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El ordenador y su entorno: microprocesadores especializados para el proceso digital de señales
El ordenador y su entorno Microprocesadores especializados para el proceso digital de señales Frente a las aplicaciones convencionales y conservadoras del ceso de datos comerciad la interacción en tiempo real con el entorno está siendo la aplicación que aporta el tirón tecnológico en cuestión de arquitecturas de procesadores especializadosI El artículo de nuestros compañeros JOSÉ ÍVL SANTOS SUAREZ ÍU Las Palmasl y JUAN ivl SANTOS SUAREZ ÍUJMJ analiza el estado del arte de los proce sadores digitales de señalf describiendo en detalle alguno de ellosI El ordenador y su entorno José M Santos Suárez Juan Ma Santos Suárez El tratamiento numérico de señales aunque aparente es un conjunto de téc nicas nacidas de la mano de la revolución microelectrónica tiene una larga historia tras de s Su fundamentación matemáth ca se remonta a los tiempos de Newton y GaussI Algoritmos discretos ya que tra taban series numéricas de naturaleza dis creta se han aplicado desde el siglo XVII en campos como Astronomías Meteroro gía y Geofísica entre ot El cálculo de las periodicidades ocultas en las series nih méricas resultantes de la medida de fenó menos naturales húmero de manchas solareSj temperatura y pluviometría anualeSj precio del trigo en Europaj constituyó uno de los principales vos de investigación Desde Lagrange en 1772 se han propuesto diversas vías para su cálculos entre los que destacan el pe riodograma y los modelos racionad Hasta mediados los años 50 del presente siglo todos los métodos mencionados a teriormente compartían una propiedad i su aplicación era una aventura de cálculo aritméticos muchas veces de proporc nes colosal La aparición de los comp tadores digitales da un vuelco total a esa situación haciendo que el tratamiento numérico de señales se identifique como una disciplina de los últimos 30 años Si el procesado de señales se había resuelto hasta esas fechas por medios analógicos en adelante los medios digitales se irrv pondrán a un ritmo vertiginoso El procesado digital de señales ÍPDSh puede definirse como métodos de representación discreta de señales y procedimientos numéricos para el trata miento de tales representaciones Su inv portancia radica en la exactitud matemá tica de sus herramientas teóricas y en el control de esa exactitud en lasaplicac nes prácticas mediante la longitud de los códigos empleados en la digitalización de las magnitudes4 Si a esta virtud unimos las de fiabilidads repetibilidads y costo dadas por los javances de la microelectní nica detalladas en la siguiente sección se entenderá el auge de los sistemas discre tos digital DE LO ANALÓGICO A LO DIGITAL La tendencia a sustituir los sistemas analógicos por sus equivalentes discretos digitales ha sido constante e inflexible en las últimas décadas El ritmo de cambio ha sido exponencial en paralelo con la evolución de la microelectrónica digital Las soluciones discretas constituyen casi en exclusiva las innovaciones técnicas y los nuevos campos de aplicación Basta proponer un ejemplo ilustrativoi el p cesado de imágenes resulta impensable fuera del marco de los sistemas discretos digital La digitalización abarca cada vez más partes de lossistemas quedando lo analógico en la periferiai captación de las entradas y actuación de las salidas so bre el mundo exterior En efectc actua mente la mejor solución consiste en digi talizar las entradas analógicas a los siste mas a diseñan efectuar mediante técnicas de procesado digital las transformaciones pertinenteSi y por último convertir en analógicas las salidas que tengan esta na turaleza Las partes analógicas si las hubiere quedarían limitadas a las func nes de acondicionamiento y amplifh cación de señales provenientes de senso reSj conversión analógicaXdigital y dig talanalógica amplificación de potencia para la activación de transductoresl y muy pocas és El factor de decisión pa ra optar entre una solución discreta o analógica ha llegado a ser puramente téc nicoi la velocidad y capacidad de lossiy temas digitales disponibles para satisfacer los requisitos del diseñe El factor coste económicOf como veremos másadelante se inclina cada vez más hacia las so luciones discretast Se puede dar un ejenv plo sacado de la vida cotidiana de lo que se acaba de comentar los audiodiscos dh gitales reducen las partes analógicas a los amplificadores de micrófonos y altavoces y a los convertidores AID y DIA Las ventajas conseguidas son impresionantesi margen dinámico de 90 óBt ausencia de acoplo entre canales ausencia de ruidos de fondol ausencia de ruidos parásitos por suciedad y otras causas ausencia de degradación en la reproducción por des gaste y envejecimientos etc El resultado es que el audiodisco digital es la solución casi perfecta a unos sistemas que han s do analógicos durante un sig Las ventajas de los sistemas discretos han quedado apuntadas en el párrafo a terior de forma implicó Expresadas de una forma condensada se podrían citan Flexibilidad Los sistemas discretos admiten una gran modularidad pudié dose construir grandes sistemas a partir de bloques elementad De igual formaf el trabajo dedicado a un desarrollo puede aprovecharse en otros a través de la utili zación de sus bloques funcionales ele mentad Dentro de la flexibilidad cabe citar el que el ensayo de soluciones alter nativaSj o la corrección de erroresf en muchos casos se reduce a cambios en la programación con el consiguiente ahorro en tiempo y Fiabílidadr Los sistemas digitales son repetitivos por naturalezas la precisión se controla mediante la longitud de los gistros de datos y carecen de derivas con el tiempo y con las condiciones ambie ta Por tanto no precisan de ajustes en las cadenas de montajes ni de ajustes pos teriores durante su funcionamiento Por ultime es de destacar la facilidad con que pueden integrarse en los propios siste mas funciones de autodiagnóstico y loca lización de Coste económicor Ya se han apunta do las ventajas económicas en cuanto a mantenimiento y a tiempo de ejecución de los proyec Se puede añadir que el desarrollo de la microelectrónica está i clinando la balanza económica cada vez más hacia los sistemas digital Finalmente cabe decir que en mu chos casosf y cada vez másí no existen alternativas analógicas viables a los dise ñoSj por lo que la solución digital se inv pone por sí sota Por tantea una de las mayores ventajas de la digitalización es disponer de soluciones a problemas prác ticos que eran impensables hace ún mente unos ños Como ya se ha menc nadOf los límites de los sistemas digitales están en las fronterasi los denominados El ordenador y su entorno sensores y actuadores8 Los sistemas cretos se encuentran en desventaja ún mente cuando por problemas de veloc dad no pueden ofrecer una solución pe ro aún en este caso es cuestión de tiempo y de desarrollo tecnológica Por tanto no es aventurado extrapolar lo que ya está sucediendo y pensar que los sistemas discretoSf en un plazo mediof constituid rán la única solución a la gran mayoría de los problemas de la ingenierías tradh cionalmente resueltos mediante técnicas electrónicas analógicas DE LOS ALGORITMOS A LOS PROCESADORES Hasta hace unas décadas la relación costo7potencia de los componentes elec irónicos disponibles limitaba drást mente el número de sistemas realizables digitalmentel El descenso de esa relación fue responsable del tránsito de lo analó gico a lo digital Además esta tendencia impulsó la investigación y desarrollo de nuevas arquitecturas de procesadores y algoritmos de tratamiento de señales rrando el círculo de una auténtica sión de los sistemas discretos digital Un hito importante de esta interrelación desarrollo microelectrónicodesarrollo de nuevas arquitecturas y algoritmos fue el descubrimiento en 1965 por Cooley y Tukey de las técnicas de cálculo rápido de la transformada discreta de Fourier ÍFFTh Es bien sabido que el cálculo de una de estas transformadas precisa de un número de operaciones del orden de Nf siendo N el número de puntos de la se ñaL Las transformadas rápidas pueden re ducir esta cantidad en la relación N7logN que en casos prácticos representa varios órdenes de magnitud Con la aparición de la FFT muchos algoritmos de procesado de señales cons derados imprácticos hasta entonces menzaron a ser factibles de realización con circuitería digital especializadaI Por primera vez el procesado en tiempo real y el análisis espectral disponían de una herramienta adecuada para la práct Desde el punto de vista de los algoritmos la FFT constituyó un revulsivc La trans formada discreta de Fourier es un instr mento matemático exactof y no una ra aproximación de la transformada tinuas Su efecto inmediato fue desenca Chip del procesador THS 32010 denar un gran despliegue de medios en la reformulación de los conceptos y algor mos de procesado de señales en términos discrett De aquí en adelante dejará de considerarse el PDS como una aproximan ción a las técnicas analógicas para pasar a tener naturaleza propia A partir de los algoritmos de proce sado de señalen y de los objetivos y pe culiaridades de su aplicación puede deli nearse la estructura de los microprocesa dores que se necesitan Las operaciones aritméticas pueden reducirse a un peque ño conjunto básico consistente en convo lucioneSj correlaciónese filtrado digital cálculo de transformadas discretas de Fourier y operaciones vectoriales y tricialest Un elemento común a estas mpulaciones es la realización de suma de producé Uno de los ejemplos más ilus trativos es un filtro digital con respuesta impulsiva limitada ÍFIRK La ecuación en diferenciasy su cálculo consiste en acumular los pro ductos 3jXnmV De aquí se deduce la nece sidad de disponer de instrucciones de multiplicacióncumulación adaptadas a esta operación También se puede resa tar el manejo de los subíndices L n que se facilita si se dispone de direcciona miento indexado con posincremento7 decrementc así como la conveniencia de un mecanismo sencillo para desplazar la memoria interna del filtre Estos ejerrv plos simples bastan para aclarar cómo el juego de instrucciones de los microproce sadores de señal deben adaptarse a las pe culiaridades de los algoritmos de procese El factor más importante para un procesador de señales es su velocidadí La necesidad de tiempo reaL o capacidad de interaccionar con el exterior se agrava por la complejidad de los algoritmos de cálculo y su consumo de operaciones aritméticas Las implicaciones en la a quitectura de los procesadores es inme úX3 La velocidad se alcanza a través de tecnologías rápidas y a través de arqu tecturas con un alto grado de paralehV me La separación de la memoria de da tos de la memoria de programa permite superponer la búsqueda de la siguiente instrucción con la ejecución de la actuaL El ordenador y su entorno También se consigue velocidad dispo niendo de varios elementos actuando s multáneamenteí como multiplicadoresf acumulador desplazadores y registros índice con capacidad aritmética propiat Unas exigencias mínimas de velocidad para un microprocesador de señales se si túan en varios millones de operaciones por segundo ÍMIPSL incluyendo en estas operaciones la multiplicación de 16 x 16 b Se da por supuesto que el procesado digital requiere un ancho mínimo de los registros de 16 bitsí y por tanto se entiende que estamos hablando de procesadoresde 16 bits4 Otro factor importante es la comun cación con el entorne En este aspecto se debe exigir respuesta rápida a estímulos externos a través de interrupciones vecto rizadas capacidad de sincronización fácil con dispositivos tales como convertidores A7D y D7Ai canales rápidos y de gran capacidad de transferencia entradaalida y posibilidad de multiproceso y func namiento como un coprocesador de un procesador digital de propósito general Los procesadores disponibles actuad mente resultan del equilibrio entre las ne cesidades de cálculo y el desarrollo de la microelectrón Brevemente pueden de finirse como microprocesadores de 16 bits con juego de instrucciones adaptado al PDSj 128 palabras de memoria de da to 2D48 de memoria de programas arit mética en punto fijo y capaces de ejeci tar5MIPSB Los diseñadores de sistemas dii tos exigen ya procesadores especializados en PDS con aritmética en punto flotantes memoria interna de datos de varias braSs memoria de programa de 64 braSs y velocidad de al menos 10 Los rumores indican que estos microp cesadores de la segunda generación apa cerán en los próximos 2 añosí Cuando esto ocurra el diseño de sistemas basados en PDS perderá parte de sus dificultades actualeSs y se incrementará el ritmo de transferencia de lo analógico a lo digital UN MICROPROCESADOR ESPECIALIZADO Los elementos disponibles hasta diados los años 70 para el PDS podían clasificarse en dos categoría Grandes sistemas basados en ordenadores orienta dos al cálculo científica eventualmente asociados a procesadores vectorialesf utN lizados principalmente en Radar Sonar Sismología y aplicaciones militaren con un precio en el rango de los cientos de millones de pesetas4 La alternativa para pequeñas aplicaciones en tiempo real eran los bitslices de alta velocidadf cuyo representante más significativo ha sido la familia 2900 de AMD4 A partir de slices de microprocesadores de 4 bits y aña diéndoles un multiplicador puede cons truirse un procesador que efectúe de 1 a 4 MIPSj con multiplicación de 16 x 16 en unos 200 nsl Los inconvenientes de esta segunda solución están en la comp jidad del diseño del procesador cons trucción de una CPU con su microcodifh cación ensamblador ayudas al desar llOj etc problemas de igual o mayor e vergadura que la propia aplicación de PDS Las ventajas están en que se reduce el coste en varios órdenes de magnitud En 1982 Texas Instruments introdu jo la familia TMS320 de procesadores adaptados al PDS constituida por 3 chipsi el TMS32010i procesador digital de señalen el TMS32050f dispositivo de entrada analógicas y el TMS32051 dispo sitivo de salida analógicaa Los disposith vos de entradasalida analógica constitu yen una solución completa a los proble mas de muestreo con circuitos monolít cosf incluyendo filtros analógicos para antisolapamiento y reconstrucción co vertidores A7D y DIAt memoria tampón tipo FIFOj margen dinámico de 96 dt e interface directa para el procesador Da do que nuestro interés se centra en los microprocesadores especializados en PDSj describiremos con algún detalle el TMS32010 procesador que tiende a co vertirse en un estándar en este campe Arquitectural Es del tipo Harvard modificadas permitiendo la conexión de la memoria de programa y datos media te un par de instrucciones especiad En cada ciclo dex máquina se simultanea la búsqueda y ejecución de instruccionesi la estructura pipeine permite en ciertos ca sos la ejecución de hasta 3 instrucciones a la vezt La estructura de datos es un único acumulador con extensiones para soportar funciones de procesado de seña lesv El conjunto simple de instrucciones permite que el control del programas cál culo de direcciones de datos y aritmética se realice mediante circuitos separados trabajando en paralen Se dispone de ins trucciones lógicas y aritméticas saltos condicionados al valor aritmético del acumulador salvado y restauración del contextos interrupción vectorizada y rr canismo de sincronismo con dispositivos externos4 Aritméticar Las instrucciones arit méticas se basan en la representación de los datos en complemento a 2 de 16 bits y soportan operaciones en doble prec sió La unidad aritmética consiste en un sumadorAestador de 32 bitsf 2 desplaza doreSs un acumulador de 32 bitsf y un multiplicador en paralelo de 16 x 1í El acumulador es una de las entradas al mador7restadors mientras que la otra cede del multiplicador o del desplazador de los datos procedentes de la memorial El sumadorAestador puede trabajar en modo saturación fijando su salida al má ximo valor representable en caso de des bordamien La unidad aritmética tiene una estructura altamente paralelaf lo que permite multiplicar acumular y despla zar un coeficiente en dos ciclos máquina Memoria de datosi Consiste en 144 palabras de 16 bits organizada como una página de 128 y otra de 14t Resulta ev dente que su tamaño está definido por limitaciones tecnológicas y de hecho constituye uno de los cuellos de botella en las aplicaciones prácticas de este m croprocesador Los modos de direcciona miento son variosi directo indirecto a partir de uno de dos registros auxiliares indirecto con posincremento y posdecre mente e inmedia Los registros auxilia res AR pueden funcionar también como contadores facilitando la programación de iteraciones mediante una instrucción de salto especial Por último cabe desta car que la memoria de datos está diseña da de tal forma que una palabra puede copiarse en la dirección siguiente en un ciclo máquina en paralelo con otras ope raciones aritméticaSs facilitando la real zación de la función z1B Memoria de programar Existen dos versiones del TMS320s el microprocesa dor con 4 K palabras de memoria de El ordenador y su entorno grama externa y el microcomputador con 1536 palabras programables por ít cara y el resto realizable como memoria externa El stack forma una unidad apa te y soporta hasta 4 niveles de anida miento de subrutinas Las instrucciones de bifurcación constan de dos palabras permitiendo un espacio de diecciona miento de 24 bits y facilitando el control del pipelineI Interface con dispositivos externosi Las entradas7salidas se realizan a través de un bus de datos paralelo de 16 b Se dispone de 8 puertas de entrada y 8 de salidaí capaces de alcanzar los 40 millo nes de bits por segundo de transferen Como ya se ha mencionados también se dispone de interrupción y sincronismo Tecnología y diseñor El dispositivo se ha realizado en NMOS de 3 micrasa El encapsulado es de 40 patillas y la disipa ción de 900 mWf La frecuencia de reloj es de 20 Mhz que proporciona un máxh mode5MIPSí Con objeto de ilustrar la adaptación del TMS320 al PDS veamos la parte de iteración de la programación de un filtro FIFT El programa tendría el siguiente as pecto en lenguaje ensamblador Estas tres instrucciones se repiten hasta que se completa la suma de produ tost La primera instrucción carga el regis tro de entrada del multiplicadorí acum la el producto anteriorf desplaza la n moria interna del filtro y cambia el regis tro auxiliar en curso Üh La segunda muL tiplical decrementa el registro auxiliar ARO y cambia el registro auxiliar en cui sol La última instrucción inspecciona el valor del registro AR0l utilizado como contador de iteraciones y pasa control a la primera instrucción en caso de que su valor no sea 0a El número de ciclos es 4Í por lo que la realización de un filtro FIR de orden N precisa del orden de 4N c c Para una frecuencia de muestreo de 8 KhZf típica en procesado de vozl se podrían realizar filtros FIR hasta un o den de 150f si no estuviéramos limitados por el tamaño de la memoria de Para terminar es interesante nar que el desarrollo de aplicaciones con este microprocesador está soportado por una combinación de software disponible para algunos computadores personales y ordenadores generales como DEC VAX y PDP e IBM 370 y un emulador que permite depurar las últimas etapas del OFERTA DE MICROPROCESADORES DE SEÑAL Durante los años 1978 a 1982 cieron en el mercado varios micoproce sadores adaptados al PDS entre los que destacan2920l NEC7720í AMI2811f y el TMS320 ya descrié Sus característ cas son similares excepto el procesador de INTEL con una arquitectura peculiar y netamente inferior al res Hay que resaltar que por factores de estrategia tecnológica no se dispone comercialmen te de algunos desarrollos notables como el DSP de los laboratorios BELL En la tabla 1 se recogen las caracte rísticas más significativas de estos proce sado Puede observarse que el NEC 7720 y el TMS320 presentan característh cas muy similaress En la tabla 2 se indican los tiempos de ejecución de algunas operaciones fre cuentes También cabe destacar la tud entre los tiempos de los dos procesadores antes mencionados que i dica claramente donde están las fronteras para este tipo de dispositivosa
30 oct 2015