Folgende Spezialprozessoren werden behandelt: Signalprozessoren (Spezialfall eingebetteter Prozessoren)

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1 4.1 Einführung Spezialprozessoren: Im Unterschied zu Universalprozessoren besitzen Spezialprozessoren geringere Flexibilität sind dafür aber bei speziellen Aufgaben schneller Folgende Spezialprozessoren werden behandelt: Eingebettete Prozessoren / Systeme Signalprozessoren (Spezialfall eingebetteter Prozessoren) (Sofern noch Zeit) Rekonfigurierbare Hardware WS 2010/11, Folie 1

2 4.1 Einführung Kosten-/Leistungsvergleich verschiedener Implementierungsarten von Prozessoren Universalprozessoren zunehmende Stückzahlen Leistung CISC (complex instruction set computer) RISC (reduced instruction set computer) Mikrokontroller Digitale Signalprozessoren (DSPs) Application specific instruction set processor (ASIP) Programmierbare Hardware FPGA (Field Programmable Gate Array) CPLD (Complex programmable logic device) Eingebettete Systeme Zunehmende Kosten Flexibilität Leistungsverbrauch Application Specific Integrated Circuit (ASIC) WS 2010/11, Folie 2

3 4.1 Einführung Universal- oder General Purpose Prozessoren (GPPs) Motivation: Hochleistungsprozessoren für allgemeine Computeranwendungen mit PC s oder Arbeitsplatzrechnern (Workstations) Pentiums, Alphas, SPARCs Nützlich für allgemeine Software Existieren mit komplexen Betriebssystemen - UNIX, NT Jedoch: Ist PC/Workstation das rechnerische Allheilmittel für alle Probleme und lässt sich darauf Multimilliardengeschäft aufbauen? Die Wahrheit liegt im Verborgenen WS 2010/11, Folie 3

4 4.1 Einführung Eingebettete Prozessoren und Prozessorkerne Die meisten Anwendungen der digitalen Datenverarbeitung findet man in Geräten des täglichen Lebens eingebaut Diese treten der Umwelt mit analogen Schnittstellen entgegen Die Rechenfunktionalität wird nach außen nicht manifest Trotzdem sind in ihrem Inneren leistungsfähige Rechner verborgen: eingebettete Prozessoren / Systeme Beispiele: ARM, 486SX, Hitachi SH7000, NEC V800 nur ein Programm einfache, oft Realzeit-Betriebssysteme DSP Unterstützung Handys, Unterhaltungs-(Consumer-)Elektronik (z.b. DVD-, CD-Spieler) WS 2010/11, Folie 4

5 4.1 Einführung Mikrokontroller Steuerungsdominante Anwendungen Kontrollfluss-dominanter Code (viele Verzweigungen und Sprünge) wenig arithmetische Operationen geringer Datendurchsatz Multitasking extrem Kosten-sensitiv Häufig geringe Wortbreite - 8 / 16 Bit üblich weisen die höchsten Stückzahlen auf (Automobile, Toaster, Thermostaten) Mikrokontroller sind dafür optimiert viele Bit- und Logikoperationen Register sind oft als RAM realisiert: Kontextwechsel durch Zeigeroperation, dadurch minimale durch Unterbrechungen bedingte Latenz bzw. schneller Kontextwechsel periphere Einheiten integriert (A/D, D/A, CAN, Timer, etc.) WS 2010/11, Folie 5

6 4.1 Einführung Einfache, kostengünstige Mikrokontroller Systeme mit 4/8 Bit Prozessoren Codegrösse dominiert die Chipfläche und damit die Kosten Anforderungen an Rechenleistung gering Beispiel: SICO51 WS 2010/11, Folie 6

7 4.1 Einführung Hochleistungs-Mikrokontroller / Eingebettete Prozessoren Systeme mit 16 / 32 / 64 Bit Prozessoren Beispiele: Motorola MC683xx, Intel x196, Siemens x166 Eingebettete (Multi-Core)-Prozessoren MIPS K / ARM Cortex-A9 MP Core / ARM Cortex-A5 MP Core / IBM Power PC 476FP Einsatzgebiete Systeme mit steuerungsdominanten Teilen und zusätzlich hohen Datenraten (Telekommunikation, Automobiltechnik) hohen Berechnungsanforderungen (Regelungstechnik, Signalverarbeitung) Mikrokontroller-Kern als Teil eines Systems-on-a-Chip WS 2010/11, Folie 7

8 4.1 Einführung Leistung Prozessor-Design-Raum Mikroprozessoren Anwendungsspezifische Architekturen für hohe Leistung Leistung ist alles Software regiert! Mikrokontroller Kosten sind alles Kosten WS 2010/11, Folie 8

9 4.1 Einführung Eingebettete Systeme allgemein: Elektronik-Systeme, die in größeren Umgebungen integriert sind... ein Computersystem, was in ein technisches System eingebettet ist, selbst aber nicht als Computer erscheint [R. Ernst]... any device that includes a programmable computer... not itself intended to be a general-purpose computer [W. Wolf] wichtigstes Kennzeichen: digitale Prozessoren / Systeme, die in analogen Umgebungen eingebettet sind treten mit Umwelt über Aktoren / Sensoren in Kontakt eigens für spezielle Anwendungen entworfen führen innerhalb des Gesamtsystems dedizierte Funktionen durch als Prozessoren in eingebetteten Systemen kommen Standard- Mikroprozessoren, Mikrokontroller oder eigens dafür entworfene Schaltkreise zum Einsatz WS 2010/11, Folie 9

10 4.1 Einführung Bestandteile eines eingebetteten Systems enorme wirtschaftliche Bedeutung: industrielle Automation Werkzeugmaschinen Robotik Unterhaltungselektronik und Haushaltsgeräte WS 2010/11, Folie 10

11 4.1 Einführung in Europa, speziell in Deutschland überwiegen eingebettete Systeme BITKOM-Studie Studie zur Bedeutung des Sektors Embedded-Systeme in Deutschland Das Marktvolumen für eingebettete Systeme in Deutschland wird in 2010 voraussichtlich bei knapp 19 Milliarden Euro liegen Gesamtumsatz der Embedded-Anbieter, deren Umsatz mit Embedded-Systemen größer 1 Mio. im Jahr ist, mit Embedded-Systemen (in Mio. ) WS 2010/11, Folie 11 Umsatz der Anbieter in Deutschland mit Embedded- Systemen nach Bereichen (in Mio. )

12 4.1 Einführung Beispiele für eingebettete Systeme: Whirlwind: MIT späte 1940er und frühe 1950er ursprünglich zur Steuerung eines Flugzeug-Simulators entworfen Realzeit-Anforderungen INTEL 4004: Einsatz in Taschenrechner in dem Falle eingebetteter Prozessor HP-35: trigonometrische Funktionen Programme auf gleicher Hardware ausführen anstatt verschiedene digitale Schaltkreise zu entwerfen WS 2010/11, Folie 12

13 4.1 Einführung Haushaltsgeräte, Unterhaltungselektronik: Waschmaschinen, Toaster, Mikrowelle Digitale und analoge Kameras: z.b. Canon EOS (3 Mikroprozessoren z.b. für Autofokus und Auslösemechanismus) Digital-TV spezielle programmierbare CPU für Audio-Bearbeitung Warum keinen ASIC? einfacher zu entwerfen und zu debuggen einfachere Upgrades CPU auch für andere Zwecke verwendbar WS 2010/11, Folie 13

14 4.1 Einführung KfZ-Elektronik von Anfang als Anwendung attraktiv Mechanik durch Elektronik ersetzen vielfältige Steuerungen Zündzeitpunkt, Gas-/Luft-Gemisch Schub durch Öl-Krise in 1970ern Spritverbrauch senken Emissionen senken beides kombinieren komplizierte Kontroll-Algorithmen Implementierung durch Mikroprozessoren heute: KfZ der Oberklasse enthält mehr als 100 Mikroprozessoren / Mikrocontroller WS 2010/11, Folie 14

15 4.1 Einführung Beispiel ABS (Anti-Blockier-System): sensor sensor brake brake ABS hydraulic pump brake brake sensor sensor WS 2010/11, Folie 15

16 4.1 Einführung KfZ ist rollendes verteiltes und paralleles System WS 2010/11, Folie 16

17 4.2 Digitale Signalprozessoren Digitale Signalprozessoren (DSPs) sind mit die wichtigste Klasse eingebetteter Prozessoren Digitale Signalverarbeitung: Anwendung mathematischer Operationen auf digital repräsentierte Signale Signale werden digital als Folgen von Abtast(Mess-)werten (Samples) repräsentiert Digitale Signale enthält man aus physikalischen Signalen durch Transducer (Sensoren, z. B. Mikrophone) und Analog-Digital- Wandler (ADC) Digitale Signale werden mit Digital-Analog-Wandlern (DAC) in physikalische Signale zurückgewandelt Digitaler Signalprozessor: elektronisches System zur Verarbeitung digitaler Signale; Beispiel für ASIP WS 2010/11, Folie 17

18 4.2 Digitale Signalprozessoren Unterschied analog digital Messen eines analogen Signals bedeutet Umsetzen in Zahlen Nachteil dieses Umsetzens z.b. im Falle einer Binärdarstellung ist die Digitalwandlung des analogen Signals viel komplizierter als analoge Verfahren aufgrund endlicher Darstellung von Zahlen in Rechnern geht potenziell unendliche Auflösung analoger Signal verloren WS 2010/11, Folie 18

19 4.2 Digitale Signalprozessoren Jedoch viele Vorteile Aufzeichnung analoger Signale jede Aufzeichnung eines Signals wirkt wie Filter Frequenzinhalt wird reduziert und Phase verschoben Digitale Aufzeichnung in Zahlen umgesetztes Signal bleibt stabil ohne Verzerrung speichern, übertragen, wiedergeben Frequenzinhalt und Phase bleiben erhalten leichtere Verschlüsselung der Daten möglich» z.b. abhörsicheres Telefon-DSP-System ohne Einfluss auf Qualität des Gesprächs bei niedrigen Frequenzen (0.01 bis 10 Hz) sehr schwer analoge Filter zu bauen digitale Filter jedoch machbar» erste Anwendungen DSPs: Auswertung niederfrequenter seismographischer Daten WS 2010/11, Folie 19

20 4.2 Digitale Signalprozessoren Allgemeines Modell für DSP-System analoges Signal am Eingang analoges Signal wird in Zahlen umgesetzt Ausführen von Berechnungen mit diesen Zahlen Ergebnisse dieser Berechnungen in analoges Signal umsetzen WS 2010/11, Folie 20

21 4.2 Digitale Signalprozessoren Beispiele für Anwendungen von DSPs Mobiltelefone Automatische Inspektion Kollisionsvermeidung Voice over Internet Motormanagement Consumer Audio Voice Mail Navigation (GPS) Audioproduktion Videokonferenzen Pager Musiksynthese Satellitenkommunikation Seismische Analysen Sichere Kommunikation Anrufbeantworter ohne Band Sonar Schnurlose Telefone (DECT) Digitalkameras Modems Rauschunterdrückung Medizinischer Ultraschall Patientenüberwachung Radar WS 2010/11, Folie 21

22 4.2 Digitale Signalprozessoren Algorithmen Filterung im Frequenzbereich - FIR and IIR Frequenz-Zeit-Transformation - FFT Korrelation Die meisten DSP-Aufgaben erfordern: iterative numerische Berechnungen Beachtung numerischer Präzision hohe Speicherbandbreite, meistens durch Array-Zugriffe Real-Zeit-Verarbeitung DSPs müssen diese Aufgaben effizient ausführen, bei gleichzeitiger Minimierung von: Kosten Leistung Speicherbedarf Entwicklungszeit WS 2010/11, Folie 22

23 4.2.2 Typischer Aufbau einer DSP-Architektur Beispiel-Architektur: DSP-Prozessor ADSP 2100 WS 2010/11, Folie 23

24 4.2.3 Vergleich DSPs und GPPs Wurzeln der General-Purpose-Mikroprozessoren (GPPs) gehen zurück auf Eckert, Mauchly, von Neumann (ENIAC) DSPs entwickelten sich aus analogen Signalprozessoren (ASP), die analoge Hardware (klassische Elektrotechnik) benutzen, um physikalische Signale zu transformieren Übergang von ASPs zu DSPs fand statt, weil DSPs unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen sind (sie liefern dieselben Ergebnisse im Schnee und in der Wüste) DSPs arbeiten gleich, auch bei Varianten der Komponenten; das Verhalten zweier analoger Systeme unterscheidet sich selbst wenn sie aus den gleichen Komponenten mit nur 1% Toleranz aufgebaut werden WS 2010/11, Folie 24

25 4.2.3 Vergleich DSPs und GPPs DSPs werden gewöhnlich für ein Programm benutzt, nicht für mehrere das führt zu viel einfacheren Betriebssystemen ohne virtuelle Speicherverwaltung oder Schutzmechanismen DSPs müssen manchmal harten Realzeitbedingun-gen genügen man muss auf alles vorbereitet sein, das in einem Zeitslot passieren kann alle möglichen Unterbrechungen und Ausnahmen müssen berücksichtigt werden und deren Gesamtzeitbedarf vom Zeitintervall abgezogen werden Darum sind Ausnahmen äußerst schlecht! DSPs verarbeiten einen potentiell unendlichen Datenstrom WS 2010/11, Folie 25

26 4.2.3 Vergleich DSPs und GPPs Aufgaben, die heute auch auf GPPs ablaufen Sprach- und Audiodatenkompression Filterung Modulation und Demodulation Fehlerkorrektur, -(De)-Codierung Servosteuerung Audioverarbeitung z.b. Surround Sound, Rauschunterdrückung, Equalization, Sampleratenwandlung Signalisierung (z.b. Teilnehmer- oder Datenend-Einrichtung- Erkennung) Spracherkennung Signalsynthese (z.b. Musik, Sprachsynthese) WS 2010/11, Folie 26

27 4.2.4 Anwendungsbeispiel: RC-Tiefpassfilter RC-Tiefpassfilter Abtasten von Messwerten (Samples) Ein RC-Tiefpassfilter verwandelt ein zeitabhängiges Signal (1) in eine geeignete gefilterte Version (2) Dieser analoge Schaltkreis stellt eine Lösung der Differentialgleichung dar, die den Zusammenhang zwischen Strömen und elektrischen Feldern beschreibt dvout RC Vout ( t) Vin ( t) dt WS 2010/11, Folie 27

28 4.2.4 Anwendungsbeispiel: RC-Tiefpassfilter für eine digitale Implementierung ist die Umwandlung in eine zeitdiskrete Form erforderlich dazu muss das zeitkontinuierliche Signal in eine Folge diskreter Signalwerte umgewandelt werden V ( t) X, X, X, V ( t) Y, Y, Y, in out Die abgetastete Version von V in (t) sei eine Zahlenfolge 6, 8, 4, 12, Diese dient als Eingabe für den digitalen Signalverarbeitungsalgorith. WS 2010/11, Folie 28

29 4.2.4 Anwendungsbeispiel: RC-Tiefpassfilter Welche Verarbeitung ist nun erforderlich, um das Filtern zu implementieren? diskrete Approximation der Ableitung (dy/dt) liefert ein zeitdiskretes Äquivalent zu einer zeitkontinuierlichen Differentialgleichung Yn Yn 1 RC Yn 1 X n t t t Y 1 Y X ay X RC RC n n 1 n n 1 n jeder neuer Abtastwert ist eine Funktion vergangener Abtastwerte WS 2010/11, Folie 29

30 4.2.4 Anwendungsbeispiel: RC-Tiefpassfilter Eine solche Berechnung muss nach jeder Abtastperiode abgeschlossen sein, da Y n von Y n-1 abhängt und neue Daten kontinuierlich auflaufen => harte Realzeit-Anforderung In jeder Abtastperiode finden zwei Multiplikationen und eine Addition (Akkumulation) statt Eine unmittelbare Übersetzung in Hardware würde ein Pipelineregister für die Verzögerung, zwei Multiplizierer und einen Addierer erfordern Dies wäre eine sehr effiziente Lösung ohne Steuerungsoverhead, aber auch ohne Flexibilität WS 2010/11, Folie 30

31 4.2.4 Anwendungsbeispiel: RC-Tiefpassfilter Abbildung auf Architektur 4 Reg1 Reg2 1 2 kritische HW-Einheit in einem DSP ist Multiplizierer Architektur eines DSP so organisiert, dass Multiplizierer in jedem Zyklus benutzbar pro Instruktionszyklus zwei Operanden über Adress- und Datenbusse und eine interne Akkumulator- Rückkopplung bereit stellen WS 2010/11, Folie 31 Multiplizierer 6 ALU 3 Akkumulator 5

32 4.2.5 Beispiel: DSP-Architektur TI Signalprozessorarchitektur TMS320C3X Blockdiagramm WS 2010/11, Folie 32

33 4.2.5 Beispiel: DSP-Architektur TI Signalprozessorarchitektur TMS320C3X Blockdiagramm CPU-Architektur WS 2010/11, Folie 33

34 4.2.5 Beispiel: DSP-Architektur Barrel-Shifter-Architektur Erlaubt in einem Takt das Schieben eines Bitmusters um eine beliebige Anzahl an Bits WS 2010/11, Folie 34

35 4.2.5 Beispiel: DSP-Architektur TI Signalprozessorarchitektur TMS320C4X geeignet zum Aufbau von Multi-DSP-Systemen Schnittstellen zum Verbinden von einfachen DSP-Systemen mehrere Prozessoren auf einem Chip (TMS320C80) Blockdiagramm WS 2010/11, Folie 35

36 4.2.5 Beispiel: DSP-Architektur TI Signalprozessorarchitektur TMS320C4X Aufbau als Multi-Prozessorsysteme WS 2010/11, Folie 36

37 4.2.5 Beispiel: DSP-Architektur TI Signalprozessorarchitektur TMS320C6X acht Funktionseinheiten auf einem Chip VLIW (very long instruction word)-architektur Compiler erkennt Parallelität und plant die Abfolge der Instruktionen auf den verschiedenen Funktionseinheiten Blockdiagramm WS 2010/11, Folie 37

38 4.2.5 Beispiel: DSP-Architektur TI Signalprozessorarchitektur TMS320C6X Blockdiagramm - Prozessorkern WS 2010/11, Folie 38