计算机应用
实时信号处理系统
长 沙 国 防科技大 学 实验 室 来晓 岚 赵佳 明 卢焕章
摘 要 简要叙述 了 常用 的 信 号 处 理 系统 的 类 型 与 处 理机 结 构 , 介 绍 了 正逐步得 到 广 泛应 用 的
处 理机结 构 , 在此基础 上提 出 了一 种 实 时信 号 处 理 的 线性 流 水 阵 列 , 并举例 说 明 了该 结 构
的 具 体 实现 , 最后 分析说 明 了 此 结 构 的优越性 。
关键词 实 时信 号 处 理 处 理机 结 构 线 性 流 水 阵 列
实 时信 号 处 理 系 统 要 求 必 须 具 有 处 理 大 数 据 量
的能力 , 以保证系统 的实 时性 其次对 系统 的体积 、 功
耗 、 稳定性 等也有较严格 的要 求 。 实 时信号 处理算法
中经 常用 到对 图象 的求 和 、 求差运算 , 二维梯 度运算 ,
图象分割及 区 域特征 提取等不 同层 次 、 不 同种类 的处
理 。 其 中有 的运算 本身结构 比较简单 , 但 是数据量 大 ,
计算 速 度要 求高 有 些 处 理 对 速 度 并 没 有 特 殊 的要
求 , 但 计算方 式 和控 制 结 构 比较 复杂 , 难 以 用 纯 硬 件
实现 。 因此 , 实 时信号处理系统是对运算速度要求 高 、
运算种类 多 的综合性信息处理 系统 。
信 号 处理 系统 的类型与 常用 处理机 结 构
根 据信号 处 理 系统在 构 成 、 处 理 能 力 以 及 计 算 问
题 到硬 件结 构 映射 方法 的不 同 , 将 现代信号处理 系统
分为三大类
·
指令 集结构 系统 。 在 由各种微处理器 、
处 理 器 或 专用 指令 集 处 理 器 等组 成 的信 号 处 理 系 统
中 , 都 需 要 通 过 系统 中 的处 理 器 所 提供 的 指令 系统
或微代码 来描述各种算法 , 并在指令部 件 的控制下
完成对各种可计算 问题 的求解 。
·
硬 连 线 结 构 系 统 。 主 要 是 指 由专 用 集 成 电路
构 成 的 系统 , 其基本 特 征 是 功 能 固定 、 通 常用
于完成 特定 的算法 , 这种 系统适合 于实现 功能 固定和
数据结构 明确 的计算 问题 。 不 足之处 主要在 于 设计
周期 长 、 成本 高 , 且 没有可 编程性 , 可扩展性 差 。
·
可 重构 系统 。 基本特征 是 系统 中有一个或 多个
可 重构 器件 如 , 可 重 构 处 理 器 之 间或 可 重 构
处 理 器 与 结 构 处 理 器 之 间通 过 互 连 结 构 构 成 一
个完整 的计算 系统 。
从 系统信号 处 理 系统 的构 成 方 式来 看 , 常用 的处
理 机结 构 有 下 面 几 种 单 指令 流单 数 据 流 、 单
指 令 流 多 数 据 流 、 多 指 令 流 多 数 据 流
。
·
结 构 通 常 由一 个 处 理 器 和 一 个 存 贮 器 组
成 , 它通 过执行单一 的指令 流对单一 的数据 流进行操
作 , 指令 按 顺 序读 取 , 数 据 在 每一 时 刻也 只 能读 取 一
个 。 弱点是单片处理器处理能力有 限 , 同时 , 这种结构
也没有发挥 数据处理 中的并行性潜力 , 所 以在实 时系
统或高速系统 中 , 很少 采用 结构 。
结 构 系统 由一个控 制 器 、 多个 处理 器 、 多
个存贮模块和一个互连 网络组成 。 所有 “ 活动 的 ” 处理
器在 同一 时刻执行 同一 条指令 , 但 每个处理器执行这
条 指 令 时所 用 的数 据 是 从 它 本身 的存储模块 中读 取
的 。 对操作 种类 多 的算法 , 当要 求存取全局数据或对
于不 同的数据要求做不 同的处理 时 , 它是无法独立胜
任 的 。 另 外 , 一般 都 要 求 有较 多 的处 理单元 和
极 高 的 吞 吐率 , 如 果 系统 中没 有 足 够 多 的适 合
处理 的任务 , 采用 是不合算 的 。
结 构 就是 通 常所指 的多处理机 , 典 型 的
系统 由多 台处理机 、 多个存储模块 和一个互连
网络 组 成 , 每 台处 理 机 执行 自己 的指令 , 操作数 也 是
各取各 的 。 结构 中每个处理器都可 以单独编程 ,
因而这种结构 的可编程能力是最强 的 。 但 由于要用 大
量 的硬件资源解决可 编程 问题 , 硬件利用率不高 。
结 构
随着 大规模 可 编 程 器件 的发 展 , 采 用 十
结构 的信号处 理 系统显示 出了其优越 性 , 正逐 步得到
重视 。 与通 用 集 成 电路相 比 , 芯 片具有体积小 、
重量轻 、 功耗低 、 可靠性 高等几个方面 的优 势 , 而且在
大批 量应用 时 , 可 降低成本 。
现 场可编程 门阵列 是在 专用 的基础
上 发展 出来 的 , 它克服 了专用 不够灵活 的缺点 。
与其他 中小规模集成 电路相 比 , 其优点主要 在于它有
很强 的灵 活性 , 即其 内部 的具体逻辑 功能可 以 根据需
要 配置 , 对 电路 的修 改 和维 护很 方便 。 目前 , 的
容量 已经跨过 了百万 门级 , 使得 成为解决 系统
级设计 的重要选择
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
之一 。
结 构 最 大 的特 点是结构灵 活 , 有较 强
的通用性 , 适 于模块化设计 , 从而能够提高算 法效率
同时其 开发 周 期 较 短 , 系 统 易于 维 护和 扩展 , 适 合 于
实时信号处理 。
单片机 综 合服务 网 拨入 电话 电子技术应用 》 年第 期
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计算机应用
实 时信号 处理 系统 中 , 低 层 的信号 预 处理 算 法 处
理 的数 据 量 大 , 对 处 理 速 度 的要 求 高 , 但 运 算 结 构 相
对 比较简单 , 适于用 进行硬件 实现 , 这样 能 同
时兼顾速度及灵 活性 。 高层处理算法 的特点是所处理
的数据量较 低层算法少 , 但算法 的控制结 构 复杂 , 适
于 用 运算 速 度 高 、 寻址 方 式 灵 活 、 通信 机 制 强 大 的
芯 片来 实现 。
线性流水 阵列 结构
在我们的工作 中 , 设计并实现 了一种实时信号处理
结构 。 它采用模块化设计和线性流水阵列结构 图 。
同同同同 同同同 同同
底底 板板
图 线性 流水 阵列
这种线性 流水 阵列 结构具有 如下特点
·
接 口 简单 。 各处理单元 之 间采用 统一 的外
部接 口 。
·
易 于 扩 充 和 维 护 。 各 个 的 内部 结 构 完 全 相
同 , 而且 外 部 接 口 统 一 , 所 以 系统 很 容 易 根 据需 要 进
行硬件 的配置和 扩 充 。 当某个模 块 出现故 障时 , 也易
于更换 。
·
处 理 模 块 的 规 范 结 构 能 够 支 持 多 种 处 理 模 式 ,
可 以适应不 同的处理算 法 。
每个 的核 心 由 芯 片 和 可 重 构 器 件
组成 , 另 外还包括一些外 围 的辅助 电路 , 如存储器 、 先
进先 出 器件及 等 图 。 可 重构
器件 电路 与 处理器相连 , 利用 处理器强 大的
功 能实现单元 电路 内部 和各 个 单元之 间 的通 信 。
从 的角度来 看 , 可 重 构 器 件 相当 于 它 的宏
功能协处理器 一 。
的插座构成 , 其作用 是 向各个 提供通信通道和 电
源供应 。 可 以 根据需要 安排底 板上插座 的个数 , 组成
多 级线 性 阵列 结 构 。 这种 模 块化设计 的 突 出优点 在
于 , 它使 得对 系统 的功能扩充和维护变得非 常简单 。
需要 时 , 只要插上 或更换 电路板 , 就可 以 实现系
统 的扩展 和 故 障的排 除 。 每一级 中的 都有通
信端 口 与前级 和 后 级 电路板相 连 , 可 以很方便地
控制和协调 它们之 间 的工作 。
应 用 实例
我们应用 上述线性 流水 阵列结构实现了一个实 时
目标检测 系统 , 该 系统 的任务 主要是接收摄像头输 出
的灰度图象 , 经预处理 、 编码 、 直线拟合和 目标识别后 ,
输 出结果到 机显示 。 在这个任务 中 , 预处理模块包
括抽样 、 卷积 和 编码等步骤 , 属 于低层 的处理 , 其运算
数据量大 , 但运算结构较规则 , 适于用 进行纯硬
件实现 而直线拟合及 目标识别等高层图象处理算法 ,
所处理的数据量相对较少 , 但要用 到多种数据结构 , 其
控制也复杂得多 , 我们用 编程来实现 。
重 构 处 理模 块 采 用 的是 公 司 的 系
列 芯 片 。 这是一种基于 的现场可 编程 门
阵列 。
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
给出 了 系列 的一些参数 。
表 系列 的 一 些 参数
器件
逻 辑单元
最 大逻辑 门
多功 能块
触 发 器
《刃
料
《洲 】
噩 甲
下 级
上 级
图 处 理单元 的 内部结构
中的其他 电路辅助核心 电路进行 工作 。 和
各 自带有 , 用 于存放处理过程 所需要 的数
据及 中间结果 。 中存储 了 的执行 程
序和 的配置数据 。 先进先 出 器件则用 于
实现信号 处 理 中常用 到 的一 些 操 作 , 如延 时线 、 顺 序
存储等 。
每个 单 独 做成 一块 , 各级 之 间通 过插
座 与底板 相连 。 底 板 的结 构很 简单 , 主要 由几个 串连
系列 逻辑功能的实现 由内部规则排
列 的逻辑单元阵列 来完成 , 它是 的主要部
分 。 的核心是可重构逻辑块 , 四周是一些输
人 输 出块 。 和 之间通过片内的布线资
源相连接 。 由配置代码驱动 , 和 的具体逻
辑功能及它们 的互联关系由配置数据决定 。 整个
模 块 的设 计 实现 在 公 司 的 开
发平台上完成 。 该系统支持设计输人 、逻辑仿真 、设计实
现 设计综合 和时序仿真等系统开发全过程 。
在选 用 芯 片 时 , 主要应 考 虑性 能能否满足 快
速判读算法 的要求 , 具体说就 是要求选择那些指令周
期短 、 数据吞吐率高 、 通信能力强 、 指令集功能完备 的
处理器 , 同时也要兼顾 功耗 和 开发 支持环境 等 因素 。
表 列 出 了一些 常用微处理器 的性 能参数 。
我们选择的是应用广泛 、性价 比较高的
芯片 。 它是美 国 公司推 出的为满足并行处理需求的
位浮点 。 主要特性如下
《电子技术应用 》 年第 期 四通工控 一 软起动器经销商
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