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Général
Introduction aux DSP
http://perso.wanadoo.fr/lapiste/DSP/dsp.htm
Les DSP (Digital
Signal Processors) sont, comme leur nom l'indique, des processeurs
dédiés au traitement des signaux numériques.
Spécificités
des DSP - 
Les particularités de ces puces,
par rapport aux processeurs généraux (Intel, Cyrix, AMD...)
sont, en général :
-
Une architecture
Harvard, séparant bus programme et bus données
-
Des instructions adaptées aux
opérations classiques de traitement de signaux : multiplication
& accumulation en un seul cycle d'instruction (MAC), transferts de
données par DMA (Direct Access Memory) pour la plupart
-
Un adressage circulaire,
permettant de ne pas faire des tests de modulo sur les pointeurs de tampons
-
Un mode d'adressage par inversion de
bits, servant à réorganiser les échantillons de sortie
de Transformées de Fourier Rapides (TFR ou FFT).
-
De la mémoire interne minimisant
les temps d'accès RAM
-
Des banques de
mémoire, permettant de scinder par exemple partie réelle
et partie imaginaire
-
Une architecture à pipe-line permettant
de paralléliser le maximum d'opérations élémentaires
(préchargement d'instruction, chargement des données, exécution
d'opérations arithmétique/flottante, stockage des résultats)
-
Des entrées sorties dignes d'un
microcontrôleur
-
Parfois même des convertisseurs
analogiques-numériques numériques analogiques intégrés
!
Ces différents atouts ne se retrouvent
pas sur tous les DSP. Les DSP bas de gamme ne disposant, en général
que d'une architecture Harvard, d'instructions adaptées et de mode
d'adressage à inversion de bits.
Caractéristiques
principales des DSP -
Ce qui distingue deux DSP différents
sont, pour les caractéristiques principales :
-
Son type : virgule fixe / virgule flottante.
Je vous propose d'en apprécier la différence dans le prochain
paragraphe.
-
Sa vitesse,
exprimée en MIPS (Mega Instructions par Seconde), qui n'est pas
obligatoirement représentative des performances du DSP. En effet,
le nombre de cycles d'horloge par instruction peut varier d'un DSP à
l'autre. De plus, cela dépend aussi de la complexité des
instructions. Les instructions peuvent être basiques (lecture/écriture
d'une donnée dans un registre) ou plus étoffées (chargement
d'une donnée, élévation au carré, addition
d'un registre avec l'accumulateur) compte-tenu de l'architecture même
du DSP.
-
Sa quantité de mémoire
interne (DRAM/RAM/ROM/Flash...)
-
Ses entrées/sorties (ports série,
ports parallèles) et leurs vitesses respectives
-
Son architecture interne, avec la présence
ou non de canaux DMA. L'architecture jouera en effet sur le degré
de parallélisme, la gestion des ruptures de pipe-line, la facilité
du multi-processing...
Le choix d'un DSP pour une application
particulière sera conditionné par le coût relatif du
DSP par rapport au BOM (Bill of Material) de l'application, et de la complexité
des opérations à effectuer. Il est clair qu'un DSP introduit
dans un appareil grand public est plus souvent à virgule fixe. Si
les coûts de développement d'une application en virgule fixe
sont beaucoup plus importants qu'un design en virgule flottante, les volumes
viendront amortir cette dépense... Il faut l'espérer.
Pour ce qui à trait à
la vitesse, on peut se poser la question en ces termes:
"Quel est le flux de données
maximum à traiter ? Puis-je déplacer le problème de
vitesse en problème de mémoire ?"
En effet, pour certaines applications,
on n'aura pas besoin d'une grande vitesse, à condition d'avoir de
la mémoire. Les algorithmes seront plus simples. Il suffit de prendre
l'exemple suivant pour se rendre compte.
Pour implémenter un algorithme
de traitement de signal adaptatif, nous pouvons utiliser un algorithme
simple stable du type LMS qui ne nécessite pas de grandes ressources
en terme de calcul. En revanche, un nombre élevé de coefficients
sera nécessaire pour parvenir à converger rapidement. En
utilisant un algorithme plus complexe du type RMS, le nombre de coefficients
du filtre sera beaucoup moins élevé, mais les quantités
de calculs par coefficients seront plus importantes.
Le travail du concepteur sera alors
dans le choix d'un compromis, et éventuellement, d'astuces de programmation
- voire même en assembleur - pour parvenir à ses fins en réduisants
les coûts, en fonction de la stratégie générale
de son entreprise.
Virgule
fixe / Virgule flottante -
Deux familles principales de DSP se partagent
le marché. Les premiers sont les DSP à virgule fixe, qui
nécessitent une attention accrue du développeur lors de la
programmation. Les seconds sont les DSP à virgule flottante, aisés
d'utilisation mais plus onéreux.
Aperçu des
contraintes de programmation d'un DSP fixe
Dans un DSP à virgule fixe, c'est
au programmeur de connaître à tout instant l'état de
ses opérateurs. Supposons que nous voulions faire le produit de
deux nombres a et b.
Les questions que devra se poser
le programmeur sont :
1. Quelles sont
les dynamiques réelles des nombres a et b ?
Réponse : - 3.5 < a <
3.5 et 0 < b < 100
2. Quelle est
la dynamique du résultat P = ab ?
Réponse : -350 < P <
350
3. Quelle est
la dynamique de mon DSP ?
Réponse : 16 bits
4. Quelle est
la précision que je désire ?
Réponse : Le maximum à
condition de coder mes nombres sur 16 bits.
5. Alors ? Quelles
solutions ?
Réponse :
Et bien, tout d'abord, "a" peut-être
codé en format Q2.13, b peut-être codé en format Q7.8.
Qi.f signifie : coder la partie entière
du nombre avec i bits, coder la partie fractionnaire avec f bits. i+f=15,
il reste ainsi 1 bit pour coder le signe.
L'exemple ci-dessus représente
un codage Q7.8 pouvant coder des nombres compris entre -128 et +127.99609375.
Pour retrouver ce résultat,
il suffit d'appliquer la formule suivante :
avec i=7 et f=8.
3 peut être codé avec
2 bits, il reste donc 13 bits pour coder la partie fractionnaire de a.
100 peut être codé sur 7 bits, laissant ainsi 8 bits pour
la partie fractionnaire de b.
Une multiplication d'un nombre codé
en Qi.f par un nombre codé en Qi'.f' donne un résultat dont
le codage est Qi+i'.f+f' avec...2 bits de signe.
L'accumulateur d'un DSP sur D bits
a une longueur minimale de 2D bits. Ainsi, dans notre exemple, le résultat
de la multiplication sera en Q11.19.A présent, il est judicieux
de se référer à la condition 4 : à savoir,
avoir le maximum de précision tout en restant sur 16 bits.350 doit
être codé au minimum sur 9 bits. Il reste ainsi 6 bits pour
coder la partie fractionnaire du résultat.
Au bout du compte, la précision
que l'on pourra obtenir, en stockant le résultat sur 16 bits, sera
:
-512 < P < +511.984375.
DSP à virgule
flottante
Sur un DSP à virgule flottante,
les calculs sont transparents pour l'utilisateur. Les temps de développement
sont réduits de façon conséquente. Les nombres sont
codés sous la forme :
Signe Exposant Mantisse, généralement
sur 32 à 40 bits.
Ainsi, la dynamique est bien meilleure
! Mais les opérations effectuées par les circuits (hardware)
sont beaucoup plus complexes qu'avec un DSP à virgule fixe. Ceci
implique que les DSP à virgule flottante sont vendus à des
prix bien supérieurs aux fixes...
Les projets impliquant des DSP à
virgule flottante nécessitent soit de grandes capacités de
calcul, soit une grande précision, pour des volumes de production
peu importants, ou des prix de ventes élevés. Les principaux
consommateurs de DSP à virgule flottante sont les militaires et
les grands systèmes de télécommunications.
Conseils
de programmation -
Voici quelques conseils de programmation
de DSP :
Les DSP sont la plupart du temps impliqués
dans des applications temps réel. Les programmes et les tâches
doivent ainsi souvent être optimisés pour réduire les
charges CPU...et, au besoin (marketing) ajouter le maximum de fonctionnalités.
Ainsi, le programmeur cherchera à
réduire les instructions dans son programme, utilisant le minimum
de périodes d'horloge.
Pour cela il évitera :
-
Les branchements,
qui nécessitent souvent des vidages de pipe-line, prenant x périodes
d'horloge (x étant la taille du pipe de 3 à 7)
-
Les tests...pour
les mêmes raisons
-
De faire confiance aveuglément
au compilateur C qu'il peut utiliser (règle d'or pour les calculs)
Il veillera à :
-
Soigneusement définir le mapping
mémoire. En effet, il faut mettre les variables utilisées
le plus souvent dans la mémoire interne, à zéro "wait
state". Les accès à la mémoire externe peuvent être
très pénalisants suivant la technologie RAM.
-
Bien dimensionner la taille de sa pile
de façon à ne pas subir de débordement (des fois,
le programme plante, et on se demande pourquoi !).
Eviter les tests et les branchements
est certes difficile, mais il existe souvent des astuces permettant de
ruser d'une façon habile. Par exemple, sur le Motorola 563xxx, l'instruction
MOVE peut être conditionnée par le registre d'état,
sans nécessiter de temps de cycle superflu.
Il reste que chaque DSP a sa propre
philosophie, qu'il faut appréhender avec un peu de temps.
Sites
consacrés aux DSP -
Un
article remarquable de Laurent Battista
Site
de Philips (allez voir le TRIMEDIA)
