Επιτάχυνση αλγορίθμων FIR φίλτρων με χρήση υλικού σε ενσωματωμένο σύστημα σε προγραμματιζόμενη συσκευή

Abstract

Η παρούσα εργασία, έχει ως αντικείμενο την ανάπτυξη ενός συστήματος SoPC, με σκοπό την βελτίωση της απόδοσης, από πλευράς χρόνου, ενός ψηφιακού φίλτρου πεπερασμένης κρουστικής απόκρισης. Ένας επεξεργαστής ειδικού σκοπού σχεδιάζεται είτε για μία εφαρμογή είτε για σύνολο εφαρμογών με κοινά χαρακτηριστικά. Η επιτυχία στο σχεδιασμό του έγκειται στη βέλτιστη εκμετάλλευση των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των εφαρμογών ώστε να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις σε ταχύτητα, επιφάνεια, και κατανάλωση ισχύος. Το σύστημα στηρίζεται στο επεξεργαστή NIOS II της ALTERA και στους πυρήνες υλικού που μας παρέχονται από αυτήν. Κρίθηκε χρήσιμο να αναφερθούν οι θεμελιώδεις μαθηματικές αρχές της ψηφιακής επεξεργασίας σήματος. Για μια ρεαλιστική προσέγγιση, χρησιμοποιήθηκε το λειτουργικό σύστημα πραγματικού χρόνου FreeRTOS, πάνω στο οποίο τρέχουν όλες οι διεργασίες υλοποίησης των αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας σήματος, όσο και οι διεργασίες που χρησιμοποιούνται για την απεικόνιση των μετρήσεων σε οθόνη και τον έλεγχο ορθότητας λειτουργίας του συστήματος. Στο στάδιο υλοποίησης του υλικού του συστήματος παρουσιάζεται αναλυτικά η διαδικασία σχεδίασης του επιταχυντή και ο τρόπος εισαγωγής των ειδικών εντολών, καθώς και τα αποτελέσματα βελτίωσης που επιτυγχάνουμε από τις παραπάνω προσεγγίσεις. Στόχοι της εργασίας είναι: η σημαντική επιτάχυνση εκτέλεσης αλγορίθμου ψηφιακού φίλτρου πεπερασμένης κρουστικής απόκρισης, 40 περίπου φορές με χρήση επιταχυντή υλικού, και 100 φορές με χρήση ειδικής εντολής που ενσωματώνεται στο ρεπερτόριο εντολών του επεξεργαστή NIOS II, η διερεύνηση του τρόπου ανάπτυξης λογισμικού με χρήση λειτουργικού συστήματος πραγματικού χρόνου για τον επεξεργαστή ΝΙΟS II και η παρουσίαση μεθοδολογίας για την ανάπτυξη άλλων αντίστοιχων συστημάτων που απαιτούν επιτάχυνση του χρόνου εκτέλεσης. Προκειμένου την πρακτική εφαρμοστικότητα της μεθοδολογίας εισήχθησαν τόσο ηχητικά όσο και αριθμητικά δεδομένα.