Progetto di sistemi di DSP Progettazione di Sistemi DSP Un possibile diagramma di flusso è il...

Progetto di sistemi di DSPProgetto di sistemi di DSP

Progettazione di Sistemi DSPProgettazione di Sistemi DSPUn possibile diagramma di flusso è il seguente:

SVILUPPO del PROGRAMMA

CORREZIONE del PROGRAMMA

SVILUPPO dello SCHEMA

PROTOTIPO

softwaresoftware

APPLICAZIONE

DEFINIZIONE dei REQUISITI di SISTEMA

SELEZIONE del DISPOSITIVO DSP

INTEGRAZIONE del SISTEMA

TEST e CORREZIONE del SISTEMA

hardwarehardware


• APPLICAZIONEAPPLICAZIONE: da qui ci si muove per progettare: da qui ci si muove per progettare

• DEFINIZIONE REQUISITIDEFINIZIONE REQUISITI: e’ una fase cruciale, da cui : e’ una fase cruciale, da cui dipendono tempi, efficacia e complessita’ del progettodipendono tempi, efficacia e complessita’ del progetto

• SELEZIONE DISPOSITIVOSELEZIONE DISPOSITIVO: una fase importante anche per i : una fase importante anche per i costi dell’oggetto da progettarecosti dell’oggetto da progettare

• SVILUPPO PROGRAMMA/SCHEMASVILUPPO PROGRAMMA/SCHEMA: e’ la fase realizzativa del : e’ la fase realizzativa del S/W e dell’H/WS/W e dell’H/W

• CORREZIONE/PROTOTIPOCORREZIONE/PROTOTIPO: e’ la fase di emendamento di : e’ la fase di emendamento di possibili bachi progettuali a livello S/W o H/Wpossibili bachi progettuali a livello S/W o H/W

• INTEGRAZIONEINTEGRAZIONE: il S/W e l’H/W vengono interfacciati a : il S/W e l’H/W vengono interfacciati a comporre l’oggetto con le funzioni richiestecomporre l’oggetto con le funzioni richieste

• TEST e DEBUGGINGTEST e DEBUGGING: verifica ed eventuale correzioni sul : verifica ed eventuale correzioni sul sistema integratosistema integrato


Il processore che viene selezionato necessita di un insieme di strumenti di sviluppo, qui suddivisi in requisiti di base e opzionali.

REQUISITI di BASEREQUISITI 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


REQUISITI OPZIONALI: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


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.


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.


ATTENZIONE A ...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.


• 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).


COME SCRIVERE UN PROGRAMMA DSPCOME 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.


• 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)

Perché è attraente l’impiego di linguaggi ad alto livello?


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.


• 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!


Tutti i compilatori C per DSP generano uno stadio intermedio in Tutti i compilatori C per DSP generano uno stadio intermedio in linguaggio assemblativo. Dunque tutte le routine critiche dal linguaggio assemblativo. Dunque tutte le routine critiche dal punto di vista temporale possono essere editate a questo punto di vista temporale possono essere editate a questo punto, ad esempio.punto, ad esempio.

• L’uso combinato di C e linguaggio assemblativo è L’uso combinato di C e linguaggio assemblativo è diventato il modo più diffuso per scrivere il software di un diventato il modo più diffuso per scrivere il software di un sistema di DSP di larghe dimensioni.sistema di DSP di larghe dimensioni.

• Nel tipico software per DSP, la percentuale necessaria di Nel tipico software per DSP, la percentuale necessaria di “sagomatura” può essere anche solo del 5 %. Tale “sagomatura” può essere anche solo del 5 %. Tale percentuale corrisponde, però, alla parte del software percentuale corrisponde, però, alla parte del software dove il processore trascorre la maggior parte del tempo, dove il processore trascorre la maggior parte del tempo, cioè il cuore dell’algoritmo di DSP.cioè il cuore dell’algoritmo di DSP.


– Esistono una gran quantità di compilatori C per Esistono una gran quantità di compilatori C per dispositivi DSP, non tutti soddisfacentidispositivi DSP, non tutti soddisfacenti

– E’ comunque necessario l’uso di una E’ comunque necessario l’uso di una assemblatore e linker nell'ambito dello sviluppo di assemblatore e linker nell'ambito dello sviluppo di software con linguaggio ad alto livello.software con linguaggio ad alto livello.

• Pur tenendo conto della semplicità nella stesura del software Pur tenendo conto della semplicità nella stesura del software utilizzando un compilatore C, va comunque ricordato che:utilizzando un compilatore C, va comunque ricordato che:


TEST DEL SOFTWARE SVILUPPATOTEST 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 Svantaggio (ovvio!): non succede niente in tempo reale ; dunque

il software non può essere provato come nell’applicazione finale. il software non può essere provato come nell’applicazione finale. Le operazioni di I/O sono simulate usando file su disco che Le operazioni di I/O sono simulate usando file su disco che possono essere scomodi da inizializzare e richiedere parecchia possono essere scomodi da inizializzare e richiedere parecchia interpretazione.interpretazione.


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:

• EMULATORIEMULATORI= consentono una prova del software in tempo = consentono una prova del software in tempo reale nel suo vero contesto di sistema, fornendo una elevata reale nel suo vero contesto di sistema, fornendo una elevata sicurezza sulla correttezza del comportamento. sicurezza sulla correttezza del comportamento. Sono generalmente utilizzati per provare il software sullo Sono generalmente utilizzati per provare il software sullo hardware prototipale (cioè nella fase di integrazione di hardware prototipale (cioè nella fase di integrazione di sistema)sistema)

• prove in tempo reale del software prima che sia disponibile prove in tempo reale del software prima che sia disponibile qualunque prototipo hardware del sistemaqualunque prototipo hardware del sistema

• casi di forti limitazioni del budgetcasi di forti limitazioni del budget


La scrittura e la prova di un software per DSP è un procedimento La scrittura e la prova di un software per DSP è un procedimento altamente iterativo:altamente iterativo:

• L’impiego di un simulatore o di una scheda di valutazione con un L’impiego di un simulatore o di una scheda di valutazione con un PC abbastanza potente consente di provare il software PC abbastanza potente consente di provare il software regolarmente man mano che viene scritto.regolarmente man mano che viene scritto.

• La scrittura del software in moduli o sezioni aiuta la valutazione La scrittura del software in moduli o sezioni aiuta la valutazione regolare, dal momento che ciascun modulo può essere valutato regolare, dal momento che ciascun modulo può essere valutato separatamente, aumentando così la probabilità che l’intero sistema separatamente, aumentando così la probabilità che l’intero sistema funzioni correttamente nella fase di integrazionefunzioni correttamente nella fase di integrazione

• E’ allora opportuno controllare che il DSP da impiegare abbia un E’ allora opportuno controllare che il DSP da impiegare abbia un ASSEMBLER e un LINKER in grado di supportare un software ASSEMBLER e un LINKER in grado di supportare un software modulare , librerie a oggetti, etc.modulare , librerie a oggetti, etc.

• E’ anche importante fare attenzione a quanto è E’ anche importante fare attenzione a quanto è user-friendly user-friendly il il simulatore e le schede di valutazione (interfaccia d’utente).simulatore e le schede di valutazione (interfaccia d’utente).


PROGETTO HARDWARE 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 sviluppoVengono esaminati nelle fasi di iniziali di sviluppo


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:

applicazioneapplicazione

in tempo realein tempo reale

non in tempo realenon in tempo reale

- Chip di DSP “General Purpose”- Chip di DSP “General Purpose”

- Chip DSP “Special Purpose”- Chip DSP “Special Purpose”

- Processori BIT-Slice- Processori BIT-Slice

- Microprocessori- Microprocessori

(+ PC, etc)(+ PC, etc)

Piattaforme H/WPiattaforme H/W


• DSP General PurposeGeneral 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.


Esempi di dispositivi “GENERAL PURPOSE” della TEXAS Esempi di dispositivi “GENERAL PURPOSE” della TEXAS INSTRUMENTS ( Famiglia TMS 320) INSTRUMENTS ( Famiglia TMS 320)

Processore in virgola fissa a 16 bit Processore in virgola fissa a 16 bit

con architettura Harward con architettura Harward

(spazi separati per programma e (spazi separati per programma e

memoria dati)memoria dati)

TI TMS320C25 G.P. DEVICETI TMS320C25 G.P. DEVICE


Esempi di dispositivi “GENERAL PURPOSE” della TEXAS Esempi di dispositivi “GENERAL PURPOSE” della TEXAS INSTRUMENTS ( Famiglia TMS 320) INSTRUMENTS ( Famiglia TMS 320)

Processore in virgola mobile a 32 Processore in virgola mobile a 32

bit bit

(no Harward arc.)(no Harward arc.)

TI TMS 320C30 G.P. DEVICETI TMS 320C30 G.P. DEVICE


(p.e. filtri FIR, dispositivo per FFT, dipsositivo per convoluzioni, (p.e. filtri FIR, dispositivo per FFT, dipsositivo per convoluzioni, etc.) Prodotti da alcune case costruttrici (p.e. ZORAN; PLESSEY, etc.) Prodotti da alcune case costruttrici (p.e. ZORAN; PLESSEY, SGS; THOMSON MICROELECTRONICS (STM), etc.)SGS; THOMSON MICROELECTRONICS (STM), etc.)

Si utilizzano quando è richiesto di effettuare una specifica Si utilizzano quando è richiesto di effettuare una specifica operazione elaborativa con tempistica ridotta.operazione elaborativa con tempistica ridotta.

DSP DSP Special PuroposeSpecial Puropose: :

DISPOSITIVI FINALIZZATI A COMPITI PREFISSATIDISPOSITIVI FINALIZZATI A COMPITI PREFISSATI

S.P. DSP più veloci di G.P. DSPS.P. DSP più veloci di G.P. DSPavendo un’architettura dedicataavendo un’architettura dedicata

Lo svantaggio di tale approccio è la mancanza di mezzi di sviluppo di Lo svantaggio di tale approccio è la mancanza di mezzi di sviluppo di tipo standard, il conseguentemente lungo ciclo progettuale, il costo dei tipo standard, il conseguentemente lungo ciclo progettuale, il costo dei componenti…..componenti…..


BIT-SLICE COMPONENT:BIT-SLICE COMPONENT:

Approccio più di tipo G.P. per il progetto di DSP ad alta velocità (caso Approccio più di tipo G.P. per il progetto di DSP ad alta velocità (caso intermedio). Tali componenti sono dei blocchi di base (componenti intermedio). Tali componenti sono dei blocchi di base (componenti moltiplicatori, ALU, etc.) che vengono connessi tra loro per costituire moltiplicatori, ALU, etc.) che vengono connessi tra loro per costituire una specifica architettura DSP.una specifica architettura DSP.

MICROPROCESSORI:MICROPROCESSORI:

Ogni Computer per essere utilizzato per DSP e questo, dunque, vale Ogni Computer per essere utilizzato per DSP e questo, dunque, vale anche per i comuni microprocessori (come i Motorola 68000 e gli anche per i comuni microprocessori (come i Motorola 68000 e gli Intel i86).Intel i86).Tali dispositivi non hanno l’architettura e le caratteristiche “on chip” Tali dispositivi non hanno l’architettura e le caratteristiche “on chip” richieste per un DSP efficiente (in particolare mancano di un richieste per un DSP efficiente (in particolare mancano di un moltiplicatore hardware)!moltiplicatore hardware)!

NON SONO UNA SOLUZIONE EFFICACE!NON SONO UNA SOLUZIONE EFFICACE!


INTEGRAZIONE DI SISTEMAINTEGRAZIONE DI SISTEMA

• E’ una fase chiave per ogni SISTEMA. Costituisce, infatti, la prima E’ una fase chiave per ogni SISTEMA. Costituisce, infatti, la prima opportunità di provare il S/W con l’H/W applicativoopportunità di provare il S/W con l’H/W applicativo

Un emulatore globale è il migliore strumento per Un emulatore globale è il migliore strumento per provare e correggere H/W e S/W, anche se molti provare e correggere H/W e S/W, anche se molti progetti perfettamente riusciti sono stati portati a progetti perfettamente riusciti sono stati portati a temine senza un emulatore.temine senza un emulatore.


Ci sono due tipi base di emulatori:Ci sono due tipi base di emulatori:

• I TRADIZIONALI “IN CIRCUIT” (per dispositivi di DSP I TRADIZIONALI “IN CIRCUIT” (per dispositivi di DSP progettati prima del 1988)progettati prima del 1988)

• I NUOVI “IN - SYSTEM” (emulatore si comporta da I NUOVI “IN - SYSTEM” (emulatore si comporta da controllore di un dispositivo con possibilità emulative “on controllore di un dispositivo con possibilità emulative “on chip”). Adatti per alte velocità.chip”). Adatti per alte velocità.

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