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 ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 1 Conc

 ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 1 Concepts et Pratique des Processeurs Numériques des Signaux (DSP) Chiheb REBAI, Nadia Khouja Chiheb REBAI, Nadia Khouja chiheb.rebai@supcom.rnu.tn, nadia.khouja@supcom.rnu.tn École Supérieure Privé d’Ingénierie et de Technologies © ESPRIT, février 2011  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 2 Objectifs du cours Mise en évidence de: Fonctionnalités de base des processeurs numériques des signaux (DSP) Architectures des cores et des périphériques des DSPs Méthodologies et Outils de développement, de vérification et de mise au point Compétences à acquérir: Maîtrise des architectures matérielles des DSPs Maîtrise du jeu d’instructions pour la programmation des DSP Spécification des applications d’implantation sur DSP Règles de structuration et de développement de codes DSP Maîtrise des outils de développement et de test des applications DSP  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 3 Programme du module Séance 1 Concepts de base des DSP: définition et architecture générique C. Rebai Séance 2 Étude des DSP AD-Blackfin: architecture et jeu d’instructions C. Rebai Séance 3 Initiation à l’environnement de développement intégré Visual DSP++ C. Rebai Séance 4 Application 1: Familiarisation avec le jeu d’instructions du DSP Blackfin C. Rebai M. Attia Séance 5 Application 2: Implantation d’un filtre à réponse impulsionnelle finie (FIR) C. Rebai M. Attia Séance 6 Application 3: Chargement des porteuses d’un modulateur DMT C. Rebai M. Attia Séance 7 Application 4: Fonctions de traitement d’images C. Rebai M. Attia  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 4 Partie 1 Concepts de base des DSP Définition des DSP Applications des DSP Représentations et traitements des données Fonctionnalités de base des DSP Classification des technologies DSP  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 5 Définition des DSP École Supérieure Privé d’Ingénierie et de Technologies  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 6 Définition d’un DSP Composant électronique utilisant conjointement du matériel (Hard) et du logiciel (Soft) pour mettre en œuvre une application de traitement de signal Système DSP: interagit fortement avec son environnement (contraintes de temps réel et de dynamique des phénomènes physiques) Composants du DSP (unités de traitement, contrôleurs, registres, bus, mémoire, ports E/S, périphériques,…): fixent les performances expérimentales du système Ressources logicielles (jeu d’instructions, moniteur, OS) offrent la flexibilité au système Conditionnement des Signaux Conversion des Données Traitement Numérique des Signaux Environnement externe Interface Hôte  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 7      1 0 ) ( ) ( ) ( N k k n x k h n y Produit de convolution Les opérations pour chaque TAP : Two data fetches Multiply Accumulate Memory write-back to update delay line Objectif 1 FIR Tap / DSP instruction cycle 1 Z 1 Z 1 Z . . . . . . . . h(0) h(1) h(N-2) h(N-1) y(n) x(n) x(n-1) Opération «DSP» fondamentale Filtre FIR  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 8 Système à usage général Une mémoire pour le code et les données Double utilisation des bus données et adresses CPU (Core) Sorties Mémoire Prog & Données Entrée Interfaces Bus adresses Bus Données 1. Instruction fetch 2. Data_1 fetch 3. Data_2 fetch Plusieurs cycles ! Architecture Von Neumann  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 9 tap : MOV AX, [SI] ; lecture coefficients MUL [DI] ; multiplication AX*[DI] AX ADD DX,AX ; accumulation INR SI ; avancement pointeurs INR DI LOOP tap Implantation avec un microprocesseur x86 d’Intel h(0) h(1) . . . h(N-1) . . . x(n) . . . X(n-N+1) SI DI DX  0 SI  @coef DI  @samples CX  N      1 0 ) ( ) ( ) ( N k k n x k h n y Limitations de l’architecture Von Neumann  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 10 Mémoire PM et DM séparées Bus indépendants pour Chaque mémoire En 1 cycle : Instr. Fetch & Data fetch Memory Mapped IO Core : Chemins de données optimisés, MAC, adressage approprié des données Software : instructions dédiées aux applications (FFT, video, parole,…) Mémoire Programme CPU (Core) Sorties Mémoire Données Entrées Interfaces PMA DMA PMD DMD Intégration des CAN et CNA dans certains DSP Architecture Harvard  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 11 Plus de puissance de calcul Mémoire Programme & Données secondaires CPU (Core) Cache Sorties Mémoire Données Entrées Interfaces PMA DMA PMD DMD DMA PCI USB COM … Architecture Harvard modifiée Architecture Harvard: Accès simultanée aux données et aux instructions Architecture Harvard modifiée: Accès simultanée à 2 données (DM) et une instruction Donne les performances de 3 bus avec une architecture à 2 bus  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 12 Traitement de filtrage En un seul cycle machine Lecture d’un coefficient h de la PM Lecture d’un échantillon x de la DM Multiplication et accumulation Program Memory Data Bus Accumulator Program Memory Data Memory Multiplexer Multiplexer Data Memory Data Bus ALU MAC Chemin de données dans un DSP  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 13 Classes de processeurs Microcontrôleurs Architecture: CPU, RAM, ROM, interfaces série / parallèle, timer, circuits d’interruptions Applications: contrôle / commande de processus Caractéristiques: pas d’exigence de vitesse, jeu d’instructions compact Exemples: 8051, 68HC11, PIC,… Microprocesseurs Architecture: CPU mono-chip, nécessite des circuits additionnels externes RISC: Reduced Instruction Set Computer CISC: Complex Instruction Set Computer Exemples: Pentium-Series, PowerPC, MIPS,… Processeurs Numériques des Signaux (DSP) Architecture: CPU optimisée pour traitement mathématique temps réel rapide et répétitif RAM, ROM, interfaces série / parallèle, timer, circuits d’interruptions Exemples: ADSP-21xx, AD-BF-5xx, AD-TS-xxx, TMS320Cxx,…  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 14 Applications des DSP École Supérieure Privé d’Ingénierie et de Technologies  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 15 Produits électroménagers Cafetière, machines à laver, fours à micro-onde,… Électronique grand public Caméras et appareils photos numériques, décodeurs vidéo, téléphones portables, PDA,… Automobile ABS, GPS, contrôle moteur, informatique de confort,… Avionique, spatial, procédés industriels Systèmes de navigation aérienne et maritime, systèmes de contrôle des procédés industriels Télécommunications et informatique Terminaux, nœuds de transfert, équipement de transmission, périphériques informatiques Domaines d’application  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 16 Capacité de traitement DSP Radio numérique  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 17 Applications télécom. LAN câblé RNIS, xDSL (30 – 500 MIPS), ATM, IP (3000 MIPS),… LAN sans fils WLL (DECT: 30 MIPS), WLAN (WiFi: 30 – 1000 MIPS), WiMax,… UWB,… WAN GSM (30 MIPS), UMTS (300 MIPS), MBS (3000 MIPS),…. Applications multimédia Communication: Visiophone, TV numérique, Web-phone, vidéosurveillance,… Diffusion: Audio (DAB), Vidéo (DVB),… Manipulation: services interactifs, gestion de multiples flots d’information (MPEG4),… a BTS BTS BTS Terminal  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 18 Exemple: téléphone portable  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 20 Position dans le marché des S.C  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 21 Représentations et traitement des données École Supérieure Privé d’Ingénierie et de Technologies  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 22 Représentation en virgule fixe -(215) 214 ... 21 20 Cas d’un DSP 16 bits 215 214 ... 21 20 -(20) 2-1 2-2 ... 2-14 2-15 2-1 2-2 ... 2-14 2-15 Unsigned Integer 16.0 Signed Integer 16.0 Signed Fractional 1.15 Unsigned Fractional 0.16 Format P.Q sur (P+Q) bits : Partie entière sur P bits & Partie fractionnelle sur Q bits -(2P-1) 2P-2 ... 20 2-1 ... 2-(Q-1) 2-Q Partie entière Partie Fractionnelle 2P-1 2P-2 ... 20 2-1 ... 2-(Q-1) 2-Q Signed P.Q (complément à 2) Unsigned P.Q  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 23 Plages de variation en format 16 bits  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 24 Exemple de numérisation de signal  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP – Février 2011 25 Extension de signe : Augmenter la précision sans perdre la valeur décimal 4 bits 8 bits 0 0000 00000000 1 0001 00000001 -1 1111 11111111 0011 (3 décimal) + 0111 (7 décimal) = 1010 (-6 décimal ??) cas d’un signal inversion de polarité Overflow Mise à l’échelle (scaling) faible résolution de représentation et qques bits fort poids à 0 Bits de garde Prévoir les débordements et utiliser l’extension de signe Saturation : au maximum négatif ou au maximum positif Sur 16 bits : 0x7FFF ou 0x8000 Arithmétique à virgule fixe  ESPRIT, C. Rebai, N.Khouja Concepts et Pratique des DSP uploads/Philosophie/ cours-dsp-esprit-p1-2011.pdf