ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΕΣ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ TMS320C64x

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟ ΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥ ΩΝ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΕΣ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ TMS320C64x ΝΑΟΥΜ ΓΕΩΡΓΙΟΣ A.M. : M294

2 2 Περιεχόµενα 1. Εισαγωγή Κύριες Ιδιότητες του TMS320C64x Κύριες Ιδιότητες του TMS320C6414x Κύριες Ιδιότητες του TMS320C6415x Κύριες Ιδιότητες του TMS320C6416x Γενική Περιγραφή του TMS320C64x Γενική Περιγραφή του TMS320C6414x Γενική Περιγραφή του TMS320C6415x Γενική Περιγραφή του TMS320C6416x Συγκρίσεις των TMSC320C64x Αρχιτεκτονική της Κεντρικής Μονάδας Επεξεργασίας του TMS320C64x Εφαρµογές H Υλοποίηση του DES στον TMS320C Εισαγωγή στην Κρυπτογράφηση Ο Αλγόριθµος Κρυπτογράφησης DES H Υλοποίηση του DES στον TMS320C Υλοποίηση Πολυκαναλικών Αλγορίθµων στον TMS320C Εισαγωγή Βασικές Απαιτήσεις για Πολυκαναλική Υλοποίηση Επανεισερχόµενο Πρόγραµµα Επανατοποθετήσιµα εδοµένα Πρακτικές Προσεγγίσεις Συναρτήσεις µε Πολλάπλες Στατικές/Γενικές Μεταβλητές Αρχική Συνάρτηση και οι Υποσυναρτήσεις της µε Στατικές/Γενικές Μεταβλητές Σταθεροί Πίνακες Επανατοποθέτηση εδοµένων Block ιαγράµµατα Τηλεπικοινωνιακών Εφαρµογών Τηλεπικονωνίες µέσω Γραµµών Ηλεκτρικής Τροφοδοσίας Επεξεργασία Φωνής στο Πρωτόκολλο Internet ικτυακό Σύστηµα Ασφαλείας µε Κάµερα Τεχνική Υποστήριξη Εργαλεία Ανάπτυξης Εγχειρίδια Σχετικά Έγγραφα Βιβλιογραφία.. 45

3 3 1.Εισαγωγή Η εργασία αυτή έχει ως σκοπό την περιγραφή της οικογένειας των ψηφιακών επεξεργαστών σήµατος (DSP) της εταιρείας TEXAS INSTRUMENTS, TMS320C64x. Συγκεκριµένα αναφέρονται οι κύριες ιδιότητες, η γενική περιγραφή, η αρχιτεκτονική των µελών της οικογένειας µε αντίστοιχη σύγκριση των επιµέρους διαφορών τους. Επίσης παρουσιάζονται και ορισµένες εφαρµογές των DSPs TMS320C64x. Όλα τα απαραίτητα στοιχεία που λήφθηκαν υπ όψιν για τη συγγραφή της παρούσας εργασίας πάρθηκαν από την ιστοσελίδα της εταιρείας TEXAS INSTRUMENTS, Η οικογένεια των DSPs TMS320C64x απαριθµεί εννέα µέλη, των οποίων η κατηγοριοποίηση επιτυγχάνεται ως εξής : Ι ) TMS320C6414x 1. TMS320C TMS320C TMS320C II ) TMS320C6415x 1. TMS320C TMS320C TMS320C III ) TMS320C6416x 1. TMS320C TMS320C TMS320C Η παραπάνω ταξινόµηση περιλαµβάνει τρεις κατηγορίες, όπου η καθεµιά τους αποτελείται από τρία µέλη. Τα µέλη κάθε κατηγορίας διαφέρουν µεταξύ τους µόνο όσον αφορά τη συχνότητα του ρολογιού τους, άρα και τον αριθµό των εντολών που εκτελούν ανά δευτερόλεπτο. Παραδείγµατος χάριν ο TMS320C έχει συχνότητα ρολογιού 400 MHz (3200 MIPS), ο TMS320C έχει συχνότητα ρολογιού 500 MHz (4000 MIPS) και ο TMS320C έχει συχνότητα ρολογιού 600 MHz (4800 MIPS). Οµοίως ισχύει και για τις άλλες δύο κατηγορίες. Συνεπώς οι όποιες άλλες διαφορές των µελών παρουσιάζονται όσον αφορά τις τρεις βασικές κατηγορίες.

4 4 2. Κύριες Ιδιότητες του TMS320C64x 2.1 Κύριες Ιδιότητες του TMS320C6414x Ο ψηφιακός επεξεργαστής σήµατος (DSP) TMS320C6414x θεωρείται ένας από τους καλύτερους επεξεργαστές µε εξαιρετικά υψηλή απόδοση. Τα κύρια χαρακτηριστικά του παρατίθενται ακολούθως : DSP σταθερής υποδιαστολής! 2.5-, 2-, 1.67-ns Κύκλος Μηχανής! 400-, 500-, 600-MHz Συχνότητες Ρολογιού! Οκτώ 32-Bit Εντολές ανά Κύκλο Μηχανής! Εικοσιοκτώ Λειτουργίες ανά Κύκλο Μηχανής! 3200, 4000, 4800 MIPS! Πλήρης συµβατότητα λογισµικού µε τον C62x TM! Συµβατότητα ακίδων µε τους C6415/16 Προηγµένης VelociTI TM (VelociTI.2 TM ) VLIW (Very-Long-Instruction- Word) DSP Πυρήνας! Οκτώ Ανεξάρτητες Λειτουργικές Μονάδες : o Έξι ALUs (32-/40-Bit), όπου η καθεµιά υποστηρίζει Αριθµητική Μονής Εισόδου 32-Bit ή ιπλής Εισόδου 16- Bit ή Τετραπλής Εισόδου 8-Bit ανά Κύκλο Ρολογιού o ύο Πολλαπλασιαστές που υποστηρίζουν Τέσσερις 16 * 16-Bit Πολλαπλασιασµούς (32-Βit Έξοδο) ανά Κύκλο Ρολογιού ή Οκτώ 8 * 8-Bit Πολλαπλασιασµούς (16-Βit Έξοδο) ανά Κύκλο Ρολογιού! Μη Σειριακή Αρχιτεκτονική Φόρτωσης-Αποθήκευσης Χρησιµοποιώντας Bit Καταχωρητές Γενικού Σκοπού! Πακετοποίηση Εντολών Μειώνοντας το Μέγεθος του Κώδικα! Όλες τις Υπό Συνθήκες Εντολές Χαρακτηριστικά Εντολών! Byte-Addressable (8-, 16-, 32-, 64-Bit εδοµένα)! 8-Βit Προστασία Υπερχείλισης! Κορεσµός! Bit-Πεδίου Εξαγωγή, Τοποθέτηση. ιαγραφή! Bit-Counting! Κανονικοποίηση! VelociTI.2 TM Αυξηµένη Ορθογωνιότητα L1/L2 Αρχιτεκτονική Μνήµης! 128K-Bit (16K-Byte) L1P Κρυφή Μνήµη Προγράµµατος (Απευθείας Πρόσβασης)! 128K-Bit (16K-Byte) L1D Κρυφή Μνήµη εδοµένων ( ιπλής Πρόσβασης)! 8M-Bit (1024K-Byte) L2 Ενοποιηµένης Πρόσβασης RAM/Κρυφής Μνήµης (Ευέλικτη Τοποθέτηση εδοµένων/ Προγράµµατος )

5 5 ύο ιεπαφές Εξωτερικής Μνήµης (EMIFs)! Μία 64-Bit (EMIFA)! Μία 16-Bit (EMIFB)! ιεπαφή µε Ασύγχρονες Μνήµες (SRAM και EPROM) και Σύγχρονες Μνήµες (SDRAM, SBSRAM, ZBT SRAM και FIFO)! 1280Μ-Byte Πλήρως ιευθυνσηδοτηµένος Εξωτερικός Χώρος Μνήµης Ελεγκτής Απευθείας Πρόσβασης στη Μνήµη (EDMA 64 Ανεξάρτητων Καναλιών ) Θύρα Εξωτερικής ιεπαφής (HPI)! Μέγεθος ιαύλου ιαµορφώσιµο από τον Χρήστη (32-/16-Bit)! Πρόσβαση σε Όλες τις Μνήµες Τρεις Πολυκαναλικές Σεριακές Θύρες (McBSPs)! Απευθείας ιεπαφή σε T1/E1, MVIP, SCSA Πλαίσια! Συµβατότητα ST-Bus-Switching! Έως 256 Κανάλια η κάθε Θύρα! AC97 Συµβατότητα! Συµβατότητα (Motorola TM ) Σειριακής Περιφερειακής ιεπαφής (SPI) Τρεις 32-Bit Χρονοµετρητές Γενικού Σκοπού Ακίδες Ι/Ο Γενικού Σκοπού (GPIO)! εκατρείς εσµευµένες GPIO Ακίδες! Συνολικά εκαέξι Ακίδες! Προγραµµατιζόµενη Ακίδα για Interrupt/Event Mode Ευέλικτη Phase-Locked-Loop (PLL) Γεννήτρια Ρολογιού IEEE (JTAG) Boundary-Scan Συµβατότητα 532-Ακίδων Συσκευή 0.12-µm/6-Επιπέδων Επεξεργασία Μετάλλου CMOS Τεχνολογία 3.3-V I/Os Τροφοδοσία, 1.2-V Εσωτερική Τροφοδοσία

6 6 2.2 Κύριες Ιδιότητες του TMS320C6415x Ο ψηφιακός επεξεργαστής σήµατος (DSP) TMS320C6415x θεωρείται ένας από τους καλύτερους επεξεργαστές µε εξαιρετικά υψηλή απόδοση. Τα κύρια χαρακτηριστικά του παρατίθενται ακολούθως : DSP σταθερής υποδιαστολής! 2.5-, 2-, 1.67-ns Κύκλος Μηχανής! 400-, 500-, 600-MHz Συχνότητες Ρολογιού! Οκτώ 32-Bit Εντολές ανά Κύκλο Μηχανής! Εικοσιοκτώ Λειτουργίες ανά Κύκλο Μηχανής! 3200, 4000, 4800 MIPS! Πλήρης συµβατότητα λογισµικού µε τον C62x TM! Συµβατότητα ακίδων µε τους C6414/16 Προηγµένης VelociTI TM (VelociTI.2 TM ) VLIW (Very-Long-Instruction- Word) DSP Πυρήνας! Οκτώ Ανεξάρτητες Λειτουργικές Μονάδες : o Έξι ALUs (32-/40-Bit), όπου η καθεµιά υποστηρίζει Αριθµητική Μονής Εισόδου 32-Bit ή ιπλής Εισόδου 16- Bit ή Τετραπλής Εισόδου 8-Bit ανά Κύκλο Ρολογιού o ύο Πολλαπλασιαστές που υποστηρίζουν Τέσσερις 16 * 16-Bit Πολλαπλασιασµούς (32-Βit Έξοδο) ανά Κύκλο Ρολογιού ή Οκτώ 8 * 8-Bit Πολλαπλασιασµούς (16-Βit Έξοδο) ανά Κύκλο Ρολογιού! Μη Σειριακή Αρχιτεκτονική Φόρτωσης-Αποθήκευσης Χρησιµοποιώντας Bit Καταχωρητές Γενικού Σκοπού! Πακετοποίηση Εντολών Μειώνοντας το Μέγεθος του Κώδικα! Όλες τις Υπό Συνθήκες Εντολές Χαρακτηριστικά Εντολών! Byte-Addressable (8-, 16-, 32-, 64-Bit εδοµένα)! 8-Βit Προστασία Υπερχείλισης! Κορεσµός! Bit-Πεδίου Εξαγωγή, Τοποθέτηση. ιαγραφή! Bit-Counting! Κανονικοποίηση! VelociTI.2 TM Αυξηµένη Ορθογωνιότητα L1/L2 Αρχιτεκτονική Μνήµης! 128K-Bit (16K-Byte) L1P Κρυφή Μνήµη Προγράµµατος (Απευθείας Πρόσβασης)! 128K-Bit (16K-Byte) L1D Κρυφή Μνήµη εδοµένων ( ιπλής Πρόσβασης)! 8M-Bit (1024K-Byte) L2 Ενοποιηµένης Πρόσβασης RAM/Κρυφής Μνήµης (Ευέλικτη Τοποθέτηση εδοµένων/ Προγράµµατος ) ύο ιεπαφές Εξωτερικής Μνήµης (EMIFs)! Μία 64-Bit (EMIFA)

7 7! Μία 16-Bit (EMIFB)! ιεπαφή µε Ασύγχρονες Μνήµες (SRAM και EPROM) και Σύγχρονες Μνήµες (SDRAM, SBSRAM, ZBT SRAM και FIFO)! 1280Μ-Byte Πλήρως ιευθυνσηδοτηµένος Εξωτερικός Χώρος Μνήµης Ελεγκτής Απευθείας Πρόσβασης στη Μνήµη (EDMA 64 Ανεξάρτητων Καναλιών ) Θύρα Εξωτερικής ιεπαφής (HPI)! Μέγεθος ιαύλου ιαµορφώσιµο από τον Χρήστη (32-/16-Bit)! Πρόσβαση σε Όλες τις Μνήµες 32-Bit/33-MHz, 3.3-V Περιφερειακό ιασύνδεσης (PCI) Master/Slave ιεπαφής, Σύµφωνα µε τις PCI Υποδείξεις 2.2! Ικανοποιεί τις Απαιτήσεις του PC99! Πρόσβαση σε Όλες τις Μνήµες! Τρεις Καταχωρητές PCI ίαυλου ιευθύνσεων! Τεσσάρων Καλωδίων Σειριακή EEPROM ιεπαφή! PCI Αίτηση ιακοπής από Έλεγχο Προγράµµατος DSP! DSP ιακοπή µέσω PCI I/O Κύκλου Τρεις Πολυκαναλικές Σεριακές Θύρες (McBSPs)! Απευθείας ιεπαφή σε T1/E1, MVIP, SCSA Πλαίσια! Συµβατότητα ST-Bus-Switching! Έως 256 Κανάλια η κάθε Θύρα! AC97 Συµβατότητα! Συµβατότητα (Motorola TM ) Σειριακής Περιφερειακής ιεπαφής (SPI) ιεπαφή Γενικευµένης οκιµής Λειτουργιών PHY για ATM (UTOPIA)! UTOPIA Επιπέδου 2 Slave ΑΤΜ Ελεγκτής! 8-Bit Λειτουργίες Μετάδοσης και Λήψης Μέχρι 50 MHz! ιαµορφωµένο από τον Χρήστη Format Κυψέλης έως 64 Bytes Τρεις 32-Bit Χρονοµετρητές Γενικού Σκοπού 16 Ακίδες Ι/Ο Γενικού Σκοπού (GPIO)! Προγραµµατιζόµενη Ακίδα για Interrupt/Event Mode Ευέλικτη Phase-Locked-Loop (PLL) Γεννήτρια Ρολογιού IEEE (JTAG) Boundary-Scan Συµβατότητα 532-Ακίδων Συσκευή 0.12-µm/6-Επιπέδων Επεξεργασία Μετάλλου CMOS Τεχνολογία 3.3-V I/Os Τροφοδοσία, 1.2-V Εσωτερική Τροφοδοσία

8 8 2.3 Κύριες Ιδιότητες του TMS320C6416x Ο ψηφιακός επεξεργαστής σήµατος (DSP) TMS320C6416x θεωρείται ένας από τους καλύτερους επεξεργαστές µε εξαιρετικά υψηλή απόδοση. Τα κύρια χαρακτηριστικά του παρατίθενται ακολούθως : DSP σταθερής υποδιαστολής! 2.5-, 2-, 1.67-ns Κύκλος Μηχανής! 400-, 500-, 600-MHz Συχνότητες Ρολογιού! Οκτώ 32-Bit Εντολές ανά Κύκλο Μηχανής! Εικοσιοκτώ Λειτουργίες ανά Κύκλο Μηχανής! 3200, 4000, 4800 MIPS! Πλήρης συµβατότητα λογισµικού µε τον C62x TM! Συµβατότητα ακίδων µε τους C6414/15 Προηγµένης VelociTI TM (VelociTI.2 TM ) VLIW (Very-Long-Instruction- Word) DSP Πυρήνας! Οκτώ Ανεξάρτητες Λειτουργικές Μονάδες : o Έξι ALUs (32-/40-Bit), όπου η καθεµιά υποστηρίζει Αριθµητική Μονής Εισόδου 32-Bit ή ιπλής Εισόδου 16- Bit ή Τετραπλής Εισόδου 8-Bit ανά Κύκλο Ρολογιού o ύο Πολλαπλασιαστές που υποστηρίζουν Τέσσερις 16 * 16-Bit Πολλαπλασιασµούς (32-Βit Έξοδο) ανά Κύκλο Ρολογιού ή Οκτώ 8 * 8-Bit Πολλαπλασιασµούς (16-Βit Έξοδο) ανά Κύκλο Ρολογιού! Μη Σειριακή Αρχιτεκτονική Φόρτωσης-Αποθήκευσης Χρησιµοποιώντας Bit Καταχωρητές Γενικού Σκοπού! Πακετοποίηση Εντολών Μειώνοντας το Μέγεθος του Κώδικα! Όλες τις Υπό Συνθήκες Εντολές Χαρακτηριστικά Εντολών! Byte-Addressable (8-, 16-, 32-, 64-Bit εδοµένα)! 8-Βit Προστασία Υπερχείλισης! Κορεσµός! Bit-Πεδίου Εξαγωγή, Τοποθέτηση. ιαγραφή! Bit-Counting! Κανονικοποίηση! VelociTI.2 TM Αυξηµένη Ορθογωνιότητα Viterbi Αποκωδικοποιητής-Συνεπεξεργαστής (VCP)! Υποστηρίζει πάνω από Kbps AMR! Προγραµµατιζόµενες Παράµετροι Κώδικα Turbo Αποκωδικοποιητής-Συνεπεξεργαστής (TCP)! Υποστηρίζει έως και Έξι 2-Μbps 3GPP (6 Επαναλήψεις)! Προγραµµατιζόµενος Turbo Κώδικας και Αποκωδικοποίηση Παραµέτρων

9 9 L1/L2 Αρχιτεκτονική Μνήµης! 128K-Bit (16K-Byte) L1P Κρυφή Μνήµη Προγράµµατος (Απευθείας Πρόσβασης)! 128K-Bit (16K-Byte) L1D Κρυφή Μνήµη εδοµένων ( ιπλής Πρόσβασης)! 8M-Bit (1024K-Byte) L2 Ενοποιηµένης Πρόσβασης RAM/Κρυφής Μνήµης (Ευέλικτη Τοποθέτηση εδοµένων/ Προγράµµατος ) ύο ιεπαφές Εξωτερικής Μνήµης (EMIFs)! Μία 64-Bit (EMIFA)! Μία 16-Bit (EMIFB)! ιεπαφή µε Ασύγχρονες Μνήµες (SRAM και EPROM) και Σύγχρονες Μνήµες (SDRAM, SBSRAM, ZBT SRAM και FIFO)! 1280Μ-Byte Πλήρως ιευθυνσηδοτηµένος Εξωτερικός Χώρος Μνήµης Ελεγκτής Απευθείας Πρόσβασης στη Μνήµη (EDMA 64 Ανεξάρτητων Καναλιών ) Θύρα Εξωτερικής ιεπαφής (HPI)! Μέγεθος ιαύλου ιαµορφώσιµο από τον Χρήστη (32-/16-Bit)! Πρόσβαση σε Όλες τις Μνήµες 32-Bit/33-MHz, 3.3-V Περιφερειακό ιασύνδεσης (PCI) Master/Slave ιεπαφής, Σύµφωνα µε τις PCI Υποδείξεις 2.2! Ικανοποιεί τις Απαιτήσεις του PC99! Πρόσβαση σε Όλες τις Μνήµες! Τρεις Καταχωρητές PCI ίαυλου ιευθύνσεων! Τεσσάρων Καλωδίων Σειριακή EEPROM ιεπαφή! PCI Αίτηση ιακοπής από Έλεγχο Προγράµµατος DSP! DSP ιακοπή µέσω PCI I/O Κύκλου Τρεις Πολυκαναλικές Σεριακές Θύρες (McBSPs)! Απευθείας ιεπαφή σε T1/E1, MVIP, SCSA Πλαίσια! Συµβατότητα ST-Bus-Switching! Έως 256 Κανάλια η κάθε Θύρα! AC97 Συµβατότητα! Συµβατότητα (Motorola TM ) Σειριακής Περιφερειακής ιεπαφής (SPI) ιεπαφή Γενικευµένης οκιµής Λειτουργιών PHY για ATM (UTOPIA)! UTOPIA Επιπέδου 2 Slave ΑΤΜ Ελεγκτής! 8-Bit Λειτουργίες Μετάδοσης και Λήψης Μέχρι 50 MHz! ιαµορφωµένο από τον Χρήστη Format Κυψέλης έως 64 Bytes Τρεις 32-Bit Χρονοµετρητές Γενικού Σκοπού 16 Ακίδες Ι/Ο Γενικού Σκοπού (GPIO)

10 10 Ευέλικτη Phase-Locked-Loop (PLL) Γεννήτρια Ρολογιού IEEE (JTAG) Boundary-Scan Συµβατότητα 532-Ακίδων Συσκευή 0.12-µm/6-Επιπέδων Επεξεργασία Μετάλλου CMOS Τεχνολογία 3.3-V I/Os Τροφοδοσία, 1.2-V Εσωτερική Τροφοδοσία

11 11 3. Γενική Περιγραφή του TMS320C64x 3.1 Γενική Περιγραφή του TMS320C6414x Οι TMS320C64x TM DSPs (συµπεριλαµβανοµένου και του TMS320C6414x) είναι οι πιο υψηλής απόδοσης DSPs σταθερής υποδιαστολής από την οικογένεια των TMS320C6000 TM. Ο TMS320C6414x βασίζεται στην αρχιτεκτονική VelociTI.2 TM, που αποτελεί τη µεταγενέστερη εξέλιξη της ήδη προηγµένης τεχνολογίας VelociTI TM µε εντολές πολύ µεγάλων λέξεων (VLIW), που αναπτύχθηκε από την Texas Instruments (TI), επιτρέποντας έτσι την χρησιµοποίηση του DSP σε εφαρµογές πολλαπλών καναλιών και λειτουργιών. Ο TMS320C64x TM είναι συµβατού κώδικα µε τη βασική πλατφόρµα των TMS320C6000 TM DSPs. Ο TMS320C6414x επιτυγχάνει έως και 4800 εκατοµµύρια εντολές ανά δευτερόλεπτο (MIPS), ενώ ο ρυθµός του ρολογιού του προσεγγίζει τη συχνότητα των 600 MHz. ιαθέτει την λειτουργική ευελιξία των ελεγκτών υψηλής απόδοσης και την αριθµητική ικανότητα των επεξεργαστών πινάκων. Ο πυρήνας του TMS320C6414x DSP περιλαµβάνει 64 καταχωρητές γενικού σκοπού µε 32-bit µήκος λέξης και οκτώ ανεξάρτητες λειτουργικές µονάδες, δύο πολλαπλασιαστές µε 32-bit έξοδο και έξι αριθµητικές λογικές µονάδες (ALUs), µε προδιαγραφές της VelociTI.2 TM τεχνολογίας. Ο TMS320C6414x επιτυγχάνει δύο 32-bit πολλαπλασιασµούςπροσθέσεις (MACs) ανά κύκλο µηχανής και συνολικά 1200 εκατοµµύρια MACs ανά δευτερόλεπτο (MMACS) ή οκτώ 8-bit MACs ανά κύκλο µηχανής και συνολικά 4800 MMACS. Ο TMS320C6414x διαθέτει λογική υλικού (hardware) για εξειδικευµένες εφαρµογές, µνήµη επάνω στο ολοκληρωµένο (chip), καθώς και πρόσθετες περιφερειακές µονάδες επάνω στο ολοκληρωµένο όµοιες και µε τα άλλα µοντέλα της πλατφόρµας των TMS320C6000 TM DSPs. Ο TMS320C6414x χρησιµοποιεί δύο-επιπέδων κρυφής µνήµης αρχιτεκτονική και διαθέτει ένα δυναµικό και ποικίλο σύνολο περιφερειακών µονάδων. Η πρώτου επιπέδου κρυφή µνήµη προγράµµατος (L1P) είναι µια 128-Kbit κρυφή µνήµη, απευθείας πρόσβασης, ένω η πρώτου επιπέδου κρυφή µνήµη δεδοµένων (L1D) είναι µια 128-Kbit κρυφή µνήµη, διπλής πρόσβασης. Η δεύτερου επιπέδου κρυφή µνήµη (L2) αποτελείται από µία µνήµη 8-Mbit, η οποία διαµοιράζεται µεταξύ προγράµµατος και δεδοµένων. Το σύνολο των περιφερειακών µονάδων περιλαµβάνει τρεις πολυκαναλικές σειριακές θύρες (McBSPs), τρεις χρονοµετρητές γενικού σκοπού, µια διεπαφή εξωτερικής θύρας διαµορφωµένης από τον χρήστη στα 16-bit ή στα 32-bit (HPI16/HPI32), µία θύρα εισόδου/εξόδου γενικού σκοπού (GPIO) µε 16 ακίδες και δύο διεπαφές εξωτερικής µνήµης (64-bit EMIFA και 16-bit EMIFB), ικανές και οι δύο να δεχτούν σύγχρονες ή και ασύγχρονες µνήµες και περιφερειακές µονάδες. Ο TMS320C6414x έχει ένα πλήρες σύνολο αναπτυξιακών εργαλείων που περιλαµβάνει ένα νέο C compiler, ένα βελτιστοποιητή assembly για περαιτέρω απλοποίηση στο προγραµµατισµό και σχεδιασµό της εκάστοτε εφαρµογής, καθώς και ένα debugger σε περιβάλλον Windows TM για οπτικό προσδιορισµό των λαθών κατά την εκτέλεση του κώδικα. Στο ακόλουθο σχήµα παρατίθεται το αναλυτικό block διάγραµµα του TMS320C6414x.

12 12 Σχήµα 1 Block ιάγραµµα του TMS320C6414x 3.2 Γενική Περιγραφή του TMS320C6415x Οι TMS320C64x TM DSPs (συµπεριλαµβανοµένου και του TMS320C6415x) είναι οι πιο υψηλής απόδοσης DSPs σταθερής υποδιαστολής από την οικογένεια των TMS320C6000 TM. Ο TMS320C6415x βασίζεται στην αρχιτεκτονική VelociTI.2 TM, που αποτελεί τη µεταγενέστερη εξέλιξη της ήδη προηγµένης τεχνολογίας VelociTI TM µε εντολές πολύ µεγάλων λέξεων (VLIW), που αναπτύχθηκε από την Texas Instruments (TI), επιτρέποντας έτσι την χρησιµοποίηση του DSP σε εφαρµογές πολλαπλών καναλιών και λειτουργιών. Ο TMS320C64x TM είναι συµβατού κώδικα µε τη βασική πλατφόρµα των TMS320C6000 TM DSPs. Ο TMS320C6415x επιτυγχάνει έως και 4800 εκατοµµύρια εντολές ανά δευτερόλεπτο (MIPS), ενώ ο ρυθµός του ρολογιού του προσεγγίζει τη συχνότητα των 600 MHz. ιαθέτει την λειτουργική ευελιξία των ελεγκτών υψηλής απόδοσης και την αριθµητική ικανότητα των επεξεργαστών πινάκων. Ο πυρήνας του TMS320C6415x DSP περιλαµβάνει 64 καταχωρητές γενικού σκοπού µε 32-bit µήκος λέξης και οκτώ ανεξάρτητες λειτουργικές µονάδες, δύο πολλαπλασιαστές µε 32-bit έξοδο και έξι αριθµητικές λογικές µονάδες (ALUs), µε προδιαγραφές της VelociTI.2 TM τεχνολογίας. Ο TMS320C6415x επιτυγχάνει δύο 32-bit πολλαπλασιασµούςπροσθέσεις (MACs) ανά κύκλο µηχανής και συνολικά 1200 εκατοµµύρια MACs ανά δευτερόλεπτο (MMACS) ή οκτώ 8-bit MACs ανά κύκλο µηχανής και συνολικά 4800

13 13 MMACS. Ο TMS320C6415x διαθέτει λογική υλικού (hardware) για εξειδικευµένες εφαρµογές, µνήµη επάνω στο ολοκληρωµένο (chip), καθώς και πρόσθετες περιφερειακές µονάδες επάνω στο ολοκληρωµένο όµοιες και µε τα άλλα µοντέλα της πλατφόρµας των TMS320C6000 TM DSPs. Ο TMS320C6415x χρησιµοποιεί δύο-επιπέδων κρυφής µνήµης αρχιτεκτονική και διαθέτει ένα δυναµικό και ποικίλο σύνολο περιφερειακών µονάδων. Η πρώτου επιπέδου κρυφή µνήµη προγράµµατος (L1P) είναι µια 128-Kbit κρυφή µνήµη, απευθείας πρόσβασης, ένω η πρώτου επιπέδου κρυφή µνήµη δεδοµένων (L1D) είναι µια 128-Kbit κρυφή µνήµη, διπλής πρόσβασης. Η δεύτερου επιπέδου κρυφή µνήµη (L2) αποτελείται από µία µνήµη 8-Mbit, η οποία διαµοιράζεται µεταξύ προγράµµατος και δεδοµένων. Το σύνολο των περιφερειακών µονάδων περιλαµβάνει τρεις πολυκαναλικές σειριακές θύρες (McBSPs), µία 8-bit διεπαφή για γενικευµένη δοκιµή λειτουργιών ATM Slave θύρας (UTOPIA),τρεις χρονοµετρητές γενικού σκοπού, µια διεπαφή εξωτερικής θύρας διαµορφωµένης από τον χρήστη στα 16-bit ή στα 32-bit (HPI16/HPI32), ένα περιφερειακό διασύνδεσης (PCI), µία θύρα εισόδου/εξόδου γενικού σκοπού (GPIO) µε 16 ακίδες και δύο διεπαφές εξωτερικής µνήµης (64-bit EMIFA και 16-bit EMIFB), ικανές και οι δύο να δεχτούν σύγχρονες ή και ασύγχρονες µνήµες και περιφερειακές µονάδες. Ο TMS320C6415x έχει ένα πλήρες σύνολο αναπτυξιακών εργαλείων που περιλαµβάνει ένα νέο C compiler, ένα βελτιστοποιητή assembly για περαιτέρω απλοποίηση στο προγραµµατισµό και σχεδιασµό της εκάστοτε εφαρµογής, καθώς και ένα debugger σε περιβάλλον Windows TM για οπτικό προσδιορισµό των λαθών κατά την εκτέλεση του κώδικα. Στο ακόλουθο σχήµα παρατίθεται το αναλυτικό block διάγραµµα του TMS320C6415x.

14 14 Σχήµα 2 Block ιάγραµµα του TMS320C6415x 3.3 Γενική Περιγραφή του TMS320C6416x Οι TMS320C64x TM DSPs (συµπεριλαµβανοµένου και του TMS320C6416x) είναι οι πιο υψηλής απόδοσης DSPs σταθερής υποδιαστολής από την οικογένεια των TMS320C6000 TM. Ο TMS320C6416x βασίζεται στην αρχιτεκτονική VelociTI.2 TM, που αποτελεί τη µεταγενέστερη εξέλιξη της ήδη προηγµένης τεχνολογίας VelociTI TM µε εντολές πολύ µεγάλων λέξεων (VLIW), που αναπτύχθηκε από την Texas Instruments (TI), επιτρέποντας έτσι την χρησιµοποίηση του DSP σε εφαρµογές πολλαπλών καναλιών και λειτουργιών. Ο TMS320C64x TM είναι συµβατού κώδικα µε τη βασική πλατφόρµα των TMS320C6000 TM DSPs. Ο TMS320C6416x επιτυγχάνει έως και 4800 εκατοµµύρια εντολές ανά δευτερόλεπτο (MIPS), ενώ ο ρυθµός του ρολογιού του προσεγγίζει τη συχνότητα των 600 MHz. ιαθέτει την λειτουργική ευελιξία των ελεγκτών υψηλής απόδοσης και την αριθµητική ικανότητα των επεξεργαστών πινάκων. Ο πυρήνας του TMS320C6416x DSP περιλαµβάνει 64 καταχωρητές γενικού σκοπού µε 32-bit µήκος λέξης και οκτώ ανεξάρτητες λειτουργικές µονάδες, δύο πολλαπλασιαστές µε 32-bit έξοδο και έξι αριθµητικές λογικές µονάδες (ALUs), µε προδιαγραφές της VelociTI.2 TM τεχνολογίας. Ο TMS320C6416x επιτυγχάνει δύο 32-bit πολλαπλασιασµούςπροσθέσεις (MACs) ανά κύκλο µηχανής και συνολικά 1200 εκατοµµύρια MACs ανά

15 15 δευτερόλεπτο (MMACS) ή οκτώ 8-bit MACs ανά κύκλο µηχανής και συνολικά 4800 MMACS. Ο TMS320C6416x διαθέτει λογική υλικού (hardware) για εξειδικευµένες εφαρµογές, µνήµη επάνω στο ολοκληρωµένο (chip), καθώς και πρόσθετες περιφερειακές µονάδες επάνω στο ολοκληρωµένο όµοιες και µε τα άλλα µοντέλα της πλατφόρµας των TMS320C6000 TM DSPs. Ο TMS320C6416x διαθέτει δύο υψηλής απόδοσης συνεπεξεργαστές, τον Viterbi αποκωδικοποιητή-συνεπεξεργαστή (VCP) και τον Turbo αποκωδικοποιητήσυνεπεξεργαστή (TCP), οι οποίοι επιταχύνουν σηµαντικά την εκτέλεση των λειτουργιών αποκωδικοποιήσης καναλιού επάνω στο ολοκληρωµένο. Ο VCP λειτουργεί στο ¼ του ρυθµού του ρολογιού της κεντρικής µονάδας επεξεργασίας του DSP και µπορεί να αποκωδικοποιήσει πάνω από Kbps προσαρµοσµένα πολυρυθµικά κανάλια φωνής (AMR) [Κ=9, R=13]. O VCP υποστηρίζει µήκη Κ=5,6,7,8,9, ρυθµούς R= 1/2, 1/3, 1/4 και ευέλικτα πολυώνυµα. O TCP λειτουργεί στο ½ του ρυθµού του ρολογιού της κεντρικής µονάδας επεξεργασίας του DSP και µπορεί να αποκωδικοποιήσει έως και τριανταέξι 384 Kbps ή έξι 2 Mbps κωδικοποιηµένα κανάλια (σε 6 επαναλήψεις). Ο TCP υλοποιεί τον max*log-map αλγόριθµο και υποστηρίζει όλα τα πολυώνυµα και ρυθµούς που απαιτούν τα Third Generation Partnership Projects (3GPP και 3GPP2), µε πλήρως προγραµµατιζόµενο µήκος πακέτου και turbo interleaver. Οι παράµετροι αποκωδικοποίησης, όπως ο αριθµός των επαναλήψεων και τα κριτήρια διακοπής, είναι επίσης προγραµµατιζόµενες. Η επικοινωνία µεταξύ του VCP/TCP και της κεντρικής µονάδας επεξεργασίας (CPU) του DSP επιτυγχάνεται µέσω του EDMA ελεγκτή. Ο TMS320C6416x χρησιµοποιεί δύο-επιπέδων κρυφής µνήµης αρχιτεκτονική και διαθέτει ένα δυναµικό και ποικίλο σύνολο περιφερειακών µονάδων. Η πρώτου επιπέδου κρυφή µνήµη προγράµµατος (L1P) είναι µια 128-Kbit κρυφή µνήµη, απευθείας πρόσβασης, ένω η πρώτου επιπέδου κρυφή µνήµη δεδοµένων (L1D) είναι µια 128-Kbit κρυφή µνήµη, διπλής πρόσβασης. Η δεύτερου επιπέδου κρυφή µνήµη (L2) αποτελείται από µία µνήµη 8-Mbit, η οποία διαµοιράζεται µεταξύ προγράµµατος και δεδοµένων. Το σύνολο των περιφερειακών µονάδων περιλαµβάνει τρεις πολυκαναλικές σειριακές θύρες (McBSPs), µία 8-bit διεπαφή για γενικευµένη δοκιµή λειτουργιών ATM Slave θύρας (UTOPIA),τρεις χρονοµετρητές γενικού σκοπού, µια διεπαφή εξωτερικής θύρας διαµορφωµένης από τον χρήστη στα 16-bit ή στα 32-bit (HPI16/HPI32), ένα περιφερειακό διασύνδεσης (PCI), µία θύρα εισόδου/εξόδου γενικού σκοπού (GPIO) µε 16 ακίδες και δύο διεπαφές εξωτερικής µνήµης (64-bit EMIFA και 16-bit EMIFB), ικανές και οι δύο να δεχτούν σύγχρονες ή και ασύγχρονες µνήµες και περιφερειακές µονάδες. Ο TMS320C6416x έχει ένα πλήρες σύνολο αναπτυξιακών εργαλείων που περιλαµβάνει ένα νέο C compiler, ένα βελτιστοποιητή assembly για περαιτέρω απλοποίηση στο προγραµµατισµό και σχεδιασµό της εκάστοτε εφαρµογής, καθώς και ένα debugger σε περιβάλλον Windows TM για οπτικό προσδιορισµό των λαθών κατά την εκτέλεση του κώδικα. Στο ακόλουθο σχήµα παρατίθεται το αναλυτικό block διάγραµµα του TMS320C6416x.

16 16 Σχήµα 3 Block ιάγραµµα του TMS320C6416x 3.4 Συγκρίσεις των TMSC320C64x Παρατηρώντας τις κύριες ιδιότητες και τις γενικές περιγραφές των τριών βασικών κατηγοριών της σειράς των DSPs TMSC320C64x, διαπιστώνουµε ότι οι βασικές τους διαφορές οφείλονται σε κάποιες επιπλέον περιφερειακές µονάδες που διαθέτουν η δεύτερη και τρίτη κατηγορία, όπως υποδεικνυεί ο παρακάτω πίνακας. Περιφερειακά C6414x C6415x C6416x EMIFA (64-bit) ΝΑΙ ΝΑΙ ΝΑΙ EMIFB (16-bit) ΝΑΙ ΝΑΙ ΝΑΙ EDMA (64 ανεξάρτητα κανάλια) ΝΑΙ ΝΑΙ ΝΑΙ HPI (32-bit ή 16-bit) ΝΑΙ ΝΑΙ ΝΑΙ PCI (32-bit) ΟΧΙ ΝΑΙ ΝΑΙ 3 McBSPs ΝΑΙ ΝΑΙ ΝΑΙ UTOPIA (8-bit mode) ΟΧΙ ΝΑΙ ΝΑΙ 3 Χρονοµετρητές (32-bit) ΝΑΙ ΝΑΙ ΝΑΙ GPIOs (GP[15:0]) ΝΑΙ ΝΑΙ ΝΑΙ VCP/TCP Συνεπεξεργαστές ΟΧΙ ΟΧΙ ΝΑΙ Πίνακας 1 Περιφερειακά των TMS320C6414x, TMS320C6415x, TMS320C6416x

17 17 4. Αρχιτεκτονική της Κεντρικής Μονάδας Επεξεργασίας του TMS320C64x Όλα τα µέλη της σειράς των DSPs TMS320C64x έχουν την ίδια κεντρική µονάδα επεξεργασίας (CPU). Η συγκεκριµένη CPU χρησιµοποιεί την προηγµένη τεχνολογία VelociTI.2 TM µε εντολές πολύ µεγάλων λέξεων (VLIWs) (256 bits), η οποία αποτελεί τη µεταγενέστερη εξέλιξη της VelociTI TM. Η VelociTI TM τροφοδοτεί έως και µε οκτώ 32-bit εντολές τις οκτώ λειτουργικές µονάδες της CPU σε κάθε κύκλο ρολογιού, εφόσον οι λειτουργικές µονάδες είναι έτοιµες να τις εκτελέσουν. Το πρώτο bit κάθε 32-bit εντολής καθορίζει εάν η επόµενη εντολή ανήκει στο ίδιο πακέτο εκτέλεσης όπως και η προηγούµενη εντολή ή πρέπει να εκτελεστεί στον επόµενο κύκλο ρολογιού ως µέρος του επόµενου πακέτου εκτέλεσης. Κάθε πακέτο µεταφοράς έχει σταθερό µήκος 256 bits, ωστόσο το πακέτο εκτέλεσης ποικίλει στο µέγεθος. Το τελευταίο αυτό χαρακτηριστικό µειώνει τις ανάγκες για µνήµη και κάνει τη CPU του DSP TMS320C64x να ξεχωρίζει από τις άλλες VLIW αρχιτεκτονικές. Η VelociTI.2 TM προσθέτει ορισµένες επιπλέον βελτιώσεις στην VelociTI TM, που χρησιµοποιεί ο TMS320C62x. Οι βελτιώσεις αυτές είναι οι εξής : Βελτιώσεις στους καταχωρητές Προεκτάσεις στους δίαυλους δεδοµένων Τετραπλές 8-bit και διπλές 16-bit εντολές µε βελτιώσεις στη ροή των δεδοµένων Πρόσθετες λειτουργικές µονάδες υλικού Αυξηµένη αποτελεσµατικότητα του συνόλου των εντολών Πρόσθετες εντολές που µειώνουν το µέγεθος του κώδικα και αυξάνουν την ευελιξία των καταχωρητών Η CPU του TMS320C64x περιλαµβάνει δύο οµάδες λειτουργικών µονάδων. Κάθε οµάδα αποτελείται από τέσσερις λειτουργικές µονάδες και µία οµάδα καταχωρητών. Η πρώτη οµάδα περιέχει τις λειτουργικές µονάδες.l1,.s1,.m1 και.d1. H δεύτερη οµάδα περιέχει τις λειτουργικές µονάδες.l2,.s2,.m2 και.d2. Η κάθε οµάδα καταχωρητών περιέχει bit καταχωρητές, οπότε συνολικά διαθέτουν 64 καταχωρητές γενικού σκοπού. Οι καταχωρητές της CPU του TMS320C64x υποστηρίζουν 16-bit και 32-/40-bit σταθερής υποδιαστολής τύπους δεδοµένων όπως και ο TMS320C62x, αλλά επιπροσθέτως υποστηρίζουν 8-bit και 64-bit σταθερής υποδιαστολής τύπους δεδοµένων. Οι δύο οµάδες των λειτουργικών µονάδων µαζί µε τις δύο οµάδες καταχωρητών συνθέτουν τις δύο πλευρές Α και Β της CPU (βλέπε Σχήµα 3 και Σχήµα 4). Οι τέσσερις λειτουργικές µονάδες κάθε πλευράς µπορούν ελεύθερα να µοιραστούν τους 32 καταχωρητές της πλευράς τους. Επιπλέον όµως κάθε πλευρά διαθέτει έναν δίαυλο δεδοµένων που τη συνδέει µε τους καταχωρητές της άλλης πλευράς. Έτσι οι λειτουργικές µονάδες της κάθε πλευράς έχουν πρόσβαση σε δεδοµένα αποθηκευµένα στους καταχωρητές της άλλης πλευράς. Το τελευταίο σε συνδυασµό µε την τεχνική της σωλήνωσης (pipelining) επιτρέπει σε κάθε καταχωρητή να χρησιµοποιηθεί από πολλές λειτουργικές µονάδες στο ίδιο πακέτο εκτέλεσης. Μία καθυστέρηση του ρολογιού εισάγεται όταν µία εντολή προσπαθεί να διαβάσει το περιεχόµενο ενός καταχωρητή µέσω του προαναφερθέντος διαύλου, εάν ο καταχωρητής ενηµερώθηκε εκ νέου στον προηγούµενο κύκλο του ρολογιού. Επιπλέον από τις εντολές σταθερής υποδιαστολής του TMS320C62x, η CPU του TMS320C64x χρησιµοποιεί τετραπλές 8-bit και διπλές 16-bit εντολές. Μπορεί έτσι

18 18 να διαχειρίζεται πακετοποιηµένα δεδοµένα σε σειριακή ροή, αυξάνοντας την αποτελεσµατικότητα του όλου συνόλου των εντολών. Ένα άλλο χαρακτηριστικό της CPU του TMS320C64x είναι η αρχιτεκτονική φόρτωσης/αποθήκευσης. Οι δύο λειτουργικές µονάδες για τη διεθυνσιοδότηση των δεδοµένων (.D1 και.d2) ευθύνονται για τη µεταφορά όλων των δεδοµένων µεταξύ των καταχωρητών και της µνήµης. Η διεύθυνση δεδοµένων που προκύπτει από έναν καταχωρητή, οδηγούµενη από τις.d µονάδες, χρησιµοποιείται για τη φόρτωση ή την αποθήκευση δεδοµένων προς ή από κάποιον άλλον καταχωρητή. Οι.D µονάδες φορτώνουν και αποθηκεύουν bytes (8 bits), µισές λέξεις (16 bits) και λέξεις (32 bits) µε µία µόνο εντολή, αλλά και διπλές λέξεις (64 bits) χρησιµοποιώντας τις νέες προεκτάσεις στους δίαυλους δεδοµένων. Επίσης οι εντολές µη σειριακής φόρτωσης και αποθήκευσης επιτρέπουν στις.d µονάδες να έχουν πρόσβαση σε λέξεις και διπλές λέξεις χωρίς κανέναν περιορισµό σε bytes. Η CPU του TMS320C64x υποστηρίζει ποικίλους τρόπους έµµεσης διευθυνσιοδότησης, χρησιµοποιώντας γραµµική ή κυκλική διευθυνσιοδότηση. Όλες οι εντολές λειτουργούν υπό συνθήκες και οι περισσότερες έχουν πρόσβαση σε κάθε έναν από τους 64 καταχωρητές. Ωστόσο µερικοί καταχωρητές υποστηρίζουν συγκεκριµένους τρόπους διευθυνσιοδότησης ή διατηρούν την κατάσταση για τις υπό συνθήκας εντολές ( εάν η συνθήκη δεν είναι αυτόµατα αληθής). Οι δύο.μ λειτουργικές µονάδες αναλαµβάνουν όλες τις λειτουργίες των πολλαπλασιασµών. Κάθε.Μ µονάδα µπορεί να κάνει δύο 16*16-bit πολλαπλασιασµούς ή τέσσερις 8*8-bit πολλαπλασιασµούς ανά κύκλο ρολογιού. Η.Μ µονάδα επιπλέον µπορεί να κάνει 16*32-bit πολλαπλασιασµούς, δηλαδή δύο 16*16-bit πολλαπλασιασµούς µε λειτουργίες πρόσθεσης/αφαίρεσης και τέσσερις 8*8-bit πολλαπλασιασµούς µε λειτουργίες πρόσθεσης. Επιπροσθέτως από τους συνήθεις πολλαπλασιαστές, οι.μ µονάδες του TMS320C64x περιλαµβάνουν υλικό για µέτρηση bit, περιστροφή, πολλαπλασιασµούς Galois πεδίου και µεταβαλλόµενη ολίσθηση διπλής κατεύθυνσης. Οι δύο.s και.l λειτουργικές µονάδες αναλαµβάνουν ένα σύνολο αριθµητικών, λογικών και διακλάδωσης λειτουργιών µε αποτελέσµατα διαθέσιµα σε κάθε κύκλο ρολογιού. Οι αριθµητικές και λογικές λειτουργίες στη CPU του TMS320C64x περιλαµβάνουν µία 32-bit, δύο 16-bit και τέσσερις 8-bit λειτουργίες. Η ροή της επεξεργασίας αρχίζει όταν ένα 256-bit πακέτο µεταφοράς εντολών µεταφέρεται από τη µνήµη του προγράµµατος. Οι 32-bit εντολές, που προορίζονται για τις ανεξάρτητες λειτουργικές µονάδες, συνδέονται τοποθετώντας τη λογική τιµή 1 στο ελάχιστα σηµαντικότερο bit (LSB) σε κάθε εντολή. Οι εντολές συνδέονται µε αυτό τον τρόπο, προκειµένου να εκτελεστούν ταυτόχρονα (έως και οκτώ εντολές), συνθέτοντας έτσι ένα πακέτο εκτέλεσης. Η λογική τιµή 0 στο LSB µιας εντολής «σπάει» αυτή τη σύνδεση και υποδηλώνει ότι η εντολή που την ακολουθεί ανήκει στο επόµενο πακέτο εκτέλεσης. Στους TMS320C62x/ TMS320C67x DSPs εάν ένα πακέτο εκτέλεσης ξεπεράσει τα όρια του 256 bits του πακέτου µεταφοράς, ο assembler το τοποθετεί στο επόµενο πακέτο µεταφοράς, ενώ τα εναποµείναντα bits από το παρόν πακέτο µεταφοράς συµπληρώνονται από τις κατάλληλες οδηγίες (ΝΟΡ). Στον TMS320C64x δεν υπάρχουν περιορισµοί για το µέγεθος του πακέτου εκτέλεσης, εξαλείφοντας την οποιαδήποτε ύπαρξη NOPs, µε συνέπεια τη γενικότερη µείωση του µέγεθους του κώδικα. Ο αριθµός των πακέτων εκτέλεσης

19 19 µέσα σε ένα πακέτο µεταφοράς ποικίλει από ένα έως οκτώ. Τα πακέτα εκτέλεσης αποστέλλονται στις κατάλληλες λειτουργικές µονάδες µε ρυθµό ενός ανά κύκλο του ρολογιού. Το εποµένο 256-bit πακέτο µεταφοράς δεν µεταφέρεται ωσότου όλα τα πακέτα εκτέλεσης από το παρόν πακέτο µεταφοράς έχουν αποσταλλεί. Μετά την αποκωδικοποίηση, οι εντολές οδηγούνται ταυτόχρονα σε όλες τις ενεργές λειτουργικές µονάδες µε απώτερο στόχο την επίτευξη του µέγιστου ορίου του ρυθµού εκτέλεσης των οκτώ εντολών ανά κύκλο ρολογιού. Τα περισσότερα αποτελέσµατα αποθηκεύονται στους 32-bit καταχωρητές, ενώ µπορούν και να µεταφερθούν διαδοχικά στη µνήµη ως bytes, µισές λέξεις ή διπλές λέξεις. Στο ακόλουθο σχήµα παρατίθεται το αναλυτικό διάγραµµα της CPU του TMS320C64x. Σχήµα 4 ιάγραµµα της CPU του TMS320C64x

20 20 5. Εφαρµογές Ακολούθως παρατίθενται αναλυτικά δύο τηλεπικοινωνιακές εφαρµογές που µπορούν να υλοποιηθούν στους DSPs της TEXAS INSTRUMENTS TMS320C6000,άρα και στους TMS320C64x. Ακολουθούν τρία block διαγράµµατα, όπου αναπαριστώνται τα γενικά σχεδιαγράµµατα τριών άλλων τηλεπικοινωνιακών εφαρµογών. 5.1 H Υλοποίηση του DES στον TMS320C Εισαγωγή στην Κρυπτογράφηση Η ασφάλεια στα τηλεπικοινωνιακά συστήµατα πληροφορίας και δεδοµένων αποτελεί πλέον ένα ζήτηµα µείζονος σηµασίας. Ιστορικά, την ανάγκη για ασφαλείς επικοινωνίες επιζητούσαν οι στρατιωτικές και διεθνείς υπηρεσίες. Πρόσφατα όµως η ανάγκη αυτή επεκτάθηκε στον επιχειρηµατικό και γενικότερα στον ιδιωτικό τοµέα. Επίσης η σωστή λειτουργία του ηλεκτρονικού εµπορίου απαιτεί την ύπαρξη ασφαλών επικοινωνιών µέσω του διαδικτύου. Ένας από τους βασικότερους τρόπους για την ασφάλεια των επικοινωνιών είναι η κρυπτογράφηση. Μέσω αυτής τα δεδοµένα µετασχηµατίζονται σε µία µη αναγνωρίσιµη µορφή και µόνο µε την αντίστροφη διαδικασία της αποκρυπτογράφησης επανέρχονται στην κανονική τους µορφή. Ένας από τους πιο διάσηµους και ευρέως διαδεδοµένους αλγόριθµους κρυπτογράφησης είναι ο DES (Data Encryption Standard) Ο Αλγόριθµος Κρυπτογράφησης DES Ο αλγόριθµος κρυπτογράφησης DES αναπτύχθηκε το 1974 από την IBM σε συνεργασία µε την NSA (National Security Agency). Αποτέλεσε ένα παγκόσµιο πρότυπο κρυπτογράφησης για περισσότερα από 20 χρόνια και έχει αντισταθεί αποτελεσµατικά σε πολλές µεθόδους κρυπτανάλυσης, γι αυτό και συνάντησε απήχηση σε πολλές εµπορικές εφαρµογές. Το βασικό του µειονέκτηµα είναι το µέγεθος του κλειδιού του, 56 bits. Αν και την εποχή της δηµιουργίας του το µέγεθος αυτό ήταν αρκετά µεγάλο, ωστόσο σήµερα δε διασφαλίζει την απόκρυψη της ταυτότητάς του από «επιθέσεις» προηγµένων υπολογιστικών συστηµάτων (βλέπε Πίνακα 2). Η ανάγκη για ισχυρότερη και ανθεκτικότερη κρυπτογράφηση των δεδοµένων είχε ως συνέπεια τη δηµιουργία του Τριπλού-DES. Ο Τριπλός-DES χρησιµοποιεί τρία διαφορετικά κλειδιά των 56 bits, που ισοδυναµούν µε ένα κλειδί των 168 bits. Τότε όµως ο αλγόριθµος πρέπει να εφαρµοστεί τρεις φορές, µία για κάθε κλειδί, τόσο στην κρυπτογράφηση όσο και στην αποκρυπτογράφηση. Έτσι προκύπτει ένα δεύτερο µειονέκτηµα του DES που αφορά την ταχύτητά του στον χρόνο εκτέλεσης. Γι αυτό προκειµένου να εξασφαλιστεί η αποτελεσµατικότητά του υλοποιείται ως επί το πλείστον σε υλικό (hardware) και όχι τόσο σε λογισµικό (software).

21 21 Τύπος «Επίθεσης» Προυπολογισµός Χρόνος Εύρεσης Κλειδού 40 bits Απλός $400 1 Hacker Εβδοµάδα Μικρή $ Επιχείρηση Λεπτά Μεσαία $ Επιχείρηση ευτερόλεπτα Μεγάλη $ Επιχείρηση ευτερόλεπτα Μυστικές $ Υπηρεσίες ευτερόλεπτα Χρόνος Εύρεσης Κλειδού 50 bits Αδύνατον 556 Ηµέρες 3 Ώρες 6 Λεπτά 12 ευτερόλεπτα Πίνακας 2 Μήκος Κλειδιού Εναντίον Προηγµένων Υπολογιστικών Συστηµάτων Ο DES ανήκει στην κατηγορία των block αλγορίθµων και όχι στους αλγόριθµους ροής. Οι block αλγόριθµοι διαχωρίζουν τα δεδοµένα σε blocks και κρυπτογραφούν κάθε block ξεχωριστά, ενώ οι αλγόριθµοι ροής επενεργούν στα δεδοµένα σε ένα bit κάθε φορά αλλά συνεχόµενα, σαν µια συνεχοµένη ακολουθία. Ο DES διαχωρίζει τα δεδοµένα σε blocks των 64 bits και κρυπτογραφώντας το κάθε block παράγει το αντίστοιχο κρυπτογραφηµένο block µε µήκος πάλι 64 bits. α β Σχήµα 5 Κατηγορίες Αλγορίθµων Κρυπτογράφησης : α) Block Αλγόριθµοι, β) Αλγόριθµοι Ροής Η πιο απλή υλοποίηση ένος block αλγορίθµου είναι ο διαχωρισµός των δεδοµένων σε διαδοχικά block, η κρυπτογράφηση κάθε block ξεχωριστά και η διαδοχική οµαδοποίηση των κρυπτογραφηµένων block ώστε να προκύψει η συνολική κρυπτογραφηµένη έξοδος. Ο τρόπος αυτός λειτουργίας ονοµάζεται ECB (Electronic Code Book). Το βασικό χαρακτηριστικό της είναι ότι από ίδια block δεδοµένων προκύπτουν ίδια κρυπτογραφηµένα block, γεγονός που είναι ανεπιθύµητο για ορισµένες εφαρµογές. Ένα άλλο είδος λειτουργίας εισάγει ένα είδος ανάδρασης µεταξύ των blocks, τροφοδοτώντας την κρυπτογράφηση κάθε block µε τα αποτελέσµατα της

22 22 κρυπτογράφησης του προηγούµενου block. To πρώτο block της ανάδρασης είναι ένα τυχαίο block που ονοµάζεται διάνυσµα αρχικοποίησης. Έτσι κάθε κρυπτογραφηµένο block δεν εξαρτάται µόνο από το αντίστοιχο αρχικό block, αλλά και από τα προηγούµενα συµπεριλαµβανοµένου και του διανύσµατος αρχικοποίησης. Με αυτό τον τρόπο ίδια block δεδοµένων κρυπτογραφούνται το ίδιο µόνο εάν τα προηγούµενα block τους είναι ίδια, καθώς και τα αντίστοιχα διανύσµατα αρχικοποίησης. Ο τρόπος αυτός λειτουργίας ονοµάζεται CBC (Cipher Block Chaining). Υπάρχούν και άλλοι δύο κοινοί τρόποι λειτουργίας, ο OFB (Output Feed Back) και ο CFB (Cipher Feed Back) που κατά κάποιο τρόπο µετατρέπει έµµεσα έναν block αλγόριθµο σε έναν αλγόριθµο ροής, όπως αναπαριστάται στο ακόλουθο σχήµα. α β γ δ Σχήµα 6 Τρόποι Λειτουργίας των Block Αλγορίθµων : α) ECB, β) CBC, γ) OFB, δ) CFB Ο αλγόριθµος DES βασίζεται στις τεχνικές κρυπτογράφησης της αντικατάστασης και της µετάθεσης των δεδοµένων, που τα αποτελέσµατα και των δύο εξαρτώνται πάντα από την τιµή του εκάστοτε κλειδιού που χρησιµοποιείται. Όσον αφορά τον αλγόριθµο συγκεκριµένα τµήµατα των δεδοµένων και του κλειδιού επεξεργάζονται µαθηµατικά και κατόπιν χρησιµοποιούνται ως είσοδοι σε συγκριτικούς πίνακες (look-up tables). Οι συγκριτικοί πίνακες για την αντικατάσταση ονοµάζονται S- boxes και για τη µετάθεση P-boxes. Λογισµικά αυτοί οι συγκριτικοί πίνακες θεωρούνται απλοί πίνακες, όπου τα δεδοµένα και το κλειδί χρησιµοποιούνται ως ένας είδος δεικτών για τους πίνακες αυτούς. Προκειµένου να υπολογιστούν οι είσοδοι στα S-boxes και στα P-boxes, τµήµα των δεδοµένων υποβάλλεται στη λογική πράξη XOR µε ένα τµήµα του κλειδιού. Συγκεκριµένα χρησιµοποιείται το ένα ήµισυ των 32 bits από τα συνολικά 64 bits του block των δεδοµένων και τα 56 bits του κλειδιού. Επειδή το κλειδί είναι µεγαλύτερο από το ήµισυ των 32 bits των δεδοµένων, τότε το τελευταίο υποβάλλεται πρωτίστως σε µία διαδικασία επέκτασης και µετάθεσης, όπου αναδιαµορφώνεται η σειρά των

23 23 bits επαναλαµβάνοντας ορισµένα από αυτά, προκειµένου να προκύψει µια οµάδα των 48 bits. Αντίστοιχα το κλεδί των 56 bits υποβάλλεται σε µια διαδικασία συµπίεσης και µετάθεσης, όπου αναδιαµορφώνεται η σειρά των bits αφαιρώντας ορισµένα από αυτά, προκειµένου να προκύψει µια αντίστοιχη οµάδα των 48 bits. Οι διαδικασίες αυτές µαζί µε τις αντίστοιχες της αντικατάστασης µε τα S-boxes και της µετάθεσης µε τα P-boxes συνιστούν έναν απλό επαναληπτικό γύρο του DES. α β Σχήµα 7 α) Ο Αλγόριθµος DES, β) Ο Απλός Επαναληπτικός Γύρος του DES Η συνολική διαδικασία της αντικατάστασης µε τα S-boxes και της µετάθεσης µε τα P-boxes επαναλαµβάνεται 16 φορές, δηµιουργώντας έτσι τους 16 επαναληπτικούς γύρους του DES. Υπάρχουν επίσης και διαδικασίες αρχικής και τελικής µετάθεσης, οι οποίες όµως δεν συνεισφέρουν ουσιαστικά στην ανθεκτικότερη κρυπτογράφηση των δεδοµένων. Γι αυτό και πολλές φορές παραλείπονται από ορισµένες υλοποιήσεις, παραµένοντας όµως ωστόσο ένα αναπόσπαστο ιστορικό κοµµάτι της τεχνικής ανάλυσης του DES H Υλοποίηση του DES στον TMS320C6000 Η TEXAS INSTRUMENTS έχει µελετήσει επισταµένως την υλοποίηση του DES στη γενιά των επεξεργαστών της TMS320C6000. Η σειρά αυτή αποδίδει πολύ ικανοποιητικά αποτελέσµατα στην εφαρµογή πολυκαναλικών τηλεπικοινωνιακών εφαρµογών, γι αυτό και ο DES µπορεί να υλοποιηθεί σε ένα και µοναδικό ολοκληρωµένο, προσφέροντας οικονοµία σε κόστος, κατανάλωση ισχύος και χώρο στην ηλεκτρονική πλακέτα. Είναι επίσης εφικτός ο επαναπρογραµµατισµός του ολοκληρωµένου σε περίπτωση αναβάθµισης του αλγόριθµου. Αν και συνίσταται ο DES να υλοποιείται σε υλικό (hardware) και όχι σε λογισµικό για καλύτερη αποτελεσµατικότητα του αλγορίθµου, ωστόσο η υλοποιήσή του σε DSP TMS320C6000 επιτυγχάνει πολύ εντυπωσιακές επιδόσεις σε ρυθµούς κρυπτογράφησης δεδοµένων, ακόµα και για τον Τριπλό-DES.

24 24 Ακολούθως αναλύεται µία υλοποίηση του DES για την πλατφόρµα των DSPs TMS320C6000 χρησιµοποιώντας κώδικα C από µια βιβλιοθήκη κρυπτογράφησης που δηµιουργήθηκε από τον Eric Young. Ο κώδικας αυτός βελτιστοποιήθηκε (χωρίς τη χρήση assembly κώδικα) χρησιµοποιώντας την ανάδραση από τον µεταγλωττιστή βελτιστοποίησης της C (Optimizing C Compiler) της TEXAS INSTRUMENTS. Στον παρακάτω κώδικα παρουσιάζεται η ανάδραση από τον Optimizing C Compiler για την βασική συνάρτηση του DES (des_encrypt_core() function). Ο trip count είναι ο αριθµός των επαναλήψεων του βρόγχου και επειδή για τον DES ο βασικός του βρόγχος επαναλαµβάνεται 16 φορές, τότε τόσο ο Known Minimum Trip Count όσο και ο Known Maximum Trip Count είναι 16. ;* SOFTWARE PIPELINE INFORMATION ;* ;* Known Minimum Trip Count : 16 ;* Known Maximum Trip Count : 16 ;* Known Max Trip Count Factor : 16 ;* Loop Carried Dependency Bound (^) : 15 ;* Unpartitioned Resource Bound : 6 ;* Partitioned Resource Bound (*) : 7 ;* Resource Partition : ;* A-side B-side ;*.L units 0 0 ;*.S units 5 6 ;*.D units 6 4 ;*.M units 0 0 ;*.X cross paths 1 4 ;*.T address paths 6 4 ;* Long read paths 0 0 ;* Long write paths 0 0 ;* Logical ops (.LS) 6 7 (.L or.s unit) ;* Addition ops (.LSD) 1 1 (.L or.s or.d unit) ;* Bound (.L.S.LS) 6 7* ;* Bound (.L.S.D.LS.LSD) 6 6 ;* ;* Searching for software pipeline schedule at ;* ii = 15 Did not find schedule ;* ii = 16 Schedule found with 1 iteration in parallel ;* Done ;* Κώδικας 1 Ανάδραση Compiler για τον Αλγόριθµο DES, 1 Κανάλι Το Loop Carried Dependency Bound αντιπροσωπεύει το µέγιστο loop carry path. Ένα loop carry path συµβαίνει όταν σε µία επανάληψη του βρόγχου αποθηκεύεται µία τιµή, η οποία πρέπει να διαβαστεί σε µία µελλοντική επανάληψη. Στον αλγόριθµο DES το block των 64 bits χωρίζεται σε δύο µεταβλητές των 32 bits, την l (left) και την r (right). Και οι δυο τους µετασχηµατίζονται σε κάθε επανάληψη

25 25 του βρόγχου, συνεπώς όλες οι διαδικασίες στις οποίες υποβάλλονται σε µία επανάληψη πρέπει να ολοκληρωθούν πριν αρχίσει η επόµενη επανάληψη. H r µεταβλητή έχει µεγαλύτερο loop carry path και εποµένως καθορίζει την τιµή του Loop Carried Dependency Bound να είναι 15. Αυτό άλλωστε είναι εµφανές και στο σχήµα 8, όπου αναπαριστώνται οι εντολές του αρχικού κώδικα C για το βρόγχο του αλγόριθµου DES. Σχήµα 8 Loop Carry Path για τον DES Αλγόριθµο Η τιµή του Loop Carried Dependency Bound περιορίζει την απόδοση του συστήµατος. Το Unpartitioned Resource Bound και το Partitioned Resource Bound υποδεικνύουν τον ελάχιστο αριθµό κύκλων µηχανής που απαιτούνται για την εκτέλεση του βρόγχου, λαµβάνοντας υπ όψιν τους πόρους του ολοκληρωµένου. Το Unpartitioned Resource Bound µετριέται πριν τον διαχωρισµό των µεταβλητών στους καταχωρητές και πριν τον διαχωρισµό των διαδικασιών στις λειτουργικές µονάδες.l,.s,.d,.m. Η τιµή 7 του Partitioned Resource Bound υποδηλώνει ότι ο TMS320C6000 έχει τους πόρους να εκτελέσει τις 36 assembly εντολές του βρόγχου σε 7 κύκλους µηχανής. Αυτό σηµαίνει ότι χωρίς την ύπαρξη του Loop Carried Dependency Bound, ο Compiler θα προσπαθούσε να δηµιουργήσει ένα σχεδιάγραµµα του βρόγχου που να εκτελείται σε 7 κύκλους µηχανής, ενώ τώρα προσπαθεί για 15 και τελικά καταλήγει σε 16 κύκλους µηχανής για κάθε επανάληψη του βρόγχου.

26 26 Στην ουσία το loop carry path µειώνει την απόδοση του συστήµατος, γιατί δεν εκµεταλλεύεται πλήρως τους υπολογιστικούς πόρους του πυρήνα του TMS320C6000, ο οποίος δύναται να εκτελέσει έως και 8 λειτουργίες ανά κύκλο µηχανής. Γι αυτό και τροποποιήθηκε ο κώδικας C, ώστε να κρυπτογραφεί τρία block των 64 bits παράλληλα, αποδίδοντας έτσι ιδιότητες πολυκαναλικής εφαρµογής στη συγκεκριµένη υλοποίηση του DES. Το loop carry path για κάθε block εξακολουθεί να είναι 15, αλλά επειδή κάθε block κρυπτογραφείται ανεξάρτητα, τα αντίστοιχα loop carry path είναι ανεξάρτητα, µε αποτέλεσµα το συνολικό loop carry path για τις τρεις παράλληλες κρυπτογραφήσεις να είναι 15. ;* SOFTWARE PIPELINE INFORMATION ;* ;* Known Minimum Trip Count : 16 ;* Known Maximum Trip Count : 16 ;* Known Max Trip Count Factor : 16 ;* Loop Carried Dependency Bound (^) : 15 ;* Unpartitioned Resource Bound : 17 ;* Partitioned Resource Bound (*) : 18 ;* Resource Partition : ;* A-side B-side ;*.L units 0 0 ;*.S units ;*.D units ;*.M units 0 0 ;*.X cross paths 8 8 ;*.T address paths ;* Long read paths 0 0 ;* Long write paths 0 0 ;* Logical ops (.LS) (.L or.s unit) ;* Addition ops (.LSD) 2 1 (.L or.s or.d unit) ;* Bound (.L.S.LS) 18* 17 ;* Bound (.L.S.D.LS.LSD) 18* 17 ;* ;* Searching for software pipeline schedule at ;* ii = 18 Did not find schedule ;* ii = 19 Did not find schedule ;* ii = 20 Did not find schedule ;* ii = 21 Schedule found with 3 iterations in parallel ;* Done ;* Κώδικας 2 Ανάδραση Compiler για τον Αλγόριθµο DES, 3 Κανάλια Στον παραπάνω κώδικα παρουσιάζεται η ανάδραση από τον Optimizing C Compiler για τον τροποποιηµένο κώδικα C. Παρατηρούµε ότι το Known Minimum Trip Count, το Known Maximum Trip Count και το Known Max Trip Count Factor εξακολουθούν να έχουν τιµή 16. Επίσης και η τιµή του Loop Carried Dependency Bound παραµένει αµετάβλητη στους 15 κύκλους. Ωστόσο επειδή κρυπτογραφούνται τρία block αντί για ένα, η τιµή του Unpartitioned Resource Bound σχεδόν

27 27 τριαπλασιάστηκε από 6 σε 17. Αυτό είναι λογικό, αφού απαιτούνται τριπλάσιες εντολές για το βρόγχο, οπότε απαιτούνται και τριπλάσιοι πόροι του ολοκληρωµένου. Έτσι τώρα πραγµατοποιεί τις διαδικασίες κρυπτογράφησης τριών block των 64 bits για κάθε επανάληψη του βρόγχου σε 21 κύκλους µηχανής, δηλαδή 7 κύκλοι µηχανής ανά επανάληψη βρόγχου ανά block και όχι 16 κύκλοι µηχανής ανά επανάληψη βρόγχου ανά block όπως προηγουµένως. Έτσι η απόδοση του συστήµατος αυξήθηκε περισσότερο και από το διπλάσιο. Εξετάζοντας την υπόλοιπη λεπτόµερη ανάλυση των πόρων, διαπιστώνουµε ότι σε κάθε επανάληψη του βρόγχου 31 εντολές εκτελούνται στις.s µονάδες, 30 εντολές εκτελούνται στις.d µονάδες, 39 εντολές εκτελούνται είται στις.l µονάδες είτε στις.s µονάδες και 3 εντολές εκτελούνται είτε στις.l µονάδες είτε στις.s µονάδες είτε στις.d µονάδες. Από τις πληροφορίες αυτές ο Compiler υπολογίζει τα όρια των πόρων.l.s.ls ( Bound (.L.S.LS) ) και τα όρια των πόρων.l.s.d.ls.lsd (Bound (.L.S.D.LS.LSD) ). Και τα δύο όρια έχουν τιµές 18 για την A πλευρά του πυρήνα του DSP και 17 για τη Β πλευρά. Οι.Μ µονάδες δεν χρησιµοποιούνται ούτε µια φορά, γιατί εκτελούν µόνο πολλαπλασιασµούς και ο αλγόριθµος DES δεν απαιτεί καµιά τέτοια πράξη.

28 Υλοποίηση Πολυκαναλικών Αλγορίθµων στον TMS320C Εισαγωγή Οι εφαρµογές πολυκαναλικών αλγορίθµων συνήθως απαιτούν τα εξής : Ένας DSP αλγόριθµος εφαρµόζεται σε πολλαπλά κανάλια Η ποικιλία των αλγορίθµων και των καναλιών στα οποία εφαρµόζονται µπορεί να αλλάξει κατά τη διάρκεια εκτέλεσης (run-time) Προκειµένου να ικανοποιηθεί η πρώτη απαίτηση, κάθε αλγόριθµος ξεχωριστά θα πρέπει να είναι επανεισερχόµενος, δηλαδή το πρόγραµµα του αλγόριθµου θα µπορεί να εισέλθει επανειληµµένως ή προτού ολοκληρωθούν προηγούµενες εκτελέσεις του, ενώ κάθε εκτέλεση του προγράµµατος θα πρέπει να είναι ανεξάρτητη από τις υπόλοιπες. Προκειµένου να ικανοποιηθεί η δεύτερη απαίτηση για την πολυκαναλική υλοποίηση ενός DSP αλγορίθµου, θα πρέπει όλο το πρόγραµµα και τα δεδοµένα να είναι πλήρως επανατοποθετήσιµα Βασικές Απαιτήσεις για Πολυκαναλική Υλοποίηση Επανεισερχόµενο Πρόγραµµα Γενικά υπάρχουν δύο είδη µεταβλητών σε ένα πρόγραµµα : Μεταβλητές µε «τοπική» διάρκεια ζωής (local lifetime) Μεταβλητές µε «γενική» διάρκεια ζωής (global lifetime) Μεταβλητές µε τοπική διάρκεια ζωής, όπως οι αυτόµατες µεταβλητές και οι µεταβλητές καταχωρητών, διαθέτουν καινούριο χώρο µνήµης µόνο όταν ο έλεγχος της εκτέλεσης του προγράµµατος περάσει στο block µέσα στο οποίο ορίζονται. Όταν η εκτέλεση φύγει από το block, οι µεταβλητές δεν έχουν πλέον τιµές. Αντιθέτως µεταβλητές µε γενική διάρκεια ζωής, όπως οι στατικές και οι γενικές µεταβλητές, διάθετουν χώρο µνήµης από την αρχή του προγράµµατος και τον αποδεσµεύουν µόνο όταν το πρόγραµµα τελειώσει. Όλες οι µεταβλητές µε γενική διάρκεια ζωής πρέπει να είναι σταθερές, προκειµένου να είναι ένα πρόγραµµα επανεισερχόµενο. Στο παράδειγµα του παρακάτω κώδικα, που αναφέρεται σε ένα IIR φίλτρο, οι i και result είναι αυτόµατες µεταβλητές µε τοπική διάρκεια ζωής και διαθέτουν χώρο στη µνήµη κάθε φορά που εκτελείται µόνο η συνάρτηση iir() και τον αποδεσµεύουν µόλις τελειώσει η εκτέλεση της συνάρτησης. Οι µεταβλητές q και state είναι στατικές µε γενική διάρκεια ζωής, µε τη διαφορά ότι η q έχει σταθερή τιµή, ενώ η state µεταβαλλόµενη. Συνεπώς η συνάρτηση iir() δεν µπορεί να είναι επανεισερχόµενη.

29 29 #define ORDER 2 const static float q[order] = { 0.9, -0.2 ; static float state[order] = { 0.0,0.0 ; float iir(float in) { int i; float result = in; /* iir filtering */ for(i = 0; i < ORDER; i++){ result += q[i] * state[i]; /* update filter state */ for( i = 0; i < (ORDER-1); i++){ state[i+1] = state[i]; state[0] = result; return result; Κώδικας 3 Μη Επανεισερχόµενη Συνάρτηση IIR Φίλτρου Υποθέτωντας ότι το IIR φίλτρο εφαρµόζεται σε δύο κανάλια, θα είχαµε τον παρακάτω κώδικα : void main() { volatle int data_available = 1; float in1, in2, out1, out2; while(data_available) { /* Get input from channel 1 */ in1 = GetIn1(); /* iir filtering */ out1 = iir(in1); /*send output to channel 1 */ sendout1(out1); /* Get input from channel 2 */ in2 = GetIn2(); /* iir filtering */ out2 = iir(in2); /*send output to channel 2 */ sendout1(out2); Κώδικας 4 Βασική Συνάρτηση που Καλεί την Μη Επανεισερχόµενη Συνάρτηση IIR Φίλτρου

30 30 Ο κώδικας αυτός δεν λειτουργεί σωστά, γιατί η συνάρτηση του IIR φίλτρου δεν είναι επανεισερχόµενη. Αυτό οφείλεται στην ύπαρξη της µη σταθερής, στατικής µεταβλητής state, γιατί κάθε φορά που εκτελείται η συνάρτηση iir() η προαναφερθείσα µεταβλητή τροποποιείται. Κανονικά όταν ένα IIR φίλτρο εφαρµόζεται σε διαφορετικά κανάλια σήµατος, κάθε κάναλι οφείλει να διατηρεί τη δικιά του µνήµη κατάστασης φίλτρου. Στον παραπάνω κώδικα όµως η µνήµη της κατάστασης του φίλτρου ανήκει στη συνάρτηση iir() και µοιράζεται σε όλα τα κανάλια. Προκειµένου να γίνει το πρόγραµµα επανεισερχόµενο, η iir() συνάρτηση τροποποιείται, καθώς και η βασική συνάρτηση αντίστοιχα. #include <stdlib.h> #define ORDER 2 const static float q[order] = { 0.9, -0.2 ; float* new_iir(){ return (float *)calloc(sizeof(float), ORDER); void delete_iir(float state[]){ free(state); float iir(float state[], float in){ int i; float result = in; /* iir filtering */ for(i = 0; i < ORDER; i++){ result += q[i] * state[i]; /* update filter state */ for( i = 0; i < (ORDER-1); i++){ state[i+1] = state[i]; state[0] = result; return result; Κώδικας 5 Τροποποιηµένη Επανεισερχόµενη Συνάρτηση IIR Φίλτρου Είναι εµφανής η διαπίστωση ότι έχουν προστεθεί δύο νέες συναρτήσεις για να συµπληρώσουν την iir() συνάρτηση : η new_iir() συνάρτηση και η delete_iir() συνάρτηση, οι οποίες χρησιµοποιούνται για να δεσµεύουν και να αποδεσµεύουν µνήµη για την κατάσταση του φίλτρου για κάθε κανάλι. Η στατική µεταβλητή state δεν υφίσταται πλέον. Αυτή η ανυπαρξία µη σταθερών µεταβλητών µε γενική διάρκεια ζωής κάνει το πρόγραµµα επανεισερχόµενο. Η βασική συνάρτηση έχει τροποποιηθεί αναλόγως και µπορεί να εφαρµοστεί σωστά σε δύο ανεξάρτητα κανάλια σήµατος ταυτόχρονα.

31 31 void main() { float in1, in2, out1, out2; float *state1, *state2; volatile int data_available = 1; /* create iir filter for channel 1*/ state1 = new_iir(); state2 = new_iir(); while(data_available) { /* Get input from channel 1 */ in1 = GetIn1(); /* iir filtering */ out1 = iir(state1, in1); /*send output to channel 1 */ sendout1(out1); /* Get input from channel 2 */ in2 = GetIn2(); /* iir filtering */ out2 = iir(state2, in2); /*send output to channel 2 */ sendout1(out2); delete_iir(state1); delete_iir(state2); Κώδικας 6 Τροποποιηµένη Βασική Συνάρτηση που Καλεί την Επανεισερχόµενη Συνάρτηση IIR Φίλτρου