Ústav radioelektroniky. 18. prosince 2007

Transkript

1 Ústav radioelektroniky Vysoké učení technické v Brně Programování signálových procesorů Mikroprocesorová technika, přednáška č. 13 Ing. Frýza Tomáš, Ph.D. 18. prosince 2007

2 Obsah přednášky Architektury signálových procesorů Způsoby adresování u signálových procesorů Lineární adresování Adresování modulo Bitově reverzní pořadí Programování signálových procesorů Jazyk symbolických adres Programování v jazyce C Kombinace JSA a C Zdroje informací Otázky a příklady k procvičení

3 Obsah přednášky Architektury signálových procesorů Způsoby adresování u signálových procesorů Lineární adresování Adresování modulo Bitově reverzní pořadí Programování signálových procesorů Jazyk symbolických adres Programování v jazyce C Kombinace JSA a C Zdroje informací Otázky a příklady k procvičení

4 Obecná struktura signálového procesoru (Harvardská architektura) Signálový procesor je charakterizován několika znaky Pamět ová oblast pro program a data je oddělena, Pro efektivnější výkon programu se využívá zřetězeného zpracování instrukcí (pipelining), Kromě aritmeticko/logické jednotky obsahuje centrální jednotka také hardwarovou násobičku, Pro přenos dat i adres uvnitř procesoru je využíváno většího počtu oddělených sběrnic, Instrukční soubor s omezeným počtem instrukcí, jejichž výkon trvá obecně jeden nebo dva instrukční cykly, Přesun informací (např. z/do I/O jednotek) je realizován tzv. přímým přístupem do paměti DMA (Direct Memory Access).

5 Přímý přístup do paměti Pomocí DMA je přenos dat mezi vyrovnávací pamětí I/O zařízení a pamětí systému prováděn bez zatěžování procesoru. Procesor tak nemusí přerušovat výkon programu, pouze musí uvolnit příslušné sběrnice. Přesun řídí (generace adres, časování přesunu) jednotka DMA (viz. blokové schéma DSP).

6 Struktura signálového procesoru (TI) Obrázek: Jádro procesoru TMS320C67xx

7 Operace funkčních jednotek (TMS320C64xx) Typ operace.l.s.d.m 32bitové aritmetické operace Dvě 16bit. nebo čtyři 8bit. aritm. oper bitové aritmetické operace + 32bitové logické operace nebo 40bitové posuny bitové operace s jednotlivými bity + Násobení dvou 16bitových operandů + Dvě 16bitové nebo čtyři 8bitové násobení + Přístup do paměti + Větvení programu +

8 Instrukční paket DSP VLIW U DSP s architekturou typu VLIW jsou instrukce (instrukční paket) složeny z dílčích instrukcí. Každá z instrukcí je právě 32bitová a nese informaci pro jednu řídicí jednotku. DSP TMS320C6xxx obsahuje celkem 8 jednotek, proto jeden instrukční paket obsahuje 8 32 = 256b. Tvorbě instrukčních paketů je podřízeno také programování v jazyce symbolických adres DSP Na jednotlivé pakety se lze odkazovat pomocí návěští (např. u podmíněných či nepodmíněných skoků), U dílčích instrukcí v paketu to nelze. Celý paket se chápe jako celek a stejně tak se nahrává do řídicí jednotky při výkonu programu, Dílčí instrukce v paketu se píší na samostatné řádky, které začínají symbolem. Např.: navesti: ldh.d1t1 *a4++,a9 ; reg. a9 = *a4 ldh.d2t2 *b4++,b9 ; reg. b9 = *b4

9 Struktura instrukce VLIW navesti: ldh.d1t1 *a4++,a9 ; reg. a9 = *a4 Návěští Identifikuje adresu, od které je v paměti uložen instrukční paket. Název instrukce Označení konkrétní instrukce, tj. operace která se má vykonat (např. ldh načtení dat z paměti, mpy násobení,...). Funkční jednotka Označení jednotky, která má instrukci vykonat (např. D1), Může být spojeno s označením sběrnice pro přenos dat (T1). Argumenty instrukce Např. *a4++, a9. Na rozdíl od mikrokontrolérů zde první operand udává zdroj a poslední destinaci, U DSP TMS320C6xxx není využito přímé adresování. Název registru uvozený hvězdičkou tedy reprezentuje ukazatel, tj. místo kde je uložena adresa operandu.

10 Obsah přednášky Architektury signálových procesorů Způsoby adresování u signálových procesorů Lineární adresování Adresování modulo Bitově reverzní pořadí Programování signálových procesorů Jazyk symbolických adres Programování v jazyce C Kombinace JSA a C Zdroje informací Otázky a příklady k procvičení

11 Způsoby adresování u DSP Výpočet adres pro čtení/zápis operandů v registrech nebo v paměti provádí jednotka generování adres AGU (Address Generation Unit) Využívá se celočíselná aritmetika (tedy ne zlomkový tvar), Obsahuje vlastní ALU jednotku(y) a datové/řídicí registr(y) pro nastavení způsobu adresování, Nejčastější způsoby u DSP jsou: lineární adresování (přímé/nepřímé), adresování modulo, adresování v bitově reverzním pořadí. Pozn.: Způsob adresování se u TMS320C6000 nastavuje v registru AMR (Addressing Mode Register).

12 Lineární adresování Přímé adresování Operand instrukce obsahuje přímo zadanou adresu, kde v paměti se nachází hodnota pro výkon instrukce, Pozn.: U TMS320C6000 není tento způsob využit. Nepřímé adresování hodnot operandů Operand instrukce obsahuje adresu, kde je v paměti uložena hodnota pro výkon instrukce. Je to tedy ukazatel na hodnotu, Značení pomocí hvězdičky : *nazev registru. Při použití instrukcí pro přístup do paměti je možné měnit hodnotu ukazatele Inkrementace/dekrementace před/po vykonání adresace, Relativní změna o větší počet pozic, Adresace bez změny ukazatele.

13 Nepřímé adresování Tabulka: Změna hodnot ukazatelů Změna Před adresací Po adresaci Inkrementace *++rx *rx++ Dekrementace *--rx *rx-- Větší zvýšení *++rx[konst] *rx++[konst] Větší zmenšení *--rx[konst] *rx--[konst] Beze změny *rx *rx

14 Nepřímé adresování hodnot operandů Tabulka: Načtení dat z paměti do registru: ldw.d1 *a10,b1 (Load from memory) Název registru/pozice Před výkonem Po výkonu b1 0x x a10 0x x pamět 0x100 0x x Tabulka: Uložení hodnoty do paměti: stb.d1 a1,*--a10 (Store to memory) Název registru/pozice Před výkonem Po výkonu a1 0x x a10 0x x pamět 0x100 0x x pamět 0x101 0x x

15 Adresování modulo Kromě lineárního způsobu adresování (hodnota ukazatele se konstantně zvyšuje/snižuje) je u DSP častým způsobem adresování tzv. adresování modulo (tzv. kruhová pamět ) V datové paměti se vyhradí blok určité délky a pouze v něm se pohybuje ukazatel operandu, Až ukazatel obsahuje nejvyšší možnou adresu a instrukcí se provede další zvýšení, je do ukazujícího registru automaticky nahrána nejnižší adresa ve vyčleněném bloku, Velikost bloku je možné vybrat z pevně daných intervalů (viz. registr AMR). Příklad použití kruhové paměti Periodické čtení koeficientů filtru, Dvojice ukazatelů pro ukládání přijatých/vyslaných dat do paměti.

16 Nastavení způsobu adresování u TMS320C6000 U každého z registrů A4-A7 a B4-B7 je možné specifikovat způsob adresování (lineární/modulo) v registru AMR (31:0) BK1 (25:21), BK0 (20:16) - určují velikost bloku pro adresování modulo podle vztahu velikost [B] = 2 BKn+1, Je tedy možné nastavit 32 různých velikostí bloku pro adresování typu modulo: od 2B až po B, B7mode (15:14), B6mode (13:12),..., A4mode (1:0) - udává typ adresování pro konkrétní registr B7-B4 a A7-A4. 0b00: lineární, 0b01: modulo podle BK0, 0b10: modulo podle BK1.

17 Adresování v bitově reverzním pořadí Generování adresy v bitově reverzním pořadí je patrně nejméně běžný způsob adresování. Využívá se pouze u speciálních algoritmů, které vstupní/výstupní data přerovnávají z běžného pořadí do jiného. Příkladem je algoritmus rychlé Fourierovy transformace FFT (Fast Fourier Transform), která je často realizována pomocí DSP Jsou-li vstupní vzorky pro výpočet FFT v přirozeném pořadí, tj. 0, 1, 2,..., 7 (příklad N = 8), je pořadí bitů u indexu výstupních vzorků v obráceném pořadí (LSB na prvním místě, MSB poslední), 000=0; 001=1; 010=2; 011=3; 100=4; 101=5; 110=6; 111=7, 000=0; 100=4; 010=2; 110=6; 001=1; 101=5; 011=3; 111=7, Z důvodu usnadnění výpočtu FFT, obsahují DSP hardwarovou část, která realizuje toto přehození adresování v bitově reverzním pořadí.

18 Obsah přednášky Architektury signálových procesorů Způsoby adresování u signálových procesorů Lineární adresování Adresování modulo Bitově reverzní pořadí Programování signálových procesorů Jazyk symbolických adres Programování v jazyce C Kombinace JSA a C Zdroje informací Otázky a příklady k procvičení

19 Ukázka aplikace v JSA Ukázka implementace jednoduchého algoritmu na signálový procesor TMS320C6000 využívající dvě základní operace DSP: součet, součin y = N 1 n=0 a n x n, N = 10. Obecný popis operací Násobení: a0 x 0 = y 0 mpy.m a0,x0,y0 Akumulace mezivýsledků: y 0 + mezisoucet = y add.l y0,mezisoucet,y Hodnoty operandů jsou ukládány v registrech mpy.m a0,a1,a3 ; a0 * a1 = a3 add.l a4,a3,a4 ; a4 + a3 = a4 Help: mpy - Integer multiply 16 LSB, add - Addition without saturation. Připomenutí: TMS320C6000 obsahuje 32bitové registry (A0-A15 a B0-B15).

20 Adresování hodnot operandů Hodnoty proměnných a n a x n je nutno do registrů a0, a1 nejprve načíst z paměti. Využijeme nepřímého adresování, kdy registry a5, a6 obsahují ukazatele na vzorky a 0 a x 0 ldh.d *a5++,a0 ; načtení aktuálního vzorku a ldh.d *a6++,a1 ; načtení aktuálního vzorku x Help: ldh - Load from memory. Naplnění 32bitové adresy ukazatelů a5, a6 musí samozřejmě předcházet uvedené instrukce a probíhá ve dvou krocích pomocí instrukcí mvkl a mvkh mvkl.s konst low,a5 ; nižších 16bitů adresy ukazatele mvkh.s konst hi,a5 ; vyšších 16bitů adresy ukazatele mvkl.s konst low,a6 ; nižších 16bitů adresy ukazatele mvkh.s konst hi,a6 ; vyšších 16bitů adresy ukazatele Help: mvkl - Move 16 LSB constant into register, mvkh - Move 16 MSB constant into register.

21 Větvení programu Cyklus je nutné realizovat pomocí instrukce skoku b.s navesti ; skok na návěští Help: b - Branch. U DSP TMS320C6000 lze podmínit výkon každé instrukce. Jako argument je možné použít obsah registrů A1,A2,B0,B1 nebo B2. Testovaná hodnota se zapíše do [] před instrukci, jejíž výkon má být podmíněn [b0] b.s navesti ; skok na návěští pokud b0!= 0 [!b0] b.s navesti ; skok na návěští pokud b0 = 0 Realizace cyklu je analogická s instrukční sadou AVR; jen s tím rozdílem, že zde netestujeme příznakový bit Zero navesti:... sub.s b0,1,b0 ; b0-1 = b0 [b0] b.s navesti ; skoč pokud je b0!= 0

22 Dokončení algoritmu Výpis celého algoritmu výpočtu skalárního součinu (konstanty pt1 až pt3 reprezentují adresy, kde jsou v paměti uloženy vstupní vzorky, příp. výstupní hodnota). Help: zero - Zero a register, sth - Store to memory.

23 Dokončení algoritmu mvkl.s2 pt1,a5 ; ukazatel na vektor a mvkh.s2 pt1,a5 mvkl.s2 pt2,a6 ; ukazatel na vektor x mvkh.s2 pt2,a6 mvkl.s2 pt3,a7 ; ukazatel na výstupní vzorek y mvkh.s2 pt3,a7 mvkl.s2 10,b0 ; počet opakování cyklu zero.l a4 ; nulování mezivýsledku: a4 = 0 navesti: ldh.d *a5++,a0 ; načtení aktuál. vzorku a ldh.d *a6++,a1 ; načtení aktuál. vzorku x mpy.m a0,a1,a3 ; a0 * a1 = a3 add.l a4,a3,a4 ; a4 + a3 = a4 sub.s b0,1,b0 ; b0-1 = b0 [b0] b.s navesti ; if b0!= 0 skoč na navesti sth.d a4,*a7 ; uložení výsledku na adresu ukazatele a7...

24 Programování v jazyce C Při programování v jazyce C lze kombinovat několik možností Celý kód v jazyce C, Použití speciálních funkcí intrinsic, Kritické pasáže přepsat pomocí funkcí v JSA (*.asm) a ty volat z jazyka C, Kritické pasáže přepsat pomocí lineárního asembleru (*.sa). Speciální funkce intrinsic Jedná se o funkce v jazyce, které ale překladač zamění jednou, příp. několika instrukcemi, Help: int abs( int src ) ; int add2( int src1, int src2 ) ; int mpy( int src1, int src2 ) ;...

25 Ukázka programování v jazyce C int main( void ) { short a = 0x40 ; short b = 0x20 ; int y ; y = (a + b) << 1 ; // variable declaration // y = 2(a+b) while( 1 ) ; // forever loop return( 1 ) ; // return value = 1 }

26 Kombinace zdrojového kódu v JSA a v jazyce C Obecně platí zásada, že vyšší programovací jazyk C se při programování DSP používá pro inicializaci aplikace a pro nekritické pasáže kódu (z pohledu velikosti nebo rychlosti). Kritické části je vhodné z hlediska absolutní kontroly rychlosti a velikosti přeloženého kódu programovat v assembleru, příp. v tzv. lineárním assembleru (Texas Instruments). Tři způsoby kombinace kódu napsaného v C a v JSA Funkce v C volá jinou funkci v JSA (uloženou v souboru *.asm), Přerušení spouští obsluhu napsanou v JSA, Instrukce v JSA je spuštěna speciální funkcí překladače intrinsic.

27 Volání funkce v JSA z jazyka C Funkce v JSA i v C používají stejné registry. Mohou si také vyměňovat parametry/výsledné hodnoty. Názvy veškerých proměnných či funkcí definovaných v C musí být v JSA uvozeny. Registr B3 obsahuje návratovou adresu z funkce v JSA. int main() { }... y = asmfunction( a,b ) ;... // volání funkce v JSA asmfunction:... b b3 ; návrat z funkce v JSA

28 Vstupní parametry/výstupní hodnota funkce v JSA Funkce v JSA může obsahovat až 10 vstupních parametrů. Ty jsou vždy postupně uloženy v registrech A4, B4, A6, B6, A8, B8, A10, B10, A12 a B12. Pokud funkce vrací hodnotu, je nutné ji před návratem uložit do registru A4. Funkce se ukončí skokem na návratovou adresu, tj. b B3 Příklad Jaké hodnoty obsahují registry A4 a B4 před a po vykonání funkce y = asmfunction( a,b ), která realizuje operaci y = 2 (a + b)? Necht hodnoty a = 0x40 a b = 0x20. Řešení Registr Před Po A4 0x40 (64) 0xc0 (192) B4 0x20 (32) 0x20 (32)

29 Volání funkce v JSA z jazyka C extern int asmfunction( short,short ) ; // function in assembler int main( void ) { int y = asmfunction( 0x40,0x20 ) ; // call assembler function while( 1 ) ; // forever loop return( 1 ) ; // return value = 1 }.global _asmfunction ; global parameter definition _asmfunction: add.d1x a4,b4,a4 ; a4 + b4 = a4 shl.s1 a4,1,a4 ; a4 << 1 = a4 b.s2 b3 ; return from function nop 4

30 Vstupní parametry/výstupní hodnota funkce v JSA Vzhledem k situaci, že jak kód napsaný v C tak i v JSA může používat (přepisovat) registry, je potřeba je zálohovat Registry A0,B0 až A9,B9 se automaticky ukládají do paměti při volání funkce v JSA. Po ukončení funkce se hodnoty nahrají zpět (neplatí pro vstupní/výstupní hodnoty), Ostatní registry A10,B10 až A15,B15 musí zálohovat programátor ručně na začátku volané funkce v JSA.

31 Lineární assembler TMS320C6000 Při programování v JSA signálového procesoru TMS320C6000 je potřeba specifikovat názvy registrů a především hĺıdat časování jednotlivých instrukcí Např. instrukci pro přístup do paměti doplnit 4 instrukcemi nop, Přístup do paměti trvá 5 strojových cyklů; 1. cyklus spuštění instrukce; načtená/uložená hodnota je k dispozici za další 4 cykly. Lineární asembler je jakýmsi mezikrokem mezi JSA a jazykem C. Umožňuje snadnější práci pro programátora, ale ponechává mu značnou kontrolu nad výsledným kódem Je možné používat symbolické názvy registrů, včetně předávaných parametrů (podobně jako proměnné v jazyce C), Správné časování výkonu instrukcí se provádí automaticky, Programuje se přímo pomocí instrukcí bez nutnosti specifikovat funkční jednotku. Kód je optimalizován mezi volné jednotky.

32 Ukázka aplikace v lineárním assembleru Zdrojový kód uložený v souboru s koncovkou *.sa musí obsahovat několik částí Identifikace symbolu/funkce definovaného v jiném zdrojovém souboru pomocí direktivy.global, Specifikace začátku funkce.cproc, Konec funkce.endproc, Přiřazení vstupních hodnot proměnným za.cproc, Deklarace proměnných (symbolické označení registrů).reg, Návratová hodnota funkce.return.

33 Ukázka aplikace v lineárním assembleru.global _asmfunction ; the.global directive identifies a symbol ; that is used in the current file but ; defined in another file _asmfunction:.cproc a,b ; beginning of the section _asmfunction ; a, b are inputs of procedure.reg y ; descriptive name to be used for a register add a,b,y shl y,1,y.return y.endproc ; a + b = y ; y << 1 = y ; return value in y ; end of the section _asmfunction

34 Obsah přednášky Architektury signálových procesorů Způsoby adresování u signálových procesorů Lineární adresování Adresování modulo Bitově reverzní pořadí Programování signálových procesorů Jazyk symbolických adres Programování v jazyce C Kombinace JSA a C Zdroje informací Otázky a příklady k procvičení

35 Zdroje informací Lapsley, P., Bier, J., Shoham, A., Lee, E.A. DSP Processor Fundamentals. Architectures and Features. John Wiley & Sons, New York, 1996, ISBN Smékal, Z., Sysel, P. Signálové procesory VLIW firmy Texas Instruments. Sdělovací technika. Dahnoun, N. Linear assembly. University of Bristol, Dahnoun, N. Interfacing C and assembly code. University of Bristol, 2002.

36 Obsah přednášky Architektury signálových procesorů Způsoby adresování u signálových procesorů Lineární adresování Adresování modulo Bitově reverzní pořadí Programování signálových procesorů Jazyk symbolických adres Programování v jazyce C Kombinace JSA a C Zdroje informací Otázky a příklady k procvičení

37 Otázky a příklady k procvičení 1. Navrhněte postup výpočtu jednoho vzorku konvoluce vektorů x a h (N = 4) uložených v paměti DSP TMS320C64xx. Zaměřte se na efektivní využití co největšího počtu funkčních jednotek. Přesné označení instrukcí není důležité. 2. Vyjmenujte všechny funkční jednotky signálového procesoru TMS320C6414. Které z nich umožňují načítání hodnot z paměti? 3. S jakou minimální frekvencí hodinového signálu je možné dosáhnout početního výkonu u DSP TMS320C MIPS? 4. Napište tělo funkce y = komplex sum( A re, A im, B re, B im ) ; v lineárním asembleru TMS320C6400 realizující součet dvou komplexních čísel.