не полный перечень технических приложений, где методы и средства цифровой обработки сигналов (ЦОС) обеспечивают принципиально новое качество. Определяющим в упомянутых приложениях является требование обработки сигналов в реальном масштабе времени. Это обстоятельство привело к созданию специального класса приборов, получивших название - цифровые процессоры обработки сигналов (ЦПОС) или коротко сигнальные процессоры. Следует сказать, что однокристальные ЭВМ и микроконтроллеры способны решать задачи ЦОС. Более того, многие из них приспособлены для этих целей, обладая необходимыми интерфейсными устройствами. Однако область применения таких процессоров ограничена обработкой сигналов в относительно узком частотном диапазоне с помощью сравнительно простых алгоритмов.
Область применения цифровых сигнальных процессоров фирмы Motorola чрезвычайно обширна [8, 27]. Это обусловлено, с одной стороны, взрывным внедрением методов цифровой обработки сигналов практически во все виды человеческой деятельности в последние годы, а с другой широкой номенклатурой ЦПОС фирмы Motorola, покрывающей все типы ЦПОС (16-разрядных, 24-разрядных, с плавающей точкой).
Сигнальные микропроцессоры фирмы Motorola представлены тремя классами устройств: 24 - разрядные сигнальные процессоры с арифметикой фиксированной точки, включающие семейства DSP5600x и DSP5630x, 16 разрядные сигнальные процессоры с арифметикой фиксированной точки, включающие семейства DSP561xx, DSP5660x и DSP568xx, и DSP96002 - мощный 32 - разрядный сигнальный микропроцессор с арифметикой плавающей точки.
Целесообразность трех классов ЦПОС, отличающихся организацией внутренней арифметики, обусловлена, прежде всего, различными требованиями по точности обработки сигналов и динамическому диапазону. Например, динамический диапазон речевых сигналов в телефонном канале, как правило, не превышает 40 дБ и надежно реализуется 16-ти разрядной арифметикой. Сигналы же высококачественного звуковоспроизведения имеют динамический диапазон более 90 дБ, и его очень сложно обеспечить, используя 16-ти разрядную арифметику. В крайнем случае применяют искусственное удвоение арифметики, что значительно увеличивает объем программы и времени обработки. Арифметика плавающей точки более удобна и проста для программиста. Значительно сокращается время разработки (не приходится бороться с переполнениями, предельными циклами низкого и высокого уровня, характерными для арифметики фиксированной точки). Но стоимость ЦПОС с плавающей точкой довольно высока и их применение оправдано в оборудовании, где используются сложные алгоритмы обработки сигналов большого динамического диапазона, ограничены сроки обработки, а стоимость не столь критична как в потребительской сфере (customer).
Основными характерными особенностями, выделяющими ЦПОС фирмы Motorola, являются:
§ Два банка памяти, которые позволяют одновременно пересылать два операнда одинарной длины или один операнд двойной длины.
§ Два аккумулятора АЛУ данных увеличенной разрядности позволяют производить итерационные вычисления без возникновения ошибок переполнения.
§ Развитая система адресации, включающая аппаратную поддержку циклических буферов и бит реверсивной адресации.
§ Аппаратная поддержка вложенных циклов программы.
§ Гибкая приоритетная система прерываний.
§ Обширная встроенная периферия.
Некоторые приборы ЦПОС фирмы Motorola, равно как и аналогичные приборы других фирм, имеют режимы пониженного энергопотребления, в которых потребление тока в режиме ожидания снижается в десятки тысяч раз, а также низковольтные версии приборов, в которых потребляемая мощность в рабочем режиме снижается в 2-3 раза.
Практически все приборы ЦПОС Motorola содержат средства поддержки внутрисхемной эмуляции, что очень важно для отладки проектируемых систем.
24-разрядные микропроцессоры с фиксированной точкой. Линия 24-разрядных микропроцессоров компании Motorola включает два семейства: DSP560xx и DSP563xx [8, 23, 24]. Основные принципы, положенные в основу архитектуры сигнальных микропроцессоров Motorola, были разработаны и воплощены в семействе DSP560xx. Дальнейшие работы по совершенствованию сигнальных процессоров проводились по трем направлениям:
• наращивание производительности 24-разрядных процессоров за счет конвейеризации функциональных модулей и повышения тактовой частоты;
• создание дешевых 16-разрядных микропроцессоров с расширенными средствами взаимодействия с периферией;
• разработка высокопроизводительных процессоров, включающих блок вычислений с плавающей точкой.
Далее последовательно будут рассмотрены все три направления на примере наиболее популярных представителей микропроцессорных семейств. Будут указаны также наиболее существенные отличия процессоров в рамках одного семейства.
