Конвейерная обработка (реализация DSP)

Конвейерная обработка — это важный метод, используемый в нескольких приложениях, таких как системы цифровой обработки сигналов (DSP), микропроцессоры и т. д. Он берет свое начало от идеи водопровода, в который непрерывно подается вода, не дожидаясь, пока вода из трубы выйдет. Соответственно, это приводит к увеличению скорости критического пути в большинстве систем DSP. Например, он может либо увеличить тактовую частоту , либо снизить энергопотребление при той же скорости в системе DSP.

Концепция

Конвейерная обработка позволяет различным функциональным блокам системы работать одновременно. Рассмотрим неформальный пример на следующем рисунке. три подфункциональных блока ( F0 _{Система включает} , F1 _в и F2 _себя ). Предположим, что существуют три независимые задачи ( T ₀ , T ₁ и T ₂ ), выполняемые этими тремя функциональными блоками. Время выполнения задачи каждым функциональным блоком одинаково и занимает определенный слот в расписании.

Если расположить эти три юнита и задачи в последовательном порядке, необходимое время для их выполнения составит пять слотов.

Однако если мы перенаправим T ₀ в T ₂ одновременно, совокупное время уменьшится до трех слотов.

Таким образом, адекватная конвейерная конструкция позволяет добиться значительного увеличения скорости.

Затраты и недостатки

Конвейерная обработка не может уменьшить время обработки, необходимое для одной задачи. Преимущество конвейерной обработки в том, что она увеличивает пропускную способность системы при обработке потока задач.

Применение слишком большого количества конвейерных функций может привести к увеличению задержки — то есть время, необходимое для распространения одной задачи по всему каналу, увеличивается. Конвейерной системе также может потребоваться больше ресурсов (буферов, схем, блоков обработки, памяти и т. д.), если повторное использование ресурсов на разных этапах ограничено.

Сравнение с параллельными подходами

Еще одним методом повышения эффективности за счет параллелизма является параллельная обработка . Основное отличие состоит в том, что параллельные методы обычно дублируют функциональные блоки и распределяют между ними несколько входных задач одновременно. Таким образом, он может выполнять больше задач в единицу времени, но может понести более высокие затраты на ресурсы.

В предыдущем примере параллельный метод дублирует каждый функциональный блок еще на два. Соответственно, все задачи могут выполняться дублированными функциональными блоками с одной и той же функцией одновременно. Время на выполнение этих трёх задач сокращается до трёх слотов.

Конвейерная обработка в КИХ-фильтрах

Рассмотрим КИХ-фильтр с тремя отводами: ^[1]

y(n)=ax(n)+bx(n-1)+cx(n-2)

что показано на следующем рисунке.

Предположим, что время расчета для единиц умножения равно T _m и T _a для единиц сложения. Критический путь, представляющий минимальное время, необходимое для обработки новой выборки, ограничен одной функциональной единицей умножения и двумя единицами сложения. Таким образом, период выборки определяется выражением

T_{\text{sample}}\geq T_{m}+2T_{a}

Однако такая конструкция может не подойти для конструкции с требованием высокой скорости. Чтобы сократить период выборки, мы можем ввести дополнительные регистры конвейерной обработки вдоль критического пути данных. Затем структура разбивается на два этапа, и данные, полученные на первом этапе, будут храниться во введенных регистрах, задерживая один такт до второго этапа. Данные первых трех тактов записаны в следующей таблице. При такой конвейерной структуре период выборки сокращается до

T_{\text{sample}}\geq T_{m}+T_{a}.

Конвейерная обработка в БИХ-фильтрах 1-го порядка

Комбинируя методы прогнозирования и конвейерную обработку, ^[2] мы можем повысить частоту дискретизации целевой конструкции. Конвейерная обработка с упреждающим просмотром добавит к передаточной функции сокращающие полюса и нули так, что коэффициенты следующих членов в знаменателе передаточной функции будут равны нулю.

\{z^{-1},\ldots ,z^{-(M-1)}\}

Затем выходная выборка y ( n ) может быть вычислена с точки зрения входных данных и выходной выборки y ( n − M ) имеется M так, что в критическом контуре элементов задержки. Эти элементы затем используются для конвейеризации критического цикла по M этапам, так что частоту выборки можно увеличить в M раз .

Рассмотрим передаточную функцию БИХ-фильтра 1-го порядка.

H(z)={\frac {1}{1-az^{-1}}}

Выход y ( n ) может быть вычислен на основе входных данных u ( n ) и предыдущего результата.

y(n)=ay(n-1)+u(n)

В простой структуре для разработки такой функции частота дискретизации этого рекурсивного фильтра ограничена временем вычисления одной операции умножения-сложения.

Чтобы реализовать такую конструкцию, мы наблюдаем, что H имеет полюс в точке

z=a,a\leq 1

Следовательно, в трехступенчатом конвейерном эквивалентном стабильном фильтре передаточную функцию можно получить путем сложения полюсов и нулей в точке

z=ae^{\pm ({\frac {2j\pi }{3}})}

и дается

H(z)={\frac {1+az^{-1}+a^{2}z^{-2}}{1-a^{3}z^{-3}}}

Следовательно, соответствующую частоту дискретизации можно увеличить в 3 раза.

Другие примеры конвейерных систем DSP

Конвейерное преобразование Уолша – Фурье ^[3]
Конвейерные унитарные преобразования ^[4]
Конвейерное ДПФ ^[5]
Конвейерное БПФ ^[6]

Ссылки

^ Кешаб К. Пархи, Системы цифровой обработки сигналов СБИС: проектирование и реализация, Джон Вили, 1999
^ Слайды для систем цифровой обработки сигналов СБИС: проектирование и реализация John Wiley & Sons, 1999 ( ISBN 0-471-24186-5 ): http://www.ece.umn.edu/users/parhi/SLIDES/chap10.pdf.
^ М. Р. Ашури и Энтони Г. Константинидес , «Конвейерное быстрое преобразование Уолша Фурье», в Proc. IEEE Международный. Конф. ASSP Хартфорд, Коннектикут, 9–11 мая), стр. 515–518, 1977.
^ Фино, Би Джей; Альгази, ВР; «Параллельные и конвейерные вычисления быстрых унитарных преобразований», Electronics Letters, том 11, № 5, стр. 93–94, 6 марта 1975 г.
^ Цзоу, К.-Х.; Морган, Северная Каролина; «Быстрый конвейерный процессор DFT и аспекты его программирования», Electronic Circuits and Systems, IEE Proceedings G, том 132, № 6, стр. 273–276, декабрь 1985 г.
^ HL Gorginsky и GA Works, «Конвейерное быстрое преобразование Фурье», IEEE Trans. Вычисл., вып. C-19, стр. 1015–1019, ноябрь 1970 г.

[1] Кешаб К. Пархи, Системы цифровой обработки сигналов СБИС: проектирование и реализация, Джон Вили, 1999

[2] Слайды для систем цифровой обработки сигналов СБИС: проектирование и реализация John Wiley & Sons, 1999 ( ISBN 0-471-24186-5 ): http://www.ece.umn.edu/users/parhi/SLIDES/chap10.pdf.

[3] М. Р. Ашури и Энтони Г. Константинидес , «Конвейерное быстрое преобразование Уолша Фурье», в Proc. IEEE Международный. Конф. ASSP Хартфорд, Коннектикут, 9–11 мая), стр. 515–518, 1977.

[4] Фино, Би Джей; Альгази, ВР; «Параллельные и конвейерные вычисления быстрых унитарных преобразований», Electronics Letters, том 11, № 5, стр. 93–94, 6 марта 1975 г.

[5] Цзоу, К.-Х.; Морган, Северная Каролина; «Быстрый конвейерный процессор DFT и аспекты его программирования», Electronic Circuits and Systems, IEE Proceedings G, том 132, № 6, стр. 273–276, декабрь 1985 г.

[6] HL Gorginsky и GA Works, «Конвейерное быстрое преобразование Фурье», IEEE Trans. Вычисл., вып. C-19, стр. 1015–1019, ноябрь 1970 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]