Аппаратные средства проектирования комплексов ЦОС на базе процессоров TMS320

    Продолжаем серию статей, посвященных комплексному подходу к проектированию систем цифровой обработки сигналов (ЦОС) на базе процессоров TMS320 фирмы Texas Instruments. В этом выпуске мы познакомим Вас с аппаратными средствами на базе процессоров TMS320, которые предназначены для прототипирования и построения аппаратуры ЦОС различного назначения.

Назначение аппаратных средств ЦОС

    Сегодня разработчику систем цифровой обработки сигналов предлагается довольно широкий спектр аппаратных средств проектирования, которые отличаются между собой функциональными возможностями, параметрами и стоимостью.
    Для целей обучения и ознакомления с новыми процессорами семейства TMS320 фирма Texas Instruments выпускает простые дешевые аппаратные средства на базе этих процессоров, так называемые “оценочные модули” (EVM) и “стартовые комплекты разработчика” (DSK). EVM и DSK имеют простейшую архитектуру с минимальным объемом памяти и допускают ввод/вывод низкочастотных сигналов. Открытая архитектура этих средств позволяет в определенных пределах расширять их функциональные возможности.
    На этапе разработки аппаратуры ЦОС необходимы готовые аппаратные средства, из которых можно было бы быстро с минимальными затратами собрать прототип проектируемой аппаратуры с вводом/выводом реальных сигналов для разработки и отладки алгоритмов и программного обеспечения в условиях, максимально приближенным к реальным. В случае необходимости данные средства должны позволять оперативно наращивать вычислительную мощность прототипа за счет построения мультипроцессорных структур или за счет перехода на процессор ЦОС более высокой производительности, а также оперативно изменять параметры узлов ввода/вывода сигналов (количество каналов, разрешение АЦП/ЦАП и т. д.). Данные возможности могут быть обеспечены только за счет модульной архитектуры аппаратных средств ЦОС.
    Модульность аппаратных средств ЦОС обеспечивает гибкость процесса макетирования, а также возможность применения данных аппаратных средств в других проектах. Естественно, что при этом аппаратные средства ЦОС на базе процессоров TMS320 должны обеспечить скан-эмуляцию процессоров TMS320 для быстрой и полнофункциональной отладки программного обеспечения.
    Интеграция аппаратных средств ЦОС со средствами “визуального” проектирования и моделирования алгоритмов и систем ЦОС РВ (реального времени) позволит объединить фазы разработки алгоритмов и программного обеспечения, что позволит специалистам в прикладных областях (алгоритмистам) максимально быстро увидеть результат своего труда, не тратя усилий на второстепенное для них программирование и проектирование электронных схем. Такой подход к проектированию позволит специалистам своевременно убедиться в правоте их идей и в случае необходимости скорректировать проект до начала разработки дорогостоящего оборудования.
    Поэтому, естественно, что поддержка со стороны САПР алгоритмов ЦОС и других инструментальных средств, которые избавляют разработчиков от рутинного труда и ускоряют процесс проектирования, является неотъемлемым требованием к аппаратным средствам проектирования комплексов ЦОС РВ.
    В качестве примера макетирования и построения систем ЦОС, удовлетворяющих вышеизложенным требованиям, мы рассмотрим в данной статье аппаратные средства ЦОС российской фирмы МикроЛАБ Системс. Познакомиться же с аппаратными средствами ЦОС других производителей можно по соответствующим каталогам фирм Texas Instruments и Miller Freeman.

TORNADO — конструктор разработчика комплексов ЦОС

    По-существу, продукция фирмы МикроЛАБ Системс представляет собой “конструктор ЦОС”, из элементов которого разработчик может быстро собрать одно- или мультипроцессорные комплексы со средствами ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов для самых разнообразных приложений: телекоммуникации, цифровые звукостудии, регулируемые электроприводы, диагностическая и измерительная техника, системы обработки речи/изображения и многое другое.

Модульность — основная идея конструктора ЦОС TORNADO

    Особенностью конструктора ЦОС TORNADO является его модульность, при которой вычислительные функции, функции ввода/вывода сигналов и эмуляционные функции четко разделены между отдельными совме-стимыми между собой элементами.
    Основными элементами “конструктора ЦОС” TORNADO, реализующими функции цифровой обработки сигналов, являются системы ЦОС и автономные контроллеры, построенные на базе процессоров TMS320. Системы TORNADO предназначены для построения одно- и мультипроцессорных комплексов ЦОС на базе ПК и промышленных компьютеров с ISA- и PCI-шиной, а автономные контроллеры TORNADO-E/EL используются для построения автономной аппаратуры с функциями ЦОС. Системы ЦОС TORNADO дополнительно выполняют функции универсальных скан-эмуляторов процессоров TMS320.

Рис. 1. Система ЦОС TORNADO-62

    На платах систем TORNADO и автономных контроллеров имеются процессор ЦОС, память, интерфейс связи с управляющим компьютером (коммуникационные интерфейсы для автономных контроллеров) и разъемы интерфейсов расширения ввода/вывода (рис. 1). Средства ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов, сопроцессоры ЦОС для мультипроцессорного расширения и средства скан-эмуляции процессоров TMS320 конструктивно выполнены в виде дочерних модулей, которые устанавливаются на разъемы интерфейсов расширения на платах систем TORNADO и автономных контроллеров (рис. 2).

Рис. 2. "Конструктор ЦОС"

Системы TORNADO как универсальный эмулятор процессоров TMS320

    Следует отметить, что системы ЦОС TORNADO обладают уникальной возможностью скан-эмуляции не только собственных процессоров ЦОС, но и процессоров TMS320 внешней аппаратуры. Эта возможность отсутствует в аналогичной продукции других производителей. В системах TORNADO она реализуется с помощью дочернего универсального эмуляционного модуля UECM, который устанавливается на специальный разъем на платах TORNADO. Модуль UECM функционирует под управлением отладчиков HLL Debugger (TI) и IDE Code Composer (Go DSP). При этом коммуникация с процессором внешней аппаратуры осуществляется с помощью подключаемых к UECM буферных подов MPSD и JTAG, которые совместимы с двухканальным эмулятором MIRAGE-510D (МикроЛАБ Системс).

Построение аппаратуры ЦОС с помощью конструктора TORNADO

    Модульность “конструктора ЦОС” обеспечивает высокую гибкость проектирования: позволяет оперативно менять или добавлять новые модули ввода/вывода сигналов, а также менять базовую систему TORNADO на более высокопроизводительные модели или повышать ее вычислительную мощность путем установки дочерних модулей сопроцессоров ЦОС. Модульный подход обеспечивает также минимальную стоимость решения поставленных задач. Например, модуль UECM, необходимый на этапе разработки, приобретается только для рабочих мест проектировщиков, а в конечную аппаратуру устанавливаются системы TORNADO в минимально необходимой конфигурации с оптимальным набором дочерних модулей.
    Совместимость интерфейсов расширения ввода/вывода систем TORNADO и автономных контроллеров TORNADO-E/EL обеспечивает простоту разработки и производства автономной аппаратуры ЦОС. При этом макетирование и разработка ПО осуществляется с помощью системы TORNADO с установленными на нее дочерними модулями в вода/вывода сигналов и универсальным эмуляционным модулем UECM. Затем система TORNADO заменяется на контроллер TORNADO-E/EL, и автономная аппаратура готова. Теперь остается только проверить функционирование ПО в автономном режиме, что также осуществляется с помощью системы TORNADO и модуля UECM с подключенным к нему буферным подом. Вам не потребуется нести расходы и дополнительно покупать скан-эмулятор процессоров TMS320 MIRAGE-510D или XDS510(TI).
    Следует также отметить такую особенность систем TORNADO, как совместимость их интерфейсов связи с управляющим компьютером, при которой интерфейсы более мощных моделей TORNADO наследуют все свойства простых моделей. Это чрезвычайно упрощает и ускоряет процедуру переноса программных продуктов, которые функционируют на управляющем компьютере при поддержке TORNADO, на новые модели этих систем.

“Визуальное” проектирование алгоритмов ЦОС на базе TORNADO и Hypersignal Ride

    “Конструктор ЦОС” TORNADO гармонично дополняется программными средствами проектирования ПО ведущих производителей. Системы ЦОС и автономные контроллеры TORNADO с модулями ввода/вывода сигналов поддерживаются САПР “визуального” проектирования алгоритмов ЦОС реального времени Hypersignal RIDE (фирма Hyperception, США). Это позволяет разработчику “визуально” и быстро создавать и отлаживать алгоритмы систем ЦОС реального времени в виде привычных блок-схем на экране ПК в среде Windows 95/NT в интерактивном режиме из стандартных блоков. Среда Hypersignal RIDE автоматически линкует “визуализированный” алгоритм, генерирует и загружает исполнительный код в TORNADO, которая исполняет этот алгоритм в реальном времени. Отображение данных также осуществляется в реальном времени на экране ПК.
    “Визуальное” проектирование с помощью Hypersignal RIDE и TORNADO позволяет создавать различные приложения на базе TORNADO специалистам в прикладных областях, которые незнакомы с архитектурой процессоров ЦОС и не имеют навыков программирования.

Системы ЦОС TORNADO для ПК и индустриальных компьютеров

Архитектура систем ЦОС TORNADO-31

    В качестве примера построения систем ЦОС TORNADO рассмотрим архитектуру популярной системы ЦОС TORNADO-31 для ПК с ISA-шиной. Система TORNADO-31 построена на базе 32-разрядного процессора ЦОС с плавающей запятой TMS320C31 производительностью 60 MFLOPS ( 60 миллионов операций с плавающей запятой в одну секунду). Элементами системы TORNADO-31 являются: процессор ЦОС, блок статиче-ского ОЗУ (SRAM), интерфейс параллельного расширения ввода/вывода (PIOX), интерфейс последовательного расширения ввода/вывода (SIOX), интерфейс ISA-шины управляющего компьютера (рис. 3).

Рис. 3. Структурная схема системы ЦОС TORNADO-31

    Процессор ЦОС, блок ОЗУ, интерфейс PIOX и интерфейс ISA-шины объединены общей шиной с разделением доступа (SB-шина). Данная архитектура обеспечивает параллельность вычислений в процессоре TMS320C31 и высокоскоростного обмена данными между ISA-шиной ПК и блоком статического ОЗУ или PIOX-интерфейсом TORNADO-31. Доступ к SB-шине от интерфейса памяти ISA-шины осуществляется с помощью коммуникационной страницы памяти, которая одновременно отображается в адресное пространство SB-шины и пространство адресов UMB ISA-шины ПК.
    Обмен данными между ISA-шиной ПК и SB-шиной TORNADO-31 производится без участия процессора ЦОС, не снижает его производительности и может осуществляться в режимах произвольного программного доступа и блочной передачи данных под управлением контроллера прямого доступа в память ПК.
    Система TORNADO-31 имеет разъемы интерфейсов параллельного (PIOX) и последовательного (SIOX) расширения ввода/вывода, которые обеспечивают установку дочерних модулей ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов, а также модулей сопроцессоров для построения мультипроцессорных систем с различной архитектурой. Параллельный интерфейс (PIOX) расширения ввода/вывода системы TORNADO-31 включает в себя шины адреса/данных, сигналы управления таймерами и прерываниями процессора TMS320C31 и линии питания.
    Последовательный интерфейс (SIOX) расширения ввода/вывода включает в себя сигналы управления последовательными приемопередатчиками, таймерами и прерываниями процессора ЦОС, а также линии питания.

Скан-эмуляция процессоров TMS320

    Уникальной особенностью систем TORNADO является их возможность осуществлять скан-эмуляцию как штатных процессоров ЦОС на платах TORNADO, так и процессоров TMS320 внешней аппаратуры.
    Данная возможность реализуется за счет установки на разъем системы TORNADO дочернего универсального эмуляционного модуля UECM и подключения к нему буферного пода стандартов MPSD или JTAG (рис. 2) для скан-эмуляции внешних процессоров TMS320C3x и TMS320C2xx/C4x/C5x/C54x/C6x/C8x соответственно. Это позволяет осуществлять скан-эмуляцию любых внешних процессоров TMS320 независимо от типа процессора системы TORNADO. Например, пользователь системы TORNADO-31 с модулем UECM и подключенным подом JTAG может отлаживать аппаратуру на базе процессоров TMS320C54x или TMS320C6x.
    Следует заметить, что в более простых и дешевых системах TORNADO альтернативой модулю UECM является эмуляционный контроллер ECC, который в отличие от UECM располагается прямо на плате TORNADO и позволяет эмулировать только штатный процессор TORNADO.
    Модуль UECM и контроллер ECC функционируют под управлением стандартных отладчиков HLL Debugger (TI) и интегрированной среды проектирования IDE Code Composer (Go DSP).

Системы ЦОС TORNADO

    Различные модели систем TORNADO характеризуются процессором ЦОС, объемом ОЗУ и ПЗУ, интерфейсами расширения, функциональными возможностями интерфейса связи с управляющим ПК, средствами скан-эмуляции процессоров ЦОС. Системы TORNADO-31M, TORNADO-31MX, TORNADO-62MX/67MX предназначены для построения комплексов ЦОС на базе индустриальных компьютеров MicroPCТ.
    Технические характеристики систем ЦОС TORNADO приведены в табл. 1.

Таблица 1. Системы ЦОС TORNADO для ПК и индустриальных компьютеров

Мультипроцессорные системы ЦОС TORNADO

    Системы TORNADO имеют развитые средства повышения вычислительной мощности за счет организации мультипроцессорных вычислительных структур с различной архитектурой. Во-первых, разработчикам предлагаются расширяемые мультипроцессорные системы ЦОС TORNADO-40D. Во-вторых, системы TORNADO, имеющие интерфейсы параллельного расширения ввода/вывода, могут объединяться в гетерогенные мультипроцессорные системы (системы с процессорами ЦОС различных типов) с общей шиной и общей памятью. В-третьих, производительность систем TORNADO может быть повышена с помощью дочерних модулей PIOX- и SIOX-сопроцессоров.

Рис. 4. Каналы межпроцессорной коммуникации мультипроцессорной системы TORNADO-40D

    Система ЦОС TORNADO-40D построена по классической для систем TORNADO архитектуре с общей шиной с разделением доступа и реализует все возможности процессоров ЦОС TMS320C40 по организации мультипроцессорных систем с различной архитектурой (рис. 4). Во-первых, процессоры ЦОС TMS320C40 объединены с помощью общей глобальной шины и имеют общее глобальное статическое ОЗУ. Во-вторых, процессоры ЦОС соединены между собой двумя линк-портами, а остальные восемь линк-портов выведены на индивидуальные разъемы на плате TORNADO-40D. Это позволяет объединять системы TORNADO-4x и другую аппаратуру, построенную на базе процессоров ЦОС TMS320C4x, в “транспьютерную” сеть путем простого соединения линк-портов коммутационными перемычками. В-третьих, процессоры ЦОС могут взаимодействовать друг с другом без циклов ожидания через общую двухпортовую память на локальных шинах. И, в-четвертых, использование PIOX-сопроцессоров TORNADO-PX на базе процессоров ЦОС TMS320, позволяет просто и дешево получать мультипроцессорные системы ЦОС с различной архитектурой. Следует отметить, что разработка ПО для системы ЦОС TORNADO-40D поддерживается САПР проектирования алгоритмов для “параллельных систем“ Pegasus и ОСРВ Virtuoso, мультипроцессорная версия которой Virtuoso Classico VSP позволяет программисту работать с мультипроцессорной системой как с одним процессором!
    PIOX-сопроцессоры устанавливаются в качестве дочерней платы в разъем параллельного интерфейса (PIOX) на платы систем ЦОС TORNADO и позволяют быстро и дешево собирать высокопроизводительные мультипроцессорные системы с различной архитектурой (рис. 5). PIOX- сопроцессоры используют двухпортовое статическое ОЗУ со встроенными областями аппаратных семафоров и взаимных прерываний для коммуникации с процессором ЦОС основной системы TORNADO через интерфейс PIOX.

Рис. 5. Мультипроцессорные расширения системы TORNADO-40D

    SIOX-сопроцессоры подключаются к разъему последовательного интерфейса расширения (SIOX) на платах систем TORNADO-3x/54x/6x. Они имеют разъемы для установки дочерних SIOX-модулей ввода/вывода сигналов и занимают один слот ПК. Кроме совместного применения с системами TORNADO в составе ПК, SIOX-сопроцессоры также предназначены для построения автономной аппаратуры ЦОС.
    Технические характеристики сопроцессоров ЦОС для систем TORNADO представлены в табл. 2.

Таблица 2. Дочерние модули сопроцессоров ЦОС для систем TORNADO

Автономные контроллеры ЦОС семейств TORNADO-E/EL

    Для построения модемов, радиомодемов, сетевых контроллеров и другой аппаратуры связи, контроля и управления фирма МикроЛАБ Системс производит автономные контроллеры цифровой обработки сигналов TORNADO-E31/E548/E62/EL31 и TORNADO-SX30.

Рис. 6. Структурная схема автономных контроллеров ЦОС семейства TORNADO-E

    Плата контроллеров серии TORNADO-E (рис. 6) содержит процессор ЦОС TMS320, банк статического ОЗУ, банк ПЗУ для программ. На плате имеется двухканальный универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик с протоколами ASYNC/HDLC/SDLC и др. и с последовательными интерфейсами RS232C/RS422 для коммуникации с внешней аппаратурой и загрузки программ. Контроллеры имеют цифровой ввод/вывод на плате и разъемы интерфейсов расширения ввода/вывода SIOX и PIOX для установки дочерних модулей ввода/вывода сигналов. Контроллеры серии TORNADO-EL отличаются большим обьемом статического ОЗУ на плате, наличием приемо-передатчика UART с последовательным интерфейсом RS232, меньшими габаритами и стоимостью.
    Технические характеристики контроллеров ЦОС семейства TORNADO-E/EL приведены в табл. 3.

Таблица 3. Автономные контроллеры ЦОС TORNADO-E/EL

Дочерние модули ввода/вывода сигналов

    Семейство дочерних модулей ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов для систем ЦОС TORNADO и автономных контроллеров включает: многоканальные инструментальные модули АЦП/ЦАП, модули для построения профессиональных цифровых звукостудий, модули для обработки радиочастотных сигналов, модули сопряжения с телефонной линией, многоканальные модули интерфейсов E1/T1, модули для обработки речи/факс/модемов и другие модули. Технические характеристики этих модулей приведены в табл. 4.

Таблица 4. Дочерние модули ввода/вывода сигнаов для систем ЦОС TORNADO

    Разработчик систем ЦОС TORNADO и двухканальных эмуляторов MIRAGE-510D фирма МикроЛАБ Системс является официальным дистрибьютором фирм Accelerated Technology (ОСРВ Nucleus), DSP Software Engineering (ПО для систем связи), Eonic Systems (ОСРВ Virtuoso), Go DSP (IDE Code Composer), Hyperception (САПР алгоритмов ЦОС Hypersignal for Windows), Momentum Data Systems (САПР ЦФ QEDesign), Spectron Microsystems (ОСРВ SPOX). ПО этих фирм поставляется со специальными скидками для российского рынка только через фирму МикроЛАБ Системс.

Фирма «МикроЛАБ Системс», Москва
Тел./факс (095) 485-6332
E-mail:info@mlabsys.com
http://www.mlabsys.com