“Eine CPU kann rechnen, aber ein DSP kann zaubern”

21.08.2014 HaSi-Talk: Ein DSP kann zaubern

Eine CPU kann rechnen,aber ein DSP kann zaubern

Harald Kipp

HaSi-Talk am 21.08.2014


Wer ist der Typ da vorne?

Harald KippGeschäftsführer der egnite GmbH

● Entwicklung, Produktion und Vertrieb von Mikrocontroller Boards

● Distribution von Ethernet-Sensoren, Audio-Codecs etc.● www.egnite.de

Gründer und Admin des Ethernut Projekts● Open Source Hardware und Software● www.ethernut.de


Wer sitzt im Publikum?

● Hardwarekenntnisse– Erfahrung mit Spannung und Strom– Allgemeine Struktur einer CPU ist bekannt (Register, Bus)

● Softwarekenntnisse– Erste Erfahrungen mit C-Programmierung– Erste Erfahrungen mit Assemblerprogrammierung

● Mathematikkenntnisse– Grundrechenarten– Lesen von Diagrammen


D igitalerS ignal-P rozessor

Worum es geht hier eigentlich?

Eine CPU kann rechnen, aber ein DSP kann zaubern– Signalverarbeitung im Schnelldurchgang (0:10)– Nachteile von universellen Prozessoren (0:05)– Hacking eines MP3-Decoders (0:15)– Kurze Pause (0:05)– Anleitung zum Bau eines Filters (0:15)– Demonstration eines Audioeffekts (0:10)


Signal

Ein Signal ist eine sich kontinuierlich ändernde physikalische Größe, die Information enthält.

Gesäusel (Luftdruckändert sich kontinuierlich)

Telefondraht (ElektrischeSpannung ändert sich

kontinuierlich)Mr. Dagger Complex„prüft“ kontinuierlich

Bu n

de sa

rc hiv , B

il d 1 8

3- 57 3

39 -0

01 8


Verstärken

● Ein elektrisches Signal wird verstärkt, um es über eine große Entfernung übertragen zu können.

Graphics madeby SciLab


Modulieren

● Das Signal wird auf einen Träger aufmoduliert.

Signal

Träger

Modulierter Träger


● Modulierte Trägerwel-len zusammenfassen um mehrere Signale über eine Leitung zu transportieren.

● Am Leitungsende ein-zelne Träger durch Filter trennen und das Ursprungssignal mit Demodulator zurück-gewinnen.

● Das ist Signalverarbei-tung.

Mischen und Filtern

Signal 1

Signal 2 Träger 2

Träger 1 AM 1

AM 2

Summe


Analog und digital

● Analog– Kontinuierliche

Funktionen– Realisierung mit

Hardware● Digital

– Diskrete Werte– Realisierung

überwiegend in Software

Cre

ative

Com

mo

ns At trib

utio

n-Sh

are Alike

3.0 U

npo

rted

Roger McLassus


Digitalisierung

Durch Digitalisierung erhält man zu konkreten Zeiten konkrete Werte


Mathematische Methoden

Hardware Mathematik

VerstärkenUOUT = 2 * UIN

ModulierenUOUT = US * UT

SummierenUOUT = U1IN + U2IN + ...

FilternUOUT = Σ coeff[i] * UIN[n-i]


Anforderungen an digitale Signalverarbeitung

● Kontinuierliche Verarbeitung von Datenströmen... – Hauptsächlich Multiplikation und Addition von

Vektoren– Behandlung von Überläufen

● ...in Echtzeit– Effektive Speicherzugriffe– Effektive Schleifen


Programmschleifen

● Universeller Prozessor– Die meisten Befehle werden

für die Schleifensteuerung benötigt

– Daher hohe Taktrate für Echtzeitverarbeitung erforderlich

– Viele MIPS, wenig GRIPS

/* Verstärker */for (i = 0; i < 100; i++) { u_out[i] = u_in[i] * amp;}

LDI R1, 0 LDI R2, 100 LD R3, AMPLOOP: CMP R1, R2 JGE END LDX R4, U_IN, [R1] MUL R4, R3 STX R4, U_OUT, [R1] INC R1 JMP LOOPEND:

CompilerC-Programm Assemblerprogramm


Kontinuierliche Multiplikation und Addition

● Filter sind die typische Anwendung bei der digitalen Signalverarbeitung

/* Filter */for (k = 0; k <= bufsiz; k++) { for (i = 0; i <= m; i++) { y[k] = y[k] + h[i] * u[k - i]; }}

z.B.

C-Programm

Schleifen sind nicht gutfür universelle CPUs.

Viel Rechnerei, aber eskommt noch dicker.


ÜberlaufAlarm

Sättigungsarithmetik

Beispiel: Zweifache Verstärkung von 128V am Eingang und maximal 255V Ausgangsspannung (Wertebereich)

128V * 2 = 255V 128V * 2 = 0VHardware: 8-Bit Software:

/* Handle overflow using 16-bit math */u_out[i] = u_in[i] * 2;if (u_out[i] > 255) u_out[i] = 255;

Einfache Lösungfunktioniert mit

Einschränkungen.Vorzeichen?

Nachkommastellen?


Überlauf anschaulich gemacht

A B+ =Sättigungsarithmetik

Standardarithmetik

● Bildhelligkeit erhöhen

Original Offset+

Scree

nsho

t of B

len

der 2

.41


Und was ist mit Cortex-M4?

Aktueller Leistungsvergleich

● High-End DSPs ● High-End PC

Texas Instruments C6000 32-Bit CPU 1,2Ghz Taktfrequenz 8MB 2nd-Level Cache Optionale Fließkomma-Einheit

Freescale StarCore Multi-Core 1Ghz Taktfrequenz

Analog Devices SHARC / (Blackfin) 400MHz Taktfrequenz Offizielle GNU Toolchain (für Blackfin)

Intel Haswell 64-Bit CPU mit FPU 3,9Ghz Taktfrequenz (Turbo) 84 Watt

Theodor Fontane schreibt:

Ein fester Kessel,ein doppelter Dampf,

die bleiben Siegerin solchem Kampf.


Historischer Leistungsvergleich

1995● WinPlay3, der erste real-

time MP3-Decoder für PCs, benötigte

● 32-Bit 468DX2 66MHz ● FPU ● 8kB Cache ● 6W Stromverbrauch

(nur CPU)

1999● Single-Chip MP3 De-

coder auf DSP-Basis benötigte

● 16-Bit mit 25MHz ● Keine FPU ● Kein Cache ● 50mW Stromver-

brauch (CPU ohne Analogteil)


MP3 Hardware-Decoder

Bist du meine Mami?

GPIO-Taster

DSP-Chip

Streichholz?

Audio-Ausgang

Serielles Flash

Steckergehäuse!

Moderne Miniatur-Audioplayer– z.B. mit VS10XX von VLSI Solution Oy

USB-Schnittstelle

Dire

ctme

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VD

-RO

M 1

0.0

00 M

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r Malerei


Audiocodec-Architektur

Theorie... ...und Praxis

Wic

hti

g!

2 B

uss

e!

Programmier-schnittstelle

Analogsignal

Analogsignal

DAC

DSP

ADC


VSDSP4 Register

● Spezialregister– Programmzähler PC– 2 Page Register IPR0 und IPR1– IPR0 wird beim Interrupt nach

IPR1 kopiert – 32-Bit Produktregister P– 3 16-Bit Loop Register LS, LC und

LE– 2 16-Bit Link Register LR0 und

LR1– LR0 für Unterprogramme– LR1 für Interrupts – Pseudoregister NULL (alle Bits 0)

und ONES (alle Bits 1)– 16-Bit Mode Register MR0


Pipeline

* * AND A0,A0,A0 NOP JZS OUT NOP * *

Takt Laden Dekodieren Ausführen Ergebnis

1 AND * *

2 NOP AND *

3 JZS NOP AND Z-Flag gesetzt

4 NOP JZS NOP

5 ? NOP JZS Sprung ausgeführt

● Nach einer arithmetischen Operation können die Flags erst nach einem Delay als Sprungentscheidung verwendet werden.

● Sprünge werden mit einem Delay ausgeführt.● Statt NOP können wir etwas sinnvolleres tun.


Pipeline Beispiel

and a0,a0,a0 ldx (i0),b0 jzs out add c0,b0,b0

Modifiziert die Flags.

Darf keine Operation sein, die dasZ-Flag wieder verändern könnte.

Sprung kann jetzt entschiedenwerden.

Da auch der Sprung einen Delay hat,wird dieser Befehl immer ausgeführt.Hier dürfen die Flags wiedermodifiziert werden.

Auswirkungen der Pipeline sind verwirrend und erfordern Kreativität. ldx (i0),b0 add c0,b0,b0 and a0,a0,a0 nop jzs out nop

Delay Slots ausnutzen


Das blanke Entsetzen

Das war eine abschreckende Eigenschaft.

Jetzt kommen die Bonbons...endlich!

Charles Darwin's The Expression of the Emotions in Man and Animals


MAC

● MAC ist eine Abkürzung für Multiply and Accumulate– Eigentliche Reihenfolge: Erst ADD, dann MUL

● Mächtiges Kommando für Filter-Implementierung

c += p;p = a0*b0;

mac a0,b0,c 1 Takt Viele Takte

c += a[i] * b[n-i]

DSP PC


Schleifen

● LOOP-Befehl– Kopiere PC+1 nach LS– Kopiere Register in Parameter 1 nach LC– Kopiere Adresse in Parameter 2 nach LE

● Bearbeite Befehle bis PC gleich LE, dann– Prüfe, ob LC gleich Null– Wenn ungleich Null, dekrementiere LC um 1 und kopiere

LS nach PC

LOOP A1,LOOPEND-1 NOPLOOPSTART: *LOOPEND: *

Reg. Inhalt

LS Startadresse der Schleife

LC Schleifenzähler

LE Endadresse der Schleife


Modulo Adressierung

● Implementierung von Ringpuffern– 0x8000: I1 wird jeweils um 1

inkrementiert und nach 47 wieder auf 0 gesetzt

– 0xA000: I1 wird jeweils um 1 dekrementiert und nach 0 wieder auf 47 gesetzt

– Puffer muss auf Adresse liegen, die durch nächsthöhere Zweierpotenz der Pufferlänge teilbar ist. Bei einer Pufferlänge von 48 muss der Puffer also an einer Adresse liegen, die durch 64 teilbar ist.

ldc 0x8000+(48-1),i0ldx (i1)*,a0

ldc 0xA000+(48-1),i0ldx (i1)*,a0


Parallele Verarbeitung

● Viele Operationen können parallel ausgeführt werden– Arithmetische Operation, z.B. macss a0,a1,d– Zugriff auf X-Memory, z.B. ldx (i0)*,a0– Zugriff auf Y-Memory, z.B. ldy (i2)*,a1– Loop

and a0,null,a0 mulss a0,a0 loop a1,END-1 and d,null,d; ldx (i1)*,a0; ldy (i2)*,a1 mac a0,a1,d; ldx (i1)*,a0; ldy (i2)*,a1END:

Initialisierung

Schleife (1 Taktzyklus)

Realisierung eines Filters:f

a

Tiefpass


Intentionally blank slide


Tiefpass Assemblerroutine

//void FirAsm(register __i0 s_int16 *d, __y register __i2 s_int16 *s); .sect code, FirAsm .export _FirAsm_FirAsm:

// Store register values stx i1, (i6)+1 stx i3, (i6); sty ls, (i6)+1 stx le, (i6); sty lc, (i6)+1 stx a0, (i6); sty a1, (i6)+1 stx b0, (i6); sty b1, (i6)

ldc MAKEMOD64(-2,LINE_IN_BUF_LEN), i3 //-2 step mv i0, i5 ldc _firCoeffs, i0 // coefficient vector ldc 1, i1 // linear forwards +1 (No modulo) ldc 0x0000, mr0 // fract mode

and a,NULL,a; ldx (i0)*,b1; ldy (i2)*,b0 // clear a-reg., load first coef./sample -pair ldc FIR_LEN-2, lc // loop count

Reale Implementierung der FIR Assemblerroutine

Finite Impulse ResponseFilter mit endlicher Impulsantwort

Filterkoeffiziententabellebestimmt die Filterfunktion


Tiefpass Assemblerroutine

loop lc, firloop1end-1 // start looping // Delay slot, perform first multiply, load next coef./sample -pair mul b1, b0; ldx (i0)*,b1; ldy (i2)*,b0 firloop1: mac b1, b0, a; ldx (i0)*,b1; ldy (i2)*,b0 // use pipelined MAC to implement FIRfirloop1end:

add a, p, a ldc FIR_SCALE, b0 ashl a, b0, a rnd a, a1 stx a1, (i5)

// Restore registers ldx (i6), b0; ldy (i6)-1, b1 ldx (i6), a0; ldy (i6)-1, a1 ldx (i6), le; ldy (i6)-1, lc ldx (i6), i3; ldy (i6)-1, ls ldx (i6)-1, i1 jr ldc 0x200, mr0 // Delay slot, restore integer mode


Tiefpass C-Programmaufruf

__y s_int16 *delayLinePtr = lineInPtr;s_int16 *sp = audioOut;int i;for (i=0; i<BLOCKSIZE; i++) { // apply the filter FirAsm(sp++,delayLinePtr++); // left channel FirAsm(sp++,delayLinePtr++); // right channel}

Aufruf der FIR Assemblerroutine


Filterkoeffizienten berechnen

pkg load allfs=48000;fsp2=fs/2;f1=3100;f2=4300;deg=62;b=firls(deg, [0 f1/fsp2 f2/fsp2 1], [1 1 0 0]);

Filterkoeffizienten nach der Methodeder kleinsten Quadrate berechnen

Ordnung des Filters

Übergangsbereich des Filters

Normalisierungsfaktor

Frequenzen undAmplituden sindnormalisiert

Samplerate

Normalisierte Frequenzwerte:So umrechnen, dass der Wert 1 der halbenAbtastrate entspricht (Nyquist-Grenze).

Filterkoeffizienten können bequem mit GNU Octave, MATLABoder SciLab berechnet werden

Anweisungen für GNU Octave


Frequenz- und Phasengang

freqz(b);

Durchlassbereich

Sperrbereich

Übergangsbereich

Welligkeit

Anweisung für GNU Octave

fa

Tiefpass

Quizfrage: Frequenz von 0 bis 1?


Filterkoeffizienten einbauen

b2=round(b'*32768);save 'coeff.txt' b2

16-Bit-Werte erzeugen

# Created by Octave 3.6.2, Thu Oct 17 18:27:38 2013 W. Europe Daylight Time# name: b2# type: matrix# rows: 1# columns: 63 63 101 121 113 71 -2 -93 -181 -242 -252 -197 -77 89 268 416 487 446 278...

_firCoeffs:.word 63, 101, 121, 113, 71, -2, -93, -181.word -242, -252, -197, -77, 89, 268, 416, 487.word 446, 278, -1, -347, -685, -930, -993, -807.word -338, 401, 1348, 2397, 3419, 4274, 4842, 5041.word 4842, 4274, 3419, 2397, 1348, 401, -338, -807.word -993, -930, -685, -347, -1, 278, 446, 487.word 416, 268, 89, -77, -197, -252, -242, -181.word -93, -2, 71, 113, 121, 101, 63

Inhalt der Dateicoeff.txt

Umgeschrieben fürAssemblerprogramm

Anweisungen für GNU Octave


Frequenzweiche

DSP

Verstärker

Verstärker Tieftöner

Hochtöner

Audiosignal

Gestern

Heute

Morgen?

Günther Nubert (Nubert Speaker Factory)


DSP-Board Schaltplan

Wichtig!Tiefpass nicht

vergessen!

SeriellerSpeicher


VSDSP Toolchain

● VSIDE– Vollständige Entwicklungs-

umgebung für VSDSP Signal-prozessoren

– Unterstützt Debugging auf realer Hardware über RS232 (USB-Bridge)

● Kommandozeile– ANSI-C Compiler, Assembler,

Linker, Profiler etc.● Windows only!● Kostenlos

lcc -g -hhw_desc -O6 -fsmall-code -DDEBUG -DVS1063 -IC:/VSIDEoptimizing (452): 299 281 274 273.273.271.271.271C 271 CF 0 X 6 Y 8198 F 0Successfully compiled 2012 lines (244 in source) with 0 warnivsa -c hw_desc -D ASM -D VS1063 -I C:/VSIDE/libvs1063 -o Debvslink -k -m user_vs1063-extra.mem C:/VSIDE/libvs1063/rom1063coff -L. -LC:/VSIDE/libvs1063 -lcvssym -Q Debug/effect.coffDebug/effect.coff:C 429 CF 0 X 6 Y 8198 F 0total code memory size 0x01ad 429 wordstotal X memory size 0x0006 6 wordstotal Y memory size 0x2006 8198 words const_x 0x0006 6 words bss_y 0x2000 8192 words const_y 0x0006 6 words

SORRY!


Hello World

main() {// show text in consoleputs("Hello, world.");// setup button and ledCONFIGURE_LED_1;CONFIGURE_OPTO_1;//// enter busy loop, detect button press//while (1) {

if (OPTO_1_ACTIVE) {SET_LED_1_ON;

} else {SET_LED_1_OFF;

}}return 0;

}www.usda.gov/oc/photo/opclibra.htm


Zaubermaschine

Evan P. Cordes: EP-2


Vielen Dank

We're cool, right?

You are allowed to applaude by clapping the hands or knocking on the tables.

Kibadunno: Mega_awesome_super_cool_amazing_sunglasses


Questions ?

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Any questions?

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