Cours dsp ge3_isi_eei__1_9_2011_etudiant_2

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  • 1. Rpublique Tunisienne Ministre dEnseignement SuprieurMinistre dEnseignement Suprieur, Universit de Sfax ECOLE NATIONALE DINGENIEURS DE SFAX

2. ENISENIS 2011/20122011/2012 C DSPC DSP 2011/20122011/2012 Cours DSPCours DSP 3 GE ISI EEI3me anne GE ISI-EEI Nouri MASMOUDINouri MASMOUDI Professeur lENIS Responsable de lquipe Circuits et Systmes L b t i dl t i t d T h l i d lI f tiLaboratoire dlectronique et des Technologies de lInformation 3. Plan du coursa du cou s Chapitre I : Introduction aux DSP Chapitre II : Architectures des DSP Chapitre III : Architecture interne du TMS320 C64X Chapitre IV : tude pratique du pipeline pour le TMS320 C64X Chapitre V : Techniques doptimisationChapitre V : Techniques d optimisation ENIS 2011-2012 Cours DSP 3 4. ENISENIS 2011/201 Chapitre I : Introduction aux DSPs Plan Ch suivant 5. Sommaire Besoins et contraintes en traitement numrique du signal Applications typiques Algorithmes typiques Prsentation des DSP Processeurs actuelsProcesseurs actuels Exemples des DSP Comparaison avec les processeurs gnralistesp p g Reprsentation des nombres Types de donnesTypes de donnes Virgule fixe Virgule flottant ENIS 2011-2012 Cours DSP Chapitre 1 5 Virgule flottant 6. Dfinition dun DSP DSP = Digital Signal Processor Processeur de traitement Numrique du Signal U DSP i li d iUn DSP est un type particulier de microprocesseur. Il intgre un ensemble de fonctions spciales destines le rendre particulirement performant dans le domaine du traitement numrique du signal (TNS). Il se prsente gnralement sous la forme dun microcontrleur intgrant, selon les marques et les gammes des constructeurs, de la mmoire, des timers, des ports srie synchrones rapides, des contrleurs DMA, des ports dE/S divers. Cours DSP Chapitre 1 6ENIS 2011-2012 7. Structure gnrale des applications de TNS TNS = Traitement Numrique du Signal ADC = Analog to Digital Converter DAC = Digital to Analog Converter ENIS 2011-2012 Cours DSP Chapitre 1 7 8. Pourquoi le TNS ?q Les principaux avantages du calcul numrique / au calcul analogique :p p g q g q Grande rsistance aux bruits variations des tensions dalimentationa a o s des e s o s d a e a o variations de la temprature interfrences lectromagntiques (EMI)g q ( ) Indpendance par rapport aux tolrances de fabrication Prcision arbitrairePrcision arbitraire Stabilit dans le temps Stockage des donnes sans dgradationStockage des donnes sans dgradation Programmation flexible et dveloppement rapide Contrle absolu des donnes lors du traitement Cours DSP Chapitre 1 8 Contrle absolu des donnes lors du traitement ENIS 2011-2012 9. Applications des DSPpp Communications Image / vidoCommunications Filaire (DSL, cable) Sans fil (cellulaires, tl i i i di Image / vido Compression/Codage Composition tlvision numrique, radio numrique) Modem Traitement Cryptage Militaire I i dAudio Mixage et dition Effets Imagerie : radar, sonar Cryptographie Guidage de missilesEffets Suppression de bruit Annuleur decho g Navigation Cours DSP Chapitre 1 9ENIS 2011-2012 10. Applications des DSPpp Biomdical AutomatisationBiomdical Equipements de monitoring Signaux biophysiques ElectroEncphaloGramme (EEG) Automatisation Commande de machines Contrle de moteurs RobotsElectroEncphaloGramme (EEG) ElectroCardioGramme (ECG) Radiographie Robots Instrumentation Analyseurs de spectre Electronique Automobile Contrle du moteur Gnrations de fonctions Analyseurs de rgimes transitoires Contrle du moteur Assistance au freinage Aide la navigation Commandes vocales Cours DSP Chapitre 1 10ENIS 2011-2012 11. Application type : Modem ADSL ADSL = Asymmetrical Digital Subscriber Line Besoins en calcul de 100 150 MIPS. TEQ = Time domain EQualizer QAM = Quadrature Amplitude Modulation Cours DSP Chapitre 1 11 FEQ = Frequency domain EQualizer ENIS 2011-2012 12. LCD TV TV numrique : affiche la vidoTV numrique : affiche la vido numrique / analogique LCD (Liquid Crystal Display) Module de base: DSP - dcodeur MPEGxDSP dcodeur MPEGx pour vido, voix: AC3/MPEG pour le traitement audio. MCU contrleur du systme lectronique, rseau. I t f Vid / diInterface Vido/audio Unit dalimentation Cours DSP Chapitre 1 12ENIS 2011-2012 13. Digital Video Recorder Le systme inclut : ProcesseurProcesseur DSP: MPEG CPU Triple DAC NTSC/PAL, S vido et YPrPb Interface FPGA/PCI - commander le transfert destransfert des donnes et le bus PCI. CODEC StroCODEC Stro Audio , Interface utilisateur, Bloc dalimentation Cours DSP Chapitre 1 13ENIS 2011-2012 14. Radar Cours DSP Chapitre 1 14ENIS 2011-2012 15. Digital Still Camera Cours DSP Chapitre 1 15ENIS 2011-2012 16. Algorithme type : Les filtres FIR Pour un filtre rponse impulsionnelle finie (Finite Impulse Response) de taille N (nombre de coefficients), on doit effectuer un calcul du type : Cours DSP Chapitre 1 16ENIS 2011-2012 17. Algorithme type : Les filtres FIR Contraintes : nombre de coefficients (10 ! 300), prcision (16 ou 24 bits), Cours DSP Chapitre 1 17 vitesse de fonctionnement . . . ENIS 2011-2012 18. Profils dutilisation du DSP Embarqu Haute performanceEmbarqu Faible cot unitaire Faible consommation : part importante de la Haute performance Puissance : Calcul intensif Paralllisme Multiplication des units deimportante de la consommation pour la mmoire Architecture limite au strict Multiplication des units de calcul internes Interfaces multi-DSP Interface avec un ordinateurArchitecture limite au strict ncessaire Temps rel Interface avec un ordinateur hte Non prioritaires : Performance Non prioritaires : Cot lev Utilisation mmoirePerformance Facilit de programmation Ut sat o o e Consommation Cours DSP Chapitre 1 18ENIS 2011-2012 19. Caractristiques classiques des DSPDSP Ch i d d i t it t d i lChemin de donnes organis pour traitement du signal Jeu dinstructions spcialisp Plusieurs bancs mmoire et plusieurs bus Modes dadressage spcialiss Contrle dexcution spcialisContrle d excution spcialis Priphriques spciaux pour le traitement du signal Augmentation du paralllisme Cours DSP Chapitre 1 19ENIS 2011-2012 20. Caractristiques classiques des DSPDSP Augmentation du paralllisme Calculs Units de calcul en parallle Mmoire accs multiples Lecture/criture de plusieurs donnes simultanmentp Pipeline Dcoupage des instructions de faon les excuter Dcoupage des instructions de faon les excuter intervalles plus rapprochs Cours DSP Chapitre 1 20ENIS 2011-2012 21. Traitement en Temps Rel Les processeurs DSP doivent accomplir des tches en Traitement en Temps Rel Les processeurs DSP doivent accomplir des tches en temps rel, ainsi comment dfinissons-nous le temps rel ? La dfinition du temps rel dpend de lapplication. Example: un filtre FIR de 100 chantillons est excut en temps rel si le DSP peut effectuer et accomplir l'opration suivante entre deux chantillons : ( ) ( ) ( )= = 99 0k knxkany Cours DSP Chapitre 1 21 =0k ENIS 2011-2012 22. Traitement en Temps RelTraitement en Temps Rel TempsTemps d tt td tt tTemps de TraitementTemps de Traitement dattentedattente nn n+1n+1 Temps dchantillonTemps dchantillon nn n+1n+1 Nous pouvons dire que nous avons unep q application en temps rel si : ENIS 2010-2011 Cours DSP Chapitre 1 22 Temps d'attente 0 23. Spcificits des DSP Algorithme classique de TNS : Filtre RIF Spcificits des DSP Algorithme classique de TNS : Filtre RIF = 1 )()()( N inxiany Pour chaque a(i) x(n-i) : =0 )()()( i inxiany Pour chaque a(i) x(n-i) : Recherche de linstruction Recherche du coefficients a(i) Recherche de la donne x(n-i) 3 accs la mmoire Recherche de la donne x(n i) Multiplication a(i) x(n-i)2 accs lunit ENIS 2010-2011 Cours DSP Chapitre 1 23 Accumulation a(i-1) x(n-i-1) + a(i) x(n-i)de calcul 24. Spcificits des DSPSpcificits des DSP Obj tifObjectifs : Rduire les accs mmoire Augmenter les accs mmoire simultans Rduire le temps pass pour faire des calculs Instruction MAC (multiplication-accumulation) ENIS 2010-2011 Cours DSP Chapitre 1 24 ( p ) en 1 seul cycle dinstruction 25. Classification des processeurs DSP = Digital Signal ProcessorDSP = Digital Signal Processor ASIP = Application Specific Instruction set Processor ASIC A li ti S ifi I t t d Ci it Cours DSP Chapitre 1 25 ASIC = Application Specific Integrated Circuit ENIS 2011-2012 26. Quel processeur utiliser pour le TNS -contrleurs : pas assez performants ASIC : beaucoup trop coteux, mise en oeuvre complexe et longueg ASIP : beaucoup trop coteux complexe et surtout spcifiqueASIP : beaucoup trop coteux, complexe et surtout spcifique Processeurs gnralistes (GPP) : pas temps rel, trop coteux, consomment trop dnergie, difficilement embarquables Cours DSP Chapitre 1 26ENIS 2011-2012 27. Quel processeur utiliser pour le TNS ASIC ASIC ance FPGA menttime FPGA Performa GPP DSP Developm GPP DSP Cours DSP Chapitre 1 27ENIS 2011-2012 28. Quel processeur utiliser pour le TNS GPP GPP lity sumption DSP DSP Flexibil Powercons ASIC FPGA ASIC FPGA P ASIC Cours DSP Chapitre 1 28ENIS 2011-2012 29. General Purpose DSP / DSP in ASICGeneral Purpose DSP / DSP in ASIC Circuit intgr application Spcifique (ASICs) est conu base des fonctions en semi-conducteurs. Les avantages et les inconvnients dutiliser les ASICs sont numrs ci-dessous :les ASICs sont numrs ci dessous : AdvantagesAdvantages S iS i ll InconvInconvnientsnients CC tt ll SortieSortie levlev Faible surface en siliciumFaible surface en silicium Faible consommation deFaible consommation de CoCott levlev Moins de flexibilitMoins de flexibilit Temps de dTemps de dveloppement estveloppement est puissancepuissance FiabilitFiabilit amamliorlioree RRduction du bruitduction du bruit levlev Cours DSP Chapitre 1 29 Faible coFaible cot du systt du systme globalme global ENIS 2011-2012 30. Hardware / Microcode multiplicationHardware / Microcode multiplication Les processeurs DSP sont optimiss pour effectuer des oprations de multiplication et d'addition. Multiplication et addition sont excutes matriellement pendant un seul