Progettazione di Sistemi DSP
Un possibile diagramma di flusso è il seguente:
APPLICAZIONE
DEFINIZIONE dei REQUISITI di SISTEMA
software
SELEZIONE del DISPOSITIVO DSP
hardware
SVILUPPO del PROGRAMMA
SVILUPPO dello SCHEMA
CORREZIONE del PROGRAMMA
PROTOTIPO
INTEGRAZIONE del SISTEMA
TEST e CORREZIONE del SISTEMA
Progetto di sistemi di DSP
• APPLICAZIONE: da qui ci si muove per progettare
• DEFINIZIONE REQUISITI: e’ una fase cruciale, da cui
dipendono tempi, efficacia e complessita’ del progetto
• SELEZIONE DISPOSITIVO: una fase importante anche per i
costi dell’oggetto da progettare
• SVILUPPO PROGRAMMA/SCHEMA: e’ la fase realizzativa del
S/W e dell’H/W
• CORREZIONE/PROTOTIPO: e’ la fase di emendamento di
possibili bachi progettuali a livello S/W o H/W
• INTEGRAZIONE: il S/W e l’H/W vengono interfacciati a
comporre l’oggetto con le funzioni richieste
• TEST e DEBUGGING: verifica ed eventuale correzioni sul
sistema integrato
Progetto di sistemi di DSP
Il processore che viene selezionato necessita di un insieme
di strumenti di sviluppo, qui suddivisi in requisiti di base e
opzionali.
REQUISITI di BASE:
• Documentazione progettuale dettagliata.
• Strumenti per lo sviluppo del Programma (S/W) a livello
ASSEMBLER oppure ad alto livello.
• Strumenti per la verifica funzionale del Progetto.
• Note applicative oppure altro tipo di assistenza per il
progetto
Progetto di sistemi di DSP
REQUISITI OPZIONALI:
• Compilatori di linguaggi ad alto livello per Software
modulare (p.e. C, FORTRAN)
• Librerie applicative
• Sistemi operativi in tempo reale
• Strumenti a basso costo per accettare l’appropriatezza del
dispositivo.
• Possibilità di verificare l’intero sistema in tempo reale e di
correggere l’hardware
• Prototipazione a basso costo
• Basso “time-to-market” attraverso supporti avanzati
• Ambiente di sviluppo basato su workstation
Progetto di sistemi di DSP
OBIETTIVO: selezione di un dispositivo che consenta di:
• rispettare la tempisitica del progetto
• realizzare la soluzione più efficace dal punto di vista del
costo
 APPLICAZIONNI AD ALTO VOLUME: la scelta cade
probabilmente sul dispositivo meno caro in grado di
effettuare quanto richiesto.
 PER APPLICAZIONI A MEDIO E BASSO VOLUME: la
scelta è dettata da un compromesso tra costo dello
strumento di sviluppo e efficacia/costo del dispositivo.
 PER APPLICAZIONI A BASSISSIMO VOLUME: è
spesso ragionevole scegliere un dispositivo facile da
progettare oppure uno con i costi più bassi per gli
strumenti di sviluppo.
Progetto di sistemi di DSP
IN AMBIENTE PC: la scelta migliore consiste, in genere,
nell’acquisto di schede standard (disponibili da case
costruttrici come ATLANTA SIGNAL PROCESSOR oppure
LOUGHBOROUGH SOUND IMAGES) perchè tale approccio
consente:
– Riduzione del processo di sviluppo al solo progetto di
software;
– Possibili benefici dall’uso di sistemi operativi, compilatori
C e librerie di routine standard fornite con la scheda
stessa.
Progetto di sistemi di DSP
ATTENZIONE A ...
• E’ possibile che la scelta del dispositivo per il progetto
diventi un processo iterativo. Dunque, la prima scelta
effettuata può rivelarsi non opportuna per vari motivi:
– Problemi imprevisti con il programma
– Scoperta di poter impiegare un dispositivo meno caro e
meno potente.
– Modifica delle specifiche di progetto, con conseguente
necessità di rivisitazione della realizzazione prescelta
I casi 1. e 2. possono essere evitati con una ricerca profonda e
meditata dei dispositivi disponibili.
Progetto di sistemi di DSP
• Nel progetto di qualsiasi applicazione di DSP, la progettazione
software e hardware segue percorsi paralleli. Pertanto:
– se come accade in progetti di dimensioni medie o grandi, il
S/W e lo H/W non sono responsabilità dello stesso ingegnere, è
importante uno scambio continuo ed efficace di informazione
tra i due gruppi
– quando l'intera fase di progettazione ha avuto inizio, tutti coloro
che lavorano nel progetto devono possedere piena
conoscenza del dispositivo DSP scelto, in particolare dei suoi:
– punti di forza
– punti deboli
– caratteristiche specifiche
Questo può ad esempio ottenersi seguendo corsi di addestramento
sul dispositivo, organizzati da molte delle case costruttici (il costo di
“training” è compensato dalla riduzione del “time-to-market”, che può
essere discriminante sull’efficacia o meno del progetto).
Progetto di sistemi di DSP
COME SCRIVERE UN PROGRAMMA DSP
• Ci sono due metodi per scrivere un programma per
dispositivi DSP:
– impiego del linguaggio “assembler”
– impiego del linguaggio ad alto livello
Spesso la soluzione ideale è di lavorare con una miscela dei
due metodi.
Progetto di sistemi di DSP
Perché è attraente l’impiego di linguaggi ad alto livello?
• Un linguaggio quale il C è comprensibile per molti ingegneri.
Questo rende il programma comprensibile assai di più che
scrivendolo in un particolare linguaggio “ASSEMBLER”
• I linguaggi assemblativi tendono a essere di tipo mnemonico
(sebbene stiano prendendo piede tipologie diverse)
• Con poche modifiche i linguaggi in C sono “trasportabili” tra
DSP di diversa matrice.
• I linguaggi ad alto livello offrono un ambiente strutturato per lo
sviluppo del software (disponibilità di funzioni, strutture di dati,
tipologie di variabili che portano ad una soddisfacente
intellegibilità e mantenibilità del software). Il linguaggio ad alto
livello più utilizzato per applicazioni di DSP è il C (altri
compilatori disponibili sono: ADA, FORTRAN)
Progetto di sistemi di DSP
Perché è attraente l’impiego di linguaggi assemblativi?
• L’uso del compilatore C porta ad una penalizzazione in
termini di velocità . Per progettare, infatti, un sistema di
DSP il più efficace possibile dal punto di vista del costo è
spesso necessario “spremere il dispositivo fino
all’ultima goccia” dal punto di vista prestazionale.
Questo richiede un software strettamente sagomato sul
particolare dispositivo, e dunque, l’impiego di un
linguaggio più vicino alla macchina.
Progetto di sistemi di DSP
• I moderni compilatori C, benchè molto efficienti, non
possono sostituire un assembler “sagomato”.
(p.e. un algoritmo di codifica della voce basato su
predizione lineare (LPC) può subire una penalizzazione di
un fattore 1.5 se realizzato con compilatore C invece che
in ASSEMBLER, pur adottando un compilatore C molto
efficiente!)
• La penalizzazione in velocità può essere accettabile o
meno, dipende dal particolare sistema. Tipicamente, non
è accettabile quando le velocità di campionamento sono
alte e/o tra campioni successivi sono necessari parecchi
calcoli.
LA SOLUZIONE?
Una sapiente miscela di C e ASSEMBLER!
Progetto di sistemi di DSP
Tutti i compilatori C per DSP generano uno stadio intermedio in
linguaggio assemblativo. Dunque tutte le routine critiche dal
punto di vista temporale possono essere editate a questo
punto, ad esempio.
•
L’uso combinato di C e linguaggio assemblativo è
diventato il modo più diffuso per scrivere il software di un
sistema di DSP di larghe dimensioni.
• Nel tipico software per DSP, la percentuale necessaria di
“sagomatura” può essere anche solo del 5 %. Tale
percentuale corrisponde, però, alla parte del software
dove il processore trascorre la maggior parte del tempo,
cioè il cuore dell’algoritmo di DSP.
Progetto di sistemi di DSP
• Pur tenendo conto della semplicità nella stesura del software
utilizzando un compilatore C, va comunque ricordato che:
– Esistono una gran quantità di compilatori C per
dispositivi DSP, non tutti soddisfacenti
– E’ comunque necessario l’uso di una
assemblatore e linker nell'ambito dello sviluppo di
software con linguaggio ad alto livello.
Progetto di sistemi di DSP
TEST DEL SOFTWARE SVILUPPATO
Ci sono due metodologie di base per provare il software
per DSP sviluppato:
1 - SIMULATORE
• Gira su PC o workstation e imita il comportamento del
dispositivo DSP.
• L'interfaccia d’utente mostra tutti i registri interni I/O, etc,
nonché l’effetto su di essi prodotto dall’esecuzione di ogni
istruzione
• Svantaggio (ovvio!): non succede niente in tempo reale ;
dunque il software non può essere provato come
nell’applicazione finale. Le operazioni di I/O sono simulate
usando file su disco che possono essere scomodi da
inizializzare e richiedere parecchia interpretazione.
Progetto di sistemi di DSP
2 -PIATTAFORMA
• Può essere sia un “modulo di valutazione” che un vero
emulatore, dove:
• MODULO DI VALUTAZIONE = è una piattaforma
hardware di tipo standard, che generalmente contiene un
processore , memoria e I/O analogici, ma che ha
possibilità limitate di espansione. E’ uno strumento
appropriato per:
• prove in tempo reale del software prima che sia disponibile
qualunque prototipo hardware del sistema
• casi di forti limitazioni del budget
• EMULATORI= consentono una prova del software in tempo
reale nel suo vero contesto di sistema, fornendo una elevata
sicurezza sulla correttezza del comportamento.
Sono generalmente utilizzati per provare il software sullo
hardware prototipale (cioè nella fase di integrazione di
Progetto di sistemi di DSP
sistema)
La scrittura e la prova di un software per DSP è un procedimento
altamente iterativo:
• L’impiego di un simulatore o di una scheda di valutazione con un
PC abbastanza potente consente di provare il software
regolarmente man mano che viene scritto.
• La scrittura del software in moduli o sezioni aiuta la valutazione
regolare, dal momento che ciascun modulo può essere valutato
separatamente, aumentando così la probabilità che l’intero sistema
funzioni correttamente nella fase di integrazione
• E’ allora opportuno controllare che il DSP da impiegare abbia un
ASSEMBLER e un LINKER in grado di supportare un software
modulare , librerie a oggetti, etc.
• E’ anche importante fare attenzione a quanto è user-friendly il
simulatore e le schede di valutazione (interfaccia d’utente).
Progetto di sistemi di DSP
PROGETTO HARDWARE
I principali requisiti sulla velocità del processore
+
La dimensione di memoria
+
Specifiche su I/O
+
Il supporto di un processore “host”
Vengono esaminati nelle fasi di iniziali di sviluppo
Progetto di sistemi di DSP
La realizzazione dell’applicazione attorno a un particolare
DSP è molto dipendente dal tipo di dispositivo e va,
dunque analizzata caso per caso.
• Alternative Hardware
Gli algoritmi di DSP possono essere realizzati in modo
diverso a seconda del tipo di applicazione:
- Chip di DSP “General Purpose”
in tempo reale
Piattaforme H/W
- Chip DSP “Special Purpose”
- Processori BIT-Slice
applicazione
- Microprocessori
non in tempo reale
(+ PC, etc)
Progetto di sistemi di DSP
• DSP General Purpose:
Dispositivi completamente programmabili e, dunque,
molto flessibili.
Hanno cicli realizzativi rapidi e loro versioni più veloci
vengono realizzate a intervalli regolari, in accordo con gli
avanzamenti tecnologici e delle tecniche progettuali.
Vengono prodotti in grande quantità, portando un basso
costo per unità.
Progetto di sistemi di DSP
Esempi di dispositivi “GENERAL PURPOSE” della TEXAS
INSTRUMENTS ( Famiglia TMS 320)
Processore in virgola fissa a 16 bit
con architettura Harward
(spazi separati per programma e
memoria dati)
TI TMS320C25 G.P. DEVICE
Progetto di sistemi di DSP
Esempi di dispositivi “GENERAL PURPOSE” della TEXAS
INSTRUMENTS ( Famiglia TMS 320)
Processore in virgola mobile a 32
bit
(no Harward arc.)
TI TMS 320C30 G.P. DEVICE
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DSP Special Puropose:
DISPOSITIVI FINALIZZATI A COMPITI PREFISSATI
(p.e. filtri FIR, dispositivo per FFT, dipsositivo per convoluzioni,
etc.) Prodotti da alcune case costruttrici (p.e. ZORAN; PLESSEY,
SGS; THOMSON MICROELECTRONICS (STM), etc.)
Si utilizzano quando è richiesto di effettuare una specifica
operazione elaborativa con tempistica ridotta.
S.P. DSP più veloci di G.P. DSP
avendo un’architettura dedicata
Lo svantaggio di tale approccio è la mancanza di mezzi di sviluppo di
tipo standard, il conseguentemente lungo ciclo progettuale, il costo dei
componenti…..
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BIT-SLICE COMPONENT:
Approccio più di tipo G.P. per il progetto di DSP ad alta velocità (caso
intermedio). Tali componenti sono dei blocchi di base (componenti
moltiplicatori, ALU, etc.) che vengono connessi tra loro per costituire
una specifica architettura DSP.
MICROPROCESSORI:
Ogni Computer per essere utilizzato per DSP e questo, dunque, vale
anche per i comuni microprocessori (come i Motorola 68000 e gli
Intel i86).
Tali dispositivi non hanno l’architettura e le caratteristiche “on chip”
richieste per un DSP efficiente (in particolare mancano di un
moltiplicatore hardware)!
NON SONO UNA SOLUZIONE EFFICACE!
Progetto di sistemi di DSP
INTEGRAZIONE DI SISTEMA
• E’ una fase chiave per ogni SISTEMA. Costituisce, infatti, la prima
opportunità di provare il S/W con l’H/W applicativo
Un emulatore globale è il migliore strumento per
provare e correggere H/W e S/W, anche se molti
progetti perfettamente riusciti sono stati portati a
temine senza un emulatore.
Progetto di sistemi di DSP
Ci sono due tipi base di emulatori:
• I TRADIZIONALI “IN CIRCUIT” (per dispositivi di DSP
progettati prima del 1988)
• I NUOVI “IN - SYSTEM” (emulatore si comporta da
controllore di un dispositivo con possibilità emulative “on
chip”). Adatti per alte velocità.
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