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Universidade Federal do Rio Grande do SulInstituto de Informática

Programa de Pós-Graduação em Computação

Arquitetura e Organização de Processadores

Aula 14

Processadores DSP

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1. IntroduçãoD

esem

penh

o

processadoresembarcados

microcontroladores

custo é tudo

arquiteturas de aplicaçãoespecífica paradesempenho

Espaço de projetodos processadores

Microprocessadores

desempenho é tudo

Custo

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Introdução

• Aplicações– MPEG, MP3 player– Câmeras digitais– Wireless – celulares, estações base– Redes - modems a cabo, ADSL, VDSL

• Características arquiteturais e micro-arquiteturais que habilitamo sucesso do produto em parâmetros-chave:– velocidade– densidade do código– baixa potência

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Variedades de uma família de DSPs da Texas

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Tipos de processadores DSP

• Multiprocessadores em uma única pastilha– TI TMS320C80– TI TMS320C6000

• Ponto-flutuante de 32 bits– TI TMS320C4X– MOTOROLA 96000– AT&T DSP32C– ANALOG DEVICES ADSP21000

• Ponto-fixo de 16 bits– TI TMS320C2X– MOTOROLA 56000– AT&T DSP16– ANALOG DEVICES ADSP2100

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Características arquiteturais dos DSPs

• Caminho de dados (bloco operacional) configurado para DSP– aritmética de ponto fixo– MAC: Multiply-accumulate

• Múltiplos bancos de memória e barramentos– arquitetura Harvard– múltiplas memórias de dados

• Modos de endereçamento especializados– endereçamento do tipo “bit-reverse”– buffers circulares

• Conjunto de instruções especializado e controle de execução– zero-overhead loops– suporte para MAC

• Periféricos especializados para DSP• ARQUITETURA VOLTADA PARA O DESEMPENHO!!!

– Mas com eficiência energética!

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2. Aritmética

• DSPs lidando com números representando o mundo real– representação de “reais” / frações

• DSPs lidando com números para endereços– inteiros

• Suporte para “ponto fixo”– N1 bits para parte inteira, N2 bits para parte fracionária

.expoente

PontoDecimal

mantissa. ponto flutuante

. ponto fixoPontoDecimal

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Aritmética: precisão

• Tamanho da palavra afeta a precisão de números de ponto fixo• DSPs têm palavras de dados de 16, 20 ou 24 bits• DSPs de ponto flutuante custam 2X – 4X mais que os de ponto fixo e

são mais lentos que os de ponto fixo • Os programadores DSP têm que escalar (colocar em escala) os valores

dentro do código– bibliotecas de software– expoente explícito separado

• “Ponto flutuante bloqueado”: expoente único para um grupo de frações

• O suporte ao ponto flutuante simplifica o desenvolvimento

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Aritmética: overflow?

• DSPs vieram do mundo analógico => quando um sinal excede o limiteque pode ser lidado pelo sistema ocorre a saturação

– saturação: se resultado de operação excede limite positivo ou negativo, processador fornece valor limite como resultado

– definir o valor mais positivo (2N–1–1) ou o mais negativo (–2N–1)– muitos algoritmos foram desenvolvidos deste modo

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3. Filtros FIR: um problema motivador

• FIR = “finite impulse response”• “M” amostras mais recentes na linha de atraso (Xi)• Uma nova amostra move os dados para baixo na linha de atraso • Um “tap” é uma operação do tipo multiplica-soma• Cada tap (M+1 taps ao total) requer:

– duas buscas de dados– uma multiplicação– uma acumulação (soma)– escrita de volta na memória para atualizar a linha de atraso– objetivo: 1 tap / ciclo de instrução DSP

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Filtro FIR

• Um filtro FIR é descrito matematicamente pela seguinte equação:

∑−

−=1

0)()()(

n

mnxmhny

• Esta equação pode ser representada da seguinte forma:

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Impacto micro-arquitetural: MAC

Elemento de computação do FIR

∑−

−=1

0)()()(

n

mnxmhny

MPY

X Y

ADD/SUB

ACC REG

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4. Caminho de dados: aritmética

• Hardware especializado faz toda a aritmética chave em 1 ciclo• 50% das instruções podem envolver um multiplicador

– multiplicador com latência de um único ciclo• Precisa fazer operações multiplica-acumula (MAC)

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Caminho de dados: acumulador

• Não se deseja ter que escalar ou ter overflow no acumulador– Opção 1: acumulador mais largo que o produto: “guard bits”

• DSP Motorola: 24b x 24b => produto de 48b, acumulador de 56b– Opção 2: deslocar para a direita e arredondar o produto antes do somador

Accumulator

ALU

Multiplier

Accumulator

ALU

Multiplier

Shift

G

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Mapeando o filtro em uma unidade de execução DSP

1 2

35

4 6

Σ

DX

Xn X

β

α

Yn

αYn-1

1 3

2

4

5

6

D

• A unidade de hardware crítica em um DSP é o multiplicador – muito na arquitetura é organizado em volta dele, permitindo o uso do multiplicador a cada ciclo

– prover dois operandos a cada ciclo através de múltiplos caminhos de dados e barramentos de endereços

– múltiplas unidades de endereçamento– realimentação do acumulador local

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Caminho de dados: arredondamento

• Mesmo com “guard bits” será necessário arredondar quando armazenaro acumulador na memória

• 3 opções padrão dos DSP– truncamento– arredondamento para o mais próximo

< 1/2 LSB arredondar para baixo>= 1/2 LSB arredondar para cima (mais positivo)

– convergente< 1/2 LSB arredondar para baixo> 1/2 LSB arredondar para cima (mais positivo)= 1/2 LSB arredondar para fazer o LSB = zero (+1 se 1, +0 se 0)

– IEEE 754: “arredondar para o número par mais próximo”

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Caminho de dados: comparação

Processadores DSP

• Hardware especializado querealiza todas as operaçõesaritméticas em 1 ciclo

• Suporte de hardware para o gerenciamento da fidelidadenumérica

– deslocadores– guard bits– saturação

Processadores de uso geral

• Multiplicações geralmente com mais de 1 ciclo

• Deslocamentos geralmente com mais de 1 ciclo

• Outras operações (ex., saturação, arredondamento) tipicamentelevam múltiplos ciclos

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Diagrama de blocos funcionais do DSP 320C54x

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MAC no diagrama de blocos do DSP 320C54x

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5. Memória• Um tap de um filtro FIR implica em vários acessos à memória• DSPs requerem múltiplas portas de dados• Alguns DSPs possuem técnicas de otimização para reduzir a demanda

por largura de banda de memória– buffer de repetição de instrução: faz 1 instrução 256 vezes– freqüentemente desabilita interrupções e com isso aumenta o tempo de

resposta das interrupções• Alguns DSPs recentes possuem caches de instruções

– podem permitir ao programador “travar” instruções dentro da cache– opção de converter a cache em uma memória de programa rápida

• Nenhum DSP tem cache de dados• Podem ter múltiplas memórias de dados

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Arquitetura Harvard nos DSPs

Memória dePrograma Memória ‘Y’Memória ‘X’

GLOBAL

Dados P

Dados X

Dados Y

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Arquitetura de memória: comparação

Processador DSP

• Arquitetura Harvard• 1 ou 2 memórias de dados• 2 a 4 acessos à memória por ciclo• Sem memórias SRAM cache “on-chip”

Processador de uso geral

• Arquitetura Von Neumann• 1 acesso/ciclo tipicamente• Geralmente usa caches

ProcessadorProcessador

MemóriaMemória de de ProgramaPrograma

ProcessadorProcessador MemóriaMemóriaMemóriasMemóriasde Dadosde Dados

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Exemplo: diagrama da memória do TMS320C3x

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Exemplo: DSP 320C62x/67x

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6. Endereçamento

• Possui modos de endereçamento padrão: imediato, deslocamento, indireto através de registrador

• Precisa manter o caminho de dados do MAC ocupado• Suposição: qualquer instrução extra implica em ciclos de clock de

overhead em laços internos– endereçamento complexo é bom– não usar o caminho de dados para calcular endereços especiais

• Auto-incremento / auto-decremento de um registrador indireto– lw r1,0(r2)+ => r1 <- M[r2]; r2<-r2+1– opção de fazer o incremento antes do endereçamento, positivo ou negativo

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Endereçamento: FFT

• FFT = “Fast Fourier Transform”• As FFTs começam ou terminam com dados em ordem “borboleta”:

0 (000) => 0 (000)1 (001) => 4 (100)2 (010) => 2 (010)3 (011) => 6 (110)4 (100) => 1 (001)5 (101) => 5 (101)6 (110) => 3 (011)7 (111) => 7 (111)

O que fazer para evitar o overhead de instruções de verificação de endereçamentospara a FFT? Ter uma opção de endereçamento “bit reverse” para usar com o endereçamento do tipo auto-incremento

• Muitos DSPs têm o endereçamento “bit reverse” para FFT base 2

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Endereçamento “bit reverse”x(0)

x(4)

x(2)

x(6)

x(1)

x(5)

x(3)

x(7)

F(0)

F(1)

F(2)

F(3)

F(4)

F(5)

F(6)

F(7)

Four 2-point DFTs

Two 4-point DFTs

One 8-point DFT

000

100

010

110

001

101

011

111

Fluxo de dados em um algoritmo de FFT em base 2

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Endereçamento: buffers

• DSPs lidam com I/O contínuo• Frequentemente interagem com um buffer de I/O (linhas de atraso)• Para economizar memória, o buffer é frequentemente organizado como um

buffer circular• O que fazer para evitar o overhead de instruções para verificação de

endereços para o buffer circular?– opção 1: manter um registrador de começo e um registrador de fim para o uso com

o endereçamento com auto-incremento, recomeçando do início quando alcança o fim do buffer

– opção 2: manter um registrador de tamanho do buffer, assumindo que os buffers começam em endereços alinhados, reiniciados para o começo quando chega ao fim

• Todo DSP têm o endereçamento “modular” ou “circular”

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Buffers circulares

• Instruções acomodam três elementos

• endereço do buffer

• tamanho do buffer

• incremento

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Endereçamento: comparação

Processador de uso geral

• Freqüentemente sem unidade de geração de endereços separada

• Modos de endereçamento de usogeral

Processador DSP

• Unidades de geração de endereços dedicadas

• Modos de endereçamentoespecializados:

– Auto-incremento– Modular (circular)– Bit-reverse (para FFT)

• Bom suporte para dados imediatos

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Unidade de cálculo de endereços para DSP

• Suporta aritmética modular e “bit reverse”

• Frequentemente duplicada paracalcular múltiplos endereços porciclo

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7. Instruções e execução

• Podem especificar múltiplas operações em uma única instrução• Devem suportar operações do tipo “multiplica e acumula” (MAC)• Precisam de um suporte de movimento de dados paralelos• Geralmente têm suporte a laços especiais para reduzir o overhead de

desvio– laço de uma instrução ou uma seqüência– o valor 0 em um registrador geralmente significa executar o laço o máximo

número de vezes• Pode ter aritmética com saturação e deslocamento à esquerda• Pode ter execução condicional para reduzir desvios

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Conjunto de instruções

Processador DSP

• Instruções especializadas e complexas

• Múltiplas operações porinstrução

Processador de Uso Geral

• Instruções de uso geral• Tipicamente uma operação

por instrução

mac x0,y0,a x: (r0) + ,x0 y: (r1) + ,y0 mov *r0,x0mov *r1,y0mpy x0, y0, aadd a, bmov y0, *r2inc r0inc rl

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8. Periféricos especializados para DSPs

• Portas Host (host ports)• Portas de I/O de bit• Controlador DMA “on-chip”• Geradores de clock

• Portas seriais síncronas• Portas paralelas• Temporizadores (timers)• Conversores A/D e D/A “on-

chip”

• Periféricos “on-chip” frequentemente projetados paraoperação em “background”, mesmo quando o núcleo estádesligado

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Periféricos especializados

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Diagrama em blocos do TMS320C203/LC203 - 1995

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Resumo das características arquiteturais dos DSPs

• Caminho de dados configurados para DSP– aritmética em ponto fixo– multiplica e acumula (MAC)

• Múltiplos bancos de memória e barramentos– arquitetura Harvard– múltiplas memórias de dados

• Modos de endereçamento especializados– endereçamento “bit reverse”– buffers circulares

• Conjunto de instruções e controle de execução especializados– zero-overhead loops– suporte para MAC

• Periféricos especializados para DSP• ARQUITETURA VOLTADA PARA O DESEMPENHO!!!

– mas com eficiência energética!