The Evolution and Architecture of Texas Instruments TMS320 DSP Processors

وقد حولت أجهزة تجهيز الإشارات الرقمية كيفية التعامل مع النظم الإلكترونية مع إشارات قياسية في العالم الحقيقي، ومن بين أكثر الأسر تأثيرا في هذا المجال سلسلة أجهزة تكساس TMS320 التي بدأ العمل بها في أوائل الثمانينات، وأصبح خط TMS320 سريعا معيارا للارتقاء بالمستوى العالي، وتجهيز الإشارات في الوقت الحقيقي، مما أدى إلى توليد كل شيء من النماذج المبكرة إلى أجهزة التحكم الصناعية الحديثة.

وقد شملت هذه الدراسة الاستقصائية الثلاثة لعام 2010 التي بدأت في عام 1983 هيكلاً ثابتاً من 16 مبتغاً، ونفذت في غضون ذلك 5 ملايين تعليمات في الثانية، وعلى مدى العقود التالية، أدخلت صكوك تكساس أجيال متتالية - نظام هارفار للتثقيف من خلال نظامي الذاكرة 320C2x وجيم3 وجيم-4 وجيم-5كس وجيم-6x، وسلسلة من C6000-5000 أحدث، مما أدى إلى تحسين كبير في سرعة استخدام الذاكرة،

وتشمل السمات المعمارية الرئيسية المشتركة بين نظام إدارة الدعم التقني 320 نظاماً فرعياً:

  • Multiple arithmetic logical units (ALUs) and multiplier-accumulators (MACs)) that can perform multiply-accumulate operations in a single cycle-ideal for digital filters.
  • Hardware ringing and zero-overhead branching] to execute repetitive signal- processing kernels without cycle penalties.
  • On-chip memory (SRAM or cache)] with wide data buses, often configurable as program or data memory to match application needs.
  • Dedicated direct memory access (DMA) controllers] that can transfer data between peripherals and memory independently of the CPU core.
  • Advanced peripheral sets] including multi-channel series interfaces, timers, pulse-width modulators (PWMs), and analog-to-digital converters (ADCs).

كما أن صكوك تكساس قد قسمت أسرة TMS320 إلى نقطة ثابتة (مثل C54x و C55x و C64x) ونقطة العائمة (مثلاً، C33x و C67x) المتغيرات، وأجهزة التوازن الثابتة هي عموماً أكثر كفاءة من حيث الطاقة والتكاليف، بينما توفر أجهزة نقاط العائمة نطاقاً دينامياً أكبر وبرمجة أسهل للمتغيرات المعقدة مثل التكييف المزدوج.

القدرات الرئيسية ومقاييس الأداء

ويُعرّف نظام إدارة الدعم الميداني 320 نظاماً فرعياً متعدداً من مقاييس الأداء، وهي أكثر ما يُستشهد به في نظم التجهيز المتعدد الأطراف، ولكن بالنسبة لتجهيز الإشارات، فإن معدل التراكم المتعدد الأطراف في المادة (متراكمة محلياً) في الثانية أكثر وضوحاً، وعلى سبيل المثال، يمكن أن يصل إلى 000 366 مليون وحدة من وحدات الدعم التقني البالغ عددها 320C6748.

وكفاءـة الطاقة علامة أخرى، فقد صُممت سلسلة TMS320C55x، على سبيل المثال، خصيصاً للأجهزة المحمولة ذات الطاقة البطارية، بحيث لا تستهلك إلا نسبة 0.05 ميغاواط لكل جهاز من أجهزة إدارة الطاقة الكهربائية ذات السرعة المنخفضة، كما أن الأجهزة الحديثة مثل نظام TMS320F2879D، وهو جهاز ثنائي أساسي من أجهزة التحكم في الطاقة الكهربائية يضم قدرات نظام إدارة العمليات، يدمج في نظام مراقبة التأثيرات العالية مع وحدة أمن متقدمة.

تطوير البرامجيات والنظم الإيكولوجية

وتوفر أدوات تكساس نظاماً بيئياً غنياً لتطوير البرامجيات لأسرة TMS320، وهي الأداة الرئيسية هي استوديو الكومبيوتر، وهو بيئة إنمائية متكاملة تستند إلى نظام " إكليبسي " ، كما تقدم الدائرة الدعم للبرمجة جيم وجيم+، وكذلك لغة التجميع للروتينات الحرجة للأداء، وتشمل مجموعة مجمِّعة على النحو الأمثل تُحدِّد تلقائياً التعليمات الخاصة بخطوط التر المُسُعُ، وهي متزامنة.

For algorithm development, the Signal Processing Library (SPLib) and the DSP and Math Libraries provide pre-optimized functions for FFTs, FIR/IIR filters, specito operations, and convolution

ومن بين نقاط القوة في خط TMS320 توافر الدعم اللغوي الرفيع المستوى، ويمكن كتابة العديد من الخوارزميات بالكامل في C دون التضحية بالأداء، وذلك بفضل قدرة المجمع على استغلال التوازي على مستوى التعليم، ولأكثر المهام المطلوبة، تتيح الوظائف الأساسية الوصول المباشر إلى المعدات المتعددة التراكمات، وعملية SIMD (التعليم المكثف، والتعددية) دون الحصول على خدمات التطوير.

Diverse Applications Across Industries

وقد أدت صلاحية مجهزي TMS320 إلى اعتمادها في مجموعة واسعة من الميادين، فيما يلي نظرة موسعة لمجالات التطبيق الرئيسية.

الاتصالات السلكية واللاسلكية والهياكل الأساسية اللاسلكية

ومن أوائل محطات قاعدية من طراز TG إلى أجهزة راديو حديثة من طراز 5G، كان نظام TMS320 DSP هو المحرك الحسابي للاتصالات اللاسلكية، وقدرتها على التعامل مع مخططات العزل المعقدة (QAM, OFDM)، والتكافؤ في القنوات، ورموز تصحيح الأخطاء في الوقت الحقيقي، وهي ضرورية.

كما تعتمد نماذج الاتصالات الساتلية على TMS320 DSPs لتوليف الموجات وخفضها بأسعار رمزية عالية، فالبطاقة المحددة للمعالج تجعلها مثالية لثغرات التحكم في صفائف الهوائيات التكييفية ونظم التضليل، وفي الاتصالات اللاسلكية، تظهر TMS320 في VDSL و G.fast modems، مناولة خط المشتركين الرقمي (DSL)

تجهيز المواد السمعية والصوت

أجهزة التصوير بالأشعة تحت الحمراء تستخدم في تركيبات رقمية مهنية حيث تتطلب آلاف القنوات المتساوية في الوقت الحقيقي، و معالجة الديناميات، والآثار، وفي المنتجات الاستهلاكية، يستعملون أجهزة التحكم بالبطارية، وأجهزة استقبال أجهزة الترددات الصوتية، وأجهزة التصوير بالبطارية، وتصويب الغرف، وتستخدم أجهزة الإلغاء الصوتي ذات الترددات العالية(20)

The echo cancellation] algorithm is a traditional TMS320 showcase: it requires a series of FIR filters and a least-mean-squares adaptation cycle at sampling rates of 8 kHz to 48 kHz. Fixed-point TMS320 processors can implement a high-quality acoustic repealler with

التصوير الطبي والمعدات التشخيصية

وتحتاج الأجهزة الطبية إلى درجة عالية من الموثوقية، وإلى أداء في الوقت الحقيقي، وإلى شهادات تنظيمية صارمة في كثير من الأحيان.() وتوجد هذه الأجهزة في أجهزة محمولة للأشعة فوق الصوتية، حيث تقوم بعملية فحص للأشعة وإعادة الصور من بيانات مترجمين خام، ويمكن أيضاً لأجهزة الفرز الصوتي (CLT:0) S320C6678 ، مع وجود 8 أجهزة تصوير مغنطيسية و 160 جهازاً للأشعة مقطعية

وتعتمد المعدات التشخيصية مثل نظم رصد المرضى على نظام TMS320 DSPs لتصوير القلب الكهرومغناطيسي، والتصوير الإلكترونسيفالغرامي للأجهزة الكهربائية - معالجة الضوضاء، وكشف الرهينثيما، وضغط البيانات اللازمة للبث اللاسلكي، وتوفر أدوات تكساس تصميمات مرجعية للرتب الطبية، ووثائق ملائمة لمؤسسة التنمية الحرجية من أجل التعجيل بالتنمية في هذا المجال المنظم.

الأجهزة الإلكترونية للتأهيل الصناعي والكهرباء

وتسود سلسلة TMS320C2000، التي تُسوَّق أيضاً بوصفها أسر ديلفينو وبيكولو، بشكل خاص في مجال الرقابة الصناعية، وتجمع هذه الأجهزة بين القدرات الحسابية لنظام إدارة الدعم الميداني وبين سمات المتحكمات الدقيقة مثل أجهزة التوقيت، والمركبات العضوية الثابتة، وأجهزة تحديد المواقع، وهي تعمل على نحو مثالي للتحكم في السيارات (BLDC، وPMSM، وServo)، ولوازم الطاقة الرقمية، وأجهزة البرمجيات الطاقة الشمسية، وأجهزة التحكم في الوقت نفسه)(28).

وفي مجال الروبوتات، يقوم مجهزو نظام TMS320 بدورات الكينمات العكسية، ودمج أجهزة الاستشعار من أجهزة الترميز ووحدات القياس غير النظامي، والتخطيط للمسارات في الوقت الحقيقي، ويكفل التنفيذ المحدد أن تظل حلقات المراقبة دقيقة، حتى عندما تزداد تعقيدات الخوارزمية، وبالنسبة لمحولي الطاقة، يمكن لنظام إدارة الدعم الميداني أن ينفذ أجهزة قياس رقمية ذات معدلات عالية من التحديث (مثلا).

Consumer Electronics and Smart Home

وفيما عدا المنتجات السمعية، تظهر رقائق TMS320 في التلفزيونات الذكية من أجل تقدير حركة الفيديو وإلغاء الانتظام، وفي قمار الاتصالات اللاسلكية وخطوط الأنابيب السمعية، وفي مراكز التشغيل الآلي المنزلية لتجهيز القيادة الصوتية، وتستخدم أجهزة تجهيز ثابتة منخفضة التكلفة مثل جهاز TMS320VC5507 في أجهزة الإرسال اللاسلكية وكاميرات الأمن، مناولة المحركات الصوتية والصور الأساسية قبل رفعها.

مقارنة بين نظام الرصد 320 وغيره من الأسر المشمولة بنظام إدارة الدعم الاجتماعي واتفاقية حظر أو تقييد استعمال أسلحة تقليدية معينة يمكن اعتبارها مفرطة الضرر أو عشوائية الأثر

بالإضافة إلى أن المهندسين يقدمون سلاسل الطاقة الصناعية 320 ببدائل مثل سلسلة الـ 56800 من برنامج (إنكس بي) و(ألوجي) للأجهزة الصناعية (أتش آر تي) و(بلاكفين)

ومع ذلك، بالنسبة لمهام تجهيز الإشارات العالية المخرجات (مثل الرادار، الاتصالات ذات التردد العالي)، يمكن لـ (إف بي جي) أو المعجلات المتخصصة أن تتفوق على برامج الدعم، فميزة (تي إم 320) تكمن في قابلية البرمجة وسهولة تطوير الخوارزميات حيث يلزم تحقيق نتائج معتدلة إلى عالية، وحيث لا يمكن التفاوض على الاستجابة المحددة في الوقت الحقيقي.

الاتجاهات والابتكارات في المستقبل

ولا تزال صكوك تكساس تتطور خط TMS320، وهي الأجيال الأخيرة، مثل سلسلة C2000 مع مركز تسريع القانون الجنائي (مسارع القانون الناظم) ومبنى C66x KeyStone، تؤكد التكامل والكفاءة، وتشمل الاتجاهات زيادة الذاكرة عند الطلب، وإضافة مسرعات للمعدات الخاصة بمهام محددة (مثلاً، توسيع نطاق المقاييس الرابعة للكميات) وخفض استهلاك الطاقة من خلال عقد محركات متقدمة.

(الدفع نحو الحافة (آي إيه) والتعلم الآلي في نقطة النهاية يؤثر أيضاً على تطوير (تي إم 320 بينما لا يصمم أساساً للشبكات العصبية، أجهزة (سي 6000) الثابتة يمكنها أن تُدير نماذج دنيئة صغيرة (مثلاً للكشف عن الشذوذ الصناعي) باستخدام إطار (تي تي دي تي دي إم) للتعلم العميق

الاعتبارات العملية المتعلقة بالتصميم

Engineers choice a TMS320 DSP should consider several factors: fixed-point vs floating-point needs, on-chip memory size, peripheral mix, power budget, and cost. For design,

خاتمة

أما أسرة مجهزة نظام TMS320، فهي تكنولوجيا أساسية لتجهيز الإشارات الرقمية عبر مجموعة واسعة من الصناعات، ومن أصلها في الثمانينات إلى آخر أجهزة متعددة العناصر ومجهزة بالطاقة، فإن أدوات تكساس تقوم باستمرار بإعطاء مجهزات تلبي متطلبات المحاسبة في الوقت الحقيقي الأكثر طلباً، ولا شك في أن تركيبتها الفعالة وأدوات التنمية الشاملة ودعم التطبيقات الواسعة النطاق تجعلها خياراً موثوقاً به لنظم بناء الاتصالات السلكية واللاسلكية في المستقبل.

External Links]