Architektura Harvardzka i von Neumanna

Architektura Harwardzka

• Wykorzystuje dwie oddzielne szyny do przesyłania danych i rozkazów.
• Umożliwia jednoczesne pobieranie argumentów instrukcji i kolejnego słowa rozkazowego, co skraca cykl rozkazowy i przyspiesza pracę.
• Pamięć danych i rozkazów posiada oddzielne obszary adresowe.
• Szerokość magistrali danych i rozkazów może być różna, co utrudnia przepływ danych między pamięcią programu a operacyjną.

Modyfikacje Architektury Harwardzkiej

• Split-cache architecture: Zarówno rozkazy, jak i dane są przechowywane we wspólnej przestrzeni adresowej (jak w architekturze von Neumanna), ale procesor używa oddzielnych pamięci cache.
• Data-memory-as-instruction architecture: Dwa niezależne obszary pamięci z oddzielnymi magistralami danych, bez określonego przypisania danych lub rozkazów. Umożliwia jednoczesne pobieranie danych i rozkazów, jeśli te są w oddzielnych blokach pamięci.

Architektura von Neumanna

• Wykorzystuje wspólną pamięć do przechowywania danych i instrukcji (rozkazów).
• Charakteryzuje się wspólnym obszarem adresowym i opiera się na jednej szynie dla danych i programu.
• Jest wolniejsza w porównaniu do architektury harwardzkiej.

Klasyfikacja Sygnałów w Cyfrowym Przetwarzaniu

• Sygnał ciągły czasu ciągłego x(t): opisywany przez ciągłe funkcje czasu, przyjmujące wartości z liczb rzeczywistych.
• Sygnał ciągły czasu dyskretnego x(n): powstaje przez próbkowanie sygnałów ciągłych w określonych momentach czasu.
• Sygnał dyskretny czasu ciągłego xk(t): to sygnał ciągły w czasie, ale przyjmujący wartości dyskretne.
• Sygnał cyfrowy (dyskretny czasu dyskretnego) xk(n): sygnał x(n), w którym dokonano kwantyzacji wartości sygnału.

Typowe Zastosowania Procesorów Sygnałowych (PS)

• Znajdują zastosowanie w odbiornikach audio, systemach bezpieczeństwa, rozwiązaniach VOIP oraz wbudowanych systemach czujnikowo-pomiarowych
• Stosowane w radarach/sonarach, telewizji cyfrowej i obrazowaniu medycznym.

Operacje i Algorytmy Wykonywane Przez PS

• Typowe algorytmy CPS wymagają operacji A+B*C.
• Algorytmy obejmują wzory na filtr FIR, filtr IIR, FFT, DCT (transformacja kosinusowa) i splot.
• Do realizacji tych algorytmów potrzebne są bufory dla przetwarzanych próbek x(n), próbek wynikowych y(n) oraz współczynników (ak, bk)
• Wymagany jest równoległy dostęp do buforów.

Procesory Sygnałowe Stało- i Zmiennoprzecinkowe

• Typ całkowity (integer): Nie wymagają wielu bitów, krótki czas obliczeń, łatwiejszy kontakt z pamięcią.
• Zmiennoprzecinkowe: Zapewniają wysoką precyzję, większą dynamikę i stosunek sygnał/szum, ale pobierają więcej mocy i są wolniejsze.

Właściwości Układów Cyfrowego Przetwarzania Sygnałów

• Układy cyfrowe zapewniają stabilność parametrów, w przeciwieństwie do układów analogowych, które mogą się rozregulować.
• Są bardziej odporne na szumy, mają mniejszą liczbę elementów i niższy koszt wytworzenia
• Zużywają mniej mocy i mają szybszy czas opracowania.
• Systemy DSP cechują się programowalnością, stabilnością parametrów, powtarzalnością i łatwością implementacji algorytmów adaptacyjnych
• Oferują korektę błędów oraz funkcje specjalne, np. filtry o liniowej charakterystyce fazowej i systemy sterowania.

Rozwiązania Układów Cyfrowych Konkurencyjne dla PS

• Konwencjonalny procesor (RISC lub CISC): Jeden CPU, wysoki koszt zakupu, niska niezawodność (wymaga dużej liczby układów zewnętrznych).
• Mikrokontroler: Prosty układ do zadań pomiarowych i sterowania, ograniczone możliwości obliczeniowe (CPU, RAM, ROM, Parallel/Serial Interface).
• Procesor sygnałowy (PS).
• Układy ASIC: Wykonują szybkie i złożone algorytmy, ale wymagają kosztownych narzędzi do projektowania i są czasochłonne.
• Programowane matryce bramkowe FPGA: Realizują proste algorytmy, długo się programują, ale zapewniają tanie programowanie.
• Rozwiązania segmentowe: Budowa z układów stanowiących podzespoły mikroprocesora, dla wyspecjalizowanych układów, kosztowne.

Ograniczenia Stosowania PS

• Ograniczenia w przetwarzaniu sygnałów analogowych związane są z szybkością ich próbkowania

• Aplikacje audio-poniżej 50Hz

• Telekomunikacja wąskopasmowa-8kHz

• Telekomunikacja szerokopasmowa-16kHz

• Audio CD-44,1 kHz

• Profesjonalne systemy Audio-48kHz

• Aplikacje wideo-kilka MHz

• System operacyjny DSP jest ubogi

• Aplikacja nie może być zbyt złożona, musi się wykonywać w czasie rzeczywistym

• Bardzo szybkie systemy to tylko zapis do pamięci typu FIFO