Программно-аппаратный комплекс для многофункционального метеорологического радиолокатора на базе ADSP-2185

Содержание 
 
 
 
 
 

1. Введение

   Основная  цель работы:

   Исследование атмосферы на расстоянии 80-100 км от земли. Исследование проводится путем испускания электромагнитных волн в атмосферу импульсным радаром и прием отраженных волн приемником. Проверяется 8 направлений, 8 радаров.

     Необходимая система работает  в 3-х режимах:

1. Поиск
2. Селекция
3. Регистрация

   Поиск проводится путём передачи коротких электромагнитных импульсов длиной около 100мкс и приема отраженного сигнала. Принятие нужного происходит  не сразу после испускания импульса, а через некоторое время, чтобы не регистрировать ненужные объекты(самолет, стая птиц и т.д.).Импульсы испускаются каждые 2500 мкс.(400Гц) После испускания каждого идет принятие и анализ полученного отражения. Если отражение было, то идет режим селекции.

   Система переходит в режим селекции после получения отражения сигнала и идет анализ полученных результатов. В этом режиме идет измерение полученных данных – измерение длительности отражения, его амплитуда, соотношение к шуму. Если условия не выполняются, происходит переключения направления. Но если измеренные результаты показывают, что это наш сигнал, происходят ещё такие же 2 проверки. Если следующие 2 проверки  показывают такой же результат, то система переключается в режим регистрации.

   В режиме регистрации  система записывает получаемые данные  на диск. Радар посылает 80 импульсов и полученное отражение записывается на диск. Даже если отражение пропало или получаемый сигнал не нужный, всё равно продолжается запись на диск в течении этих 80 кадров(80*2500мкс). Далее происходит смена направления и система проходит эти 3 режима заново.

   Для управления такой системы используется плата L-783, на которой установлен сигнальный процессор ADSP-2185.

   2. Обзор ADSP - 2100

   Семейство ADSP-2100 представляет собой ряд программируемых  процессоров и микрокомпьютеров на одном кристалле, которые объединяет общая базовая архитектура, оптимизированная для цифровой обработки сигналов и других операций в области высокоскоростной обработки цифровых данных. Отличие различных процессоров семейства друг от друга заключается в числе и виде дополнений к базовой архитектуре, а именно: внутренней памяти на кристалле, таймере, последовательных и параллельных портов. Кроме того, процессоры ADSP-21msp58/59 имеют на кристалле аналоговый интерфейс для обработки смешанных аналоговых/цифровых сигналов.

   Функциональные  устройства:

   • Вычислительные устройства - Каждый процессор  семейства содержит три независимых  вычислительных устройства с полным набором функциональных возможностей: арифметико-логическое устройство (АЛУ), умножитель-накопитель (умножитель) и устройство (циклического) сдвига. Вычислительные устройства обрабатывают данные разрядностью 16 бит и поддерживают вычисления с повышенной точностью.

   •Генераторы адреса данных и программный автомат - Два генератора адреса данных и  программный автомат генерируют адреса для доступа к памяти на кристалле или внешней памяти. Программный автомат поддерживает команды условного перехода за один цикл и организует выполнение циклов программы с нулевыми затратами ресурсов. Два генератора адреса данных позволяют

   одновременно  генерировать адреса для выборок  двух операндов. Программный автомат  и генератор адреса данных обеспечивают постоянную загрузку вычислительных устройств, максимизируя, таким образом, их производительность.

   • Память - В семействе ADSP-2100 используется модифицированная гарвардская архитектура, при которой данные хранятся в памяти данных, а память программы содержит как команды, так и данные. Все процессоры семейства ADSP-2100 имеют ОЗУ на кристалле, которое включает часть пространства памяти программы и часть пространства памяти данных. Быстродействие памяти на кристалле позволяет процессору выбирать два операнда (один - из памяти данных, и один - из памяти программы) и команду (из памяти программы) за один цикл.  

   • Последовательные порты - Последовательные порты обеспечивают полное сопряжение с аппаратными средствами реализации компандирования. Поддерживается компандирование и с А-, и с ^-характеристикой. Порты непосредственно сопрягаются со многими типами последовательных устройств. Каждый порт может генерировать программируемые внутренние тактовые синхроимпульсы или принимать внешние тактовые синхроимпульсы.

   • Таймер - Программируемый таймер/счетчик  с предварительным делителем  частоты разрядностью 8 бит обеспечивает генерацию периодических прерываний.

   • Порт интерфейса хост-машины - Порт интерфейса хост-машины обеспечивает прямое соединение (без буферных логических схем) с  хост-процессором. Порт интерфейса хост-машины имеет 16 выводов для данных и 11 управляющих  выводов. Порт интерфейса хост-машины - чрезвычайно гибкое устройство, у которого есть возможности, позволяющие осуществлять простое сопряжение с множеством хост-процессоров. Например, процессоры Motorola 68000, Intel 8051, или другие процессоры семейства ADSP-2100 легко подсоединяются к порту интерфейса хост-машины.

   • Порты прямого доступа к памяти - Имеющиеся в процессоре ADSP-2181 порт прямого доступа к внутренней памяти (IDMA) и порт прямого побайтового  доступа к памяти (BDMA) обеспечивают эффективную передачу данных в и  из внутренней памяти. Внутренний порт доступа к памяти имеет 16-разрядную мультиплексированную шину адреса и данных и поддерживает работу с 24-разрядной памятью программы. Запись данных в этот порт осуществляется асинхронно и не влияет на быстродействие процессора ADSP-2181. Порт прямого доступа к памяти с байтовой организацией позволяет осуществлять начальную загрузку и хранение данных и команд программы.

   • Аналоговый интерфейс - Некоторые процессоры семейства имеют на кристалле  средства поддержки обработки смешанных аналоговых/цифровых сигналов. Эти средства включают аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), аналоговые и цифровые фильтры и средства параллельного сопряжения с базовой архитектурой процессора. Преобразователи используют сигма-дельта модуляцию для получения выборки из сигнала с избыточной дискретизацией.

   Архитектура процессоров семейства ADSP-2100 имеет  высокую степень параллелизма, отвечающую требованиям цифровой обработки  сигналов. За один цикл любой процессор семейства может:

   • Сгенерировать новый программный  адрес.

   • Выбрать следующую команду.  

   • Выполнить одну или две операции пересылки данных.

   • Обновить один или два указателя  адреса данных

   • Выполнить вычисление.

   В течение одного и того же цикла процессоры, имеющие соответствующие функциональные устройства, могут:

   • Принять и/или передать данные через  последовательный(ые) порт(ы).

   • Принять и/или передать данные через  порт интерфейса хост-машины.

   • Принять и/или передать данные через  аналоговый интерфейс.

   • Принять и/или передать данные через DMA порты. 

   Интерфейс системы и памяти

   В каждом процессоре семейства ADSP-2100 внутренняя память соединяется с другими  функциональными устройствами посредством  четырех расположенных на кристалле  шин: шины адреса памяти данных, шины данных памяти данных, шины адреса памяти программы и шины данных памяти программы. Одна внешняя шина адреса и одна внешняя шина данных выводятся вне кристала; эти шины могут использоваться для доступа либо к памяти программы, либо к памяти данных.

   Внешние устройства могут управлять шинами, формируя сигналы запроса/предоставления шины (BR и BG). Процессоры семейства ADSP-2100 могут продолжать работу, даже если шины предоставлены другому устройству управления, до тех пор, пока не потребуются операции с внешней памятью.

   Все процессоры семейства поддерживают отображенные в карте памяти периферийные устройства при помощи генерации  программируемых состояний ожидания.

   Цепь  загрузки обеспечивает автоматическую загрузку памяти программы на кристалле после запуска. Это может быть сделано или через интерфейс памяти с одного СППЗУ, или через порт интерфейса хост-машины с хост-процессора, или через порт прямого побайтового доступа к памяти процессора ADSP-2181. Многочисленные программы могут быть отобраны и загружены без каких-либо дополнительных аппаратных средств.

   Процессоры  семейства ADSP-2100 отличаются по их ответу на прерывания, инициированные пользователем. Во всех случаях программный автомат  позволяет процессору обработать прерывание с минимальной задержкой. Прерывания могут быть расположены в порядке их приоритета без дополнительной задержки. Внешние прерывания могут быть настроены на срабатывание по фронту или по уровню. Внутренние прерывания могут генерироваться таймером, портом интерфейса хост-машины, последовательными портами и портом прямого побайтового доступа к памяти.

   Набор команд

   Семейство ADSP-2100 имеет унифицированный единый набор команд, постепенно расширяющийся  сверху вниз с увеличением степени  интеграции. Процессоры ADSP-2171, ADSP-2181 и ADSP-21msp58/59 имеют ряд дополнительных и усовершенствованных команд.

   Набор команд семейства ADSP-2100 обеспечивает гибкость в пересылке данных. Многофункциональные  команды соединяют одну или более  пересылки данных с вычислениями. Каждая команда может быть выполнена за один цикл процессора. В языке ассемблер для читаемости и легкости кодирования используется алгебраический синтаксис. Имеется набор программных и аппаратных средств, обеспечивающих отладку программы.

   Рабочие характеристики цифровых сигнальных процессоров

   Из-за высоких требований, обусловленных  специфическими областями применения сигнальных процессоров, их архитектура  и рабочие характеристики отличаются от архитектуры других микропроцессоров и микроконтроллеров. Кроме высокой скорости выполнения команд, цифровой сигнальный процессор должен обладать следующими свойствами:

   • Способность быстрого и гибкого  выполнения арифметических операций - Базовая архитектура семейства ADSP-2100 обеспечивает вычисление за один цикл операций умножения, умножения с накоплением, произвольной величины сдвига и стандартных арифметико-логических операций. Кроме того, арифметические устройства позволяют осуществлять вычисления в любой последовательности, поэтому не требуется дополнительно модифицировать алгоритм цифровой обработки сигнала.

   • Расширенный динамический диапазон - Большие суммарные результаты, типичные в цифровой обработке сигналов, аппаратно поддерживаются в умножителе-накопителе процессоров семейства ADSP-2100. Сумматор разрядностью в 40 бит обеспечивает восемь бит защиты от переполнения при последовательном сложении, и тем самым гарантирует, что не произойдет ни потери данных, ни их диапазона; чтобы произошла потеря старшего разряда, требуется 256 переполнении. Имеются специальные команды для выполнения масштабирования данных с блочной плавающей точкой.

   • Возможность выбора двух операндов  за один цикл - Для обеспечения вычислений с расширенными суммарными результатами требуется два операнда в каждом цикле. Все члены семейства ADSP-2100 способны поддерживать выполнение двух операндов данных, независимо от того, хранятся ли данные на или вне кристалла.

   • Аппаратная поддержка циклических  буферов - Для целого класса алгоритмов цифровой обработки сигналов, включая  фильтры, требуется реализация циклических буферов. Базовая архитектура процессоров семейства ADSP-2100 включает аппаратное обеспечение циклического возврата указателя адреса, упрощая использование циклических буферов в памяти как на, так и вне кристалла и сокращая потери на их организацию (и, следовательно, увеличивая производительность).

   • Организация циклов и условных переходов  с нулевыми потерями времени -Алгоритмы  цифровой обработки сигналов содержат повторы и в большинстве своем  выражаются логически как циклы. Программный автомат в процессорах семейства ADSP-2100 поддерживает код цикла с нулевыми потерями, обеспечивая одновременно отличные рабочие характеристики и ясную структуру программы. Подобным же образом, без потерь ресурсов, организуются условные переходы. 
 

   2.1 БАЗОВАЯ АРХИТЕКТУРА

   

   Рис.2 базовая архитектура 

   Каждый  процессор семейства ADSP-2100 содержит три независимых вычислительных устройства с полным набором функциональных возможностей: