slide 1Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2Yolande Berbers Digitale signaalverwerking en DSP processoren

slide 2Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2Yolande Berbers signalen n analoge signalen u komen voor in continue tijd u zijn een vorm van golf u amplitude is meestal ook continu n voorbeelden u elektrische signalen (volt, stroom, elektrische en magnetische velden) u mechanische signalen (verplaatsingen, snelheden, krachten) u akoestische signalen (trillingen, geluidsgolven) u signalen uit natuurkunde (temperatuur, concentratie, druk)

slide 3Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2Yolande Berbers signalen (vervolg) n analoge signaalverwerking omvat u amplificatie, filtering, integratie, differentiatie, squaring,... u gebeurt door versterker, resistors, capaciteiten, inductors, enz n nadelen van analoge signaalverwerking u beperkte nauwkeurigheid: toleranties van componenten, biases, … u beperkte herhaalbaarheid: variaties in omgeving, toleranties, … u gevoelig aan ruis u beperkte dynamische range u beperkte snelheid door fysische delays u beperkte flexibiliteit voor veranderingen u uitvoeren van niet-lineaire en tijdsvariërende operaties: moeilijk u hoge kost voor het opslaan van analoge informatie

slide 4Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2Yolande Berbers signalen (vervolg) n digitale signaalverwerking u signalen worden door getallen voorgesteld in een computer u op deze signalen worden allerhande numerieke operaties uitgevoerd n 3 basisschema’s: zie volgende slide

slide 5Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2Yolande Berbers signalen (vervolg) samplingDSP reconstructie analoog signal digitaal signal analoog signal u voorbeeld: digitaal opnemen van muziek en afspelen samplingDSP analoog signal digitaal signal u voorbeeld: touch-tone telefoon geeft een sinusoidaal signaal (combinatie van rij en kolom van nummer), dat in de centrale omgezet wordt naar een getal DSP reconstructie digitaal signal analoog signal u voorbeeld: tekst uit tekstverwerker omzetten in spraak

slide 6Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2Yolande Berbers signalen (vervolg) n voordelen van digitale signaalverwerking u hoge nauwkeurigheid is mogelijk door grotere woordlengte u onbeperkte herhaalbaarheid u ongevoelig (of toch bijna) aan ruis (bits kunnen vanzelf wijzigen, maar mogelijke detectie en correctie door error codes) u onbeperkte dynamische range door lange woordlengte u beperkte snelheid die echter continu verbetert u software biedt grote flexibiliteit voor veranderingen u niet-lineaire en tijdsvariërende operaties: eenvoudig u lage kost voor het opslaan van digitale informatie u digitale info kan geëncrypteerd en/of gecomprimeerd worden

slide 7Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2Yolande Berbers signalen (vervolg) n nadelen van digitale signaalverwerking u sampling geeft altijd (klein) verlies aan informatie u A/D en D/A convertoren kunnen duur zijn, hebben ruis u software ontwikkeling is mooi maar kost ook u snelheid is soms nog een limiterende factor n analoog versus digitale signaalverwerking u digitaal heeft het duidelijk gewonnen u analoge signaalverwerking wordt beperkt door technologie u digitale signaalverwerking wordt alleen beperkt door onze verbeelding

slide 8Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2Yolande Berbers signalen (vervolg) n toepassingsdomeinen van digitale signaalverwerking u medische toepassingen: patient monitoring, hartmetingen, enz. u communicatie: encoderen en decoderen van communicatie signalen, equalizing, filtering, … u beeldverwerking: filtering, verbetering, compressie, patroonherkenning u instrumentatie u multimedia: zenden v. geluid, beelden, digitale tv, video conf. u muziek: opnemen, manipulatie zoals mixing, speciale effecten u radar, sonar: filtering, doeldetectie, positie en snelheidsbepaling u spraak: filtering, codering, compressie, herkenning, synthetiseren u telefoontoep.: transmissie in digitale vorm, modems, gsms

slide 9Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2Yolande Berbers toepassingen n belangrijkste commerciele toepassingen u GSM !!!!! u modems u spraak in embedded toestellen u multimedia in embedded toestellen, o.a. spelletjes, CD spelers, DVD spelers, …

slide 10Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2Yolande Berbers belangrijke operaties n FIR filtering (finite impulse response) u rij h bevat N+1 coëfficiënten; rij x bevat N+1 laatste samples u op tijdstip n berekenen we y[n] en doen we l init resultaat y[n] op 0 en teller k op 0 l herhaling van –laad h[k] (k-de locatie van h) in CPU –laad x[n-k] (k-de locatie van x) in CPU –vermenigvuldig –laad y, tel het erbij, en berg weer weg; lus teller ophogen l shift alle elementen van x naar rechts l lees 1 nieuwe sample in x[n+1]

slide 11Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2Yolande Berbers FIR operatie versnellen n berekening vraagt veel tijd op normale hardware n versnellen door extra hardware u 2 geheugenplaatsen die tegelijk toegankelijk zijn (voor h en x) u y bijhouden in accumulator u accumulator met dubbele lengte, kan direct opgeteld worden l combinatie vermenigvuldiger, accumulator, adder = MAC u gebruik van hardware luscontrole u gebruik van circulaire buffer voor x

slide 12Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2Yolande Berbers voorbeeld: Motorola DSP56301 movepy:input, y:(r4) clr ax:(r0)+,x0y:(r4)+,y0 rep#N macx0,y0,ax:(r0)+,x0y:(r4)+,y0 macrx0,y0,a(r4)- movepa,y:output n programma-tje in assembler voor FIR berekening n meerdere instructies op één lijn worden in parallel uitgevoerd (VLIW) n orde van filter is constante N n X bevat de coëfficiënten h; Y bevat de samples x n r0 en r4 worden telkens modulo verhoogd

slide 13Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2Yolande Berbers voorbeeld: Motorola DSP56301 movepy:input, y:(r4) clr ax:(r0)+,x0y:(r4)+,y0 rep#N macx0,y0,ax:(r0)+,x0y:(r4)+,y0 macrx0,y0,a(r4)- movepa,y:output n lijn 1 leest één nieuwe sample in n lijn 2 cleart accumulator a; tegelijk worden registers x en y geladen: r0 en r4 worden modulo verhoogt n lijn 3 zegt dat lijn 4 N maal uitgevoerd moet worden n lijn 4 berekent product h[k]x[n-k] en telt het op bij a; volgende coëfficiënt en sample geladen in r0 en y0

slide 14Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2Yolande Berbers voorbeeld: Motorola DSP56301 movepy:input, y:(r4) clr ax:(r0)+,x0y:(r4)+,y0 rep#N macx0,y0,ax:(r0)+,x0y:(r4)+,y0 macrx0,y0,a(r4)- movepa,y:output n lijn 5 laatste vermenigvuldiging en optelling; r4 werd één maal teveel opgehoogd en wordt weer verlaagd n lijn 6 schrijft y[n] uit op bv A/D convertor op uitgang

slide 15Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2Yolande Berbers Instructieset voor multimediaverwerking

slide 16Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2Yolande Berbers algemeen toepasbare processoren n evolutie van GPP (general purpose processors) u steeds complexer datapad u steeds grotere woordbreedte n meer en meer GPP toepassingen: signaalverwerking u deze toepassingen: performantie bottleneck n data voor media zoals geluid en beeld u smalle data types: bytes en halve woorden u menselijke zintuigen niet gebaad bij hogere precisie n GPP zijn niet geschikt u onefficiënt gebruik van woordlengte bij mediaverwerking u duurder en trager dan DSP’s (Digital Signal Processor) of ASIC (Application Specific Integrated Circuit)

slide 17Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2Yolande Berbers multimedia-extensies n toevoegingen aan GPP op 2 manieren u parallelle verwerking op smallere datatypes u klassieke instructies met gewijzigde semantiek n SIMD (Single Instruction Multiple Data) u data-elementen gegroepeerd in woord van standaard breedte u sub-woorden van 8, 16 of 32-bits vaste-kommagetallen (heet soms ingepakte woorden) u controlegedeelte van de processor vraagt nauwelijks aanpassing n instructies u traditionele aritmetische en logische bewerkingen (zie verder) u conversie tussen verschillende woordbreedtes u ordenen van sub-woorden op verschillende manieren u laden van sub-woorden

slide 18Structuur en Organisatie van Computersystemen: deel 2Yolande Berbers multimedia-extensies (vervolg) n belangrijkste SIMD-instructies: optelling en aftrekking u vraagt weinig aanpassing u overdrachtsbit op de sub-woordgrenzen moet opgevangen worden n gewijzigde semantiek u modulo-rekenen l overloop negeren l bv 0xFF + 0x02 = 0x101, te groot voor 1 byte, wordt 0x01 u verzadigingsrekenen (saturation) l bij overloop grootsmogelijk resultaat l bv 0xFF + 0x02 wordt 0xFF l bv donkergrijs optellen bij een schaduw = pikzwart