Систолический процессор цифровой обработки сигналов

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН А 1 19) 1111 06 Г 15/332 Н ть нь ВОЙ(57) й исГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССРОПИСАНИЕ ИЗО ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(46) 07.04.89. Бюл. В 13 (71) Ленинградский институт точной механики и оптики(56) Авторское свидетельство СССР В 1196894, кл. С 06 Р 15/332, 1985.Авторское свидетельство СССРВ 1363243, кл. С 06 Р 15/332, 1987, (54) СИСТОЛИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР ЦИФРООБРАБОТКИ СИГНАЛОВИзобретение относится к выч лительной технике и может бь использовано в специализирован и системах обработки сигналов и изображений высокой производительности. Цельизобретения - расщирение области применения путем выполнения цифровойфильтрации. Поставленная цель достигается благодаря тому, что в составпроцессора входят информационные вхо:ды 1, 2, входы 3-5 козффициентов,блок б весовой обработки, матрицы 7,8 вычислительных блоковблок 9сдвиговых регистров, сумматор 1),блок 1 синхронизации, информационный выход 12 процессора. 4 ил. 1 таблИзобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в специализированных системах обработки сигналов и и" бражений вы 5 сокой производительности.Цель изобретения - расширение области применения за счет выполнения операций цифровой фильтрации.На фиг. 1 представлена функциональная схема процессора; на фиг. 2 функциональная схема блока весовой обработки, на фиг, 3 - схема первого, третьего и четвертого коммутаторов; на фиг. 4 - схема второго коммутатора.Процессор (фиг. 1) содержитпер" вый 1 и второй 2 информационные входы, первый 3, второй 4 и третий 5 входы коэффициентов, блок 6 весовой 1 О обработки, первую 7 и вторую 8 матрицы вычислительных блоков, блок 9 сдвиговых регистров, сумматор 10, блок 11 синхронизации, информационный выход 12 процессора.Блок весовой обработки (фиг. 2) содержит входы 13 и 14 первого и второго операндов, информационные входы 15 и 16, вход 17 коэффициента, первый коммутатор 18, умножитель 19 второй коммутатор 20, элемент НЕ 21, третий коммутатор 22, четвертый ком- мутатор 23, узел регистров 24, умножитель 25, первый 26 и второй 27 выходы промежуточного результата, 35 информационный выход 28 и вход 29 управления и синхронизации.Первый, третий, четвертый коммутаторы (фиг. 3) содержат первый 30 и второй 31 входы, элементы И 32 и 33, 40 управляющий вход 34, элемент НЕ 35, элемент ИЛИ 36 и выход 37.Второй коммутатор (фиг. 4) содержит вход 38, управляющий вход 39, элементы И 40 и 41, элемент НЕ 42, 45 выход 43, элемент ИЛИ 44, вход 45, элементы И 46 и 47, управляющие входы 48 и 49, элемент НЕ 50, элемент ИЛИ 51, выходы 52 и 53.Процессор работает следующим об рразом.Пусть, например, вычисляется двумерная функция автокорреляции. При поступлении соответствующей команды на вход управления блока 11 синхро низации ее код дешифрируется и в ви-, де совокупности управляющих сигналов: У,УУУ 4 у,у, управления поступает на управляющие входы коммутаторов 18,20, 22 и 23 блока 6 весовой обработки.При поступлении на управляющий вход коммутатора 18 управляющего сигнала у = 0 вход умножителя 19 подключается к входу 15 блока весовой обработки, соединенному с информационным входом 1 процессора, При этом на умножитель 19 поступает текущий отсчет исходных данных х(К = 1,М; и =1,И; Н - размер отрабатываемой матрицы). На вход умножителя 19 через вход 5 весовых множителей, подключенный к входу 17 блока весовой обработки, поступают симметрирующие весовые множители или весовые множители функции "окна"ехр- -(И) (и+с)упри нечетЯном Мехр(п+1 с)1 при четном И;ри несимметричном спектре,7 при весовой обработке навходе,Взвешенные или сфазированные отсчеты входных данных поступают с выхода умножителя 19 на вход систолической матрицы 7, подключенный к вы-, ходу 27 блока 6. После загрузки стро" ки данных х размером М и при поступлении на вход систолической матрицы 7 с входа 3 весовых множителей весового множителя Ы " первая систоличес-, кая матрица выполняет одномерное пре-, образование Фурье видаС, =х,+Ы(х,+Ы(х,1(х,+Ы 11,1 оС х,+Ы (х +Ы (х +Ы (х 1 х 1ьС=к,+Н(х +И"(х +Ю(х +С=х,+Ы(х+И (х +У (х +;где и = ехр(-12 ЧИ)Отсчеты С(К = 1,И) одномерного ДПФ по строке данных поступают с выхода первой систолической матрицы 7 на вход 13 блока 6, к которому под 1471200ключен вход второго коммутатора 20. При поступлении на управляющий вход коммутатора 20 управляющего сигнала у = 0 выход второго коммутатора 20, соединенный с выходом 26 блока 6, подключается к входу второй систоли ческой матрицы 8 и входу сумматора 10 При этом на вход весовых множителей поступают весовые множители вида У в темпе поступления данных с выхода 26 блока 6. При этом вторая матрица 8, сумматор 10 и связанный с ними блок 9 сдвиговых регистров выполняют преобразование Фурье матрицы данных 15 по второй координате. После обработки И строк данных по И отсчетов бу" дет сформирована матрица результатов двумерного преобразования Фурье20У С + (С(Сь 1+ы"с,где Н = дахр -12 ее/И).Отсчеты двумерного ДПФ с общего выходе блока 9 сдвиговых регистров поступают на вход 14 блока 6. При на личин на управляющем входе второго коммутатора 20 управляющего сигнала у= 1 результаты двумерного ДПФ через вход коммутатора поступают на выход данного коммутатора и с него 45 на вход элемента НЕ 21 и вход четвертого коммутатора 23, ЭлементомНЕ 21 выполняется инверсия знака мнимой части операнда, что позволяет сформировать комплексно-сопряженное значе". ниеуфе =а ке+3 аз.дп(Ь ке ) (Ь ке ) 1где аке и Ь , соответственно действи тельная и мнимая части комплексного отсчета у ,. С выхода элемента НЕ 21 знакового разряда отсчеты у+е посту,пают на вход третьего коммутатора 22. При поступлении на управляющий вход третьего коммутатора 22 управляющего сигнала у = 0 комплексно-сопряженные отсчеты у спектра с выхода элементакеНЕ 21 поступают через третий коммутатор 22 на вход умножителя 25. Одновременно с этим при наличии управляющего сигнала у = 1 на управляющем входе коммутатора 20 отсчеты спектра у ес выхода второго коммутатора 20 поступают на вход умножителя 25. С выхода последнего результаты умножения Е е = уке у, представляющие собой спектральные отсчеты двумерной функции автокорреляции, поступают на выход 28 блока 6 и далее на информационный выход 12 процессора. Для выполнения обратного преобразования Фурье, которое необходимо для получения функции автокорреляции в пространственно-временной области, .на вход блока 11 синхронизации поступает следующая команда, соответствующая выполнению обратного преобразования Фурье, которая также дешифрируется и интерпретируется в виде новой последовательности управляющих сигналов у у у у у уПри поступлении сиг нала у= 1 на управляющий вход первого коммутатора 18 происходит отключение входа первого умножителя 19 от первого информационного входа 1, являющегося входом 15 блока 6, а вход первого умножителя 19 подключается коммутатором 18 к выходу умножителя 25. При поступлении на вход 3 весовых множителей коэффициентов вида Ична вход 4 весовых множителей коэффициентов вида И-Еи на вход 5 весовых множителей коэффициентов вида И-ткни сохранении управляющего сигнала у= 0 на управляющем входе второго коммутатора 20 систолические.матрицы 7 и 8 в совокупности с блоком 9 и сумматором выполняют обратное преобразование Фурье над данными, поступающими из блока 6 в первую систолическую матри цу 7. При поступлении управляющего сигнала у= 0 на управляющий вход второго коммутатора 20 происходит отключение выхода указанного коммутатора от входа элемента НЕ 21, и (независимо от управляющего сигнала уна управляющем входе второго коммутатора 20) отсчеты данных поступают с выхода коммутатора только на вход5 147 умножителя 25, При поступлении управляющего сигнала у = 1 на управляю 5щий вход третьего коммутатора 22 происходит отключение выхода элемента НЕ 21 от входа умножителя 25 и подключение выхода узла регистров 24 к входу умножителя 25. Одновременно из узла регистров 24 по адресу, указанному в поступившей в блок 11 синхронизации команде выбирается масштабная константа, в результате чего на выходе умножителя 25 сформирован результат, соответствующий отсчету функции автокорреляции, приведенной к заданному масштабу. С выхода умножителя 25 указанные отсчеты поступают на выход 28 блока 6 и далее на информационный выход 12 процессора.При выполнении других функций, например свертки или при выполнении фильтрации, преобразования Фурье меняются команды, поступающие на вход блока 11 синхронизации. При этом операции свертки, автосвертки, Фильтрации, авто- и взаимокорреляции требуют двух команд. Каждой команде соответствует определенный набор управляющих сигналв уу,у зуйуурпающих на управляющие входы коммутаторов 18, 20, 22 и 23. Кодовые комбинации этих сигналов, соответствующие различным операциям, реализуемым в процессоре, приведены в таблице.При выполнении операций свертки и фильтрации весовые функции могут быть загружены в узел регистров 24 или через информационный вход 21 процессора, соединенный с входом 16 бло" ка 6, либо через четвертый коммутатор 23 с выхода элемента НЕ 21, В последнем случае весовая Функция в спектральной плоскости рассчитывается через преобразование фурье от некоторой эталонной функции, заданной в координатной плоскости. Переключение каналов загрузки узла регистров 24 осуществляется четвертым коммутатором 23, а переключение режима запись- считывание - по управляющему сигналу у поступающему на управляющий вход узла регистров 24.Работой процессора управляет стандартный блок 11 синхронизации, в который по входу управления поступает команда на выполнение той или иной операции в процессоре.Данная команда в блоке 11 дешифрируется и сформированные управляющие 1200сигналы по выходу шины управления поступают на управляющие входы коммутаторов 18, 20, 22 и 23 и узла регистров 24, куда поступают сигналы записи-считывания.По выходу шины синхронизации блока11 сигналы синхронизации, выработанные генератором тактовых импульсов 1 О и счетчиком,поступают на тактовыевходы операционных блоков матриц 7и 8, а также на тактовый вход блока9 сдвиговых регистров, При поступлении тактового импульса организуется 15" пересылка данных от второй матрицы 8блоку 9 сдвиговых регистров и обратно и от сумматора 10 к блоку 9 и наоборот.20 Формула изобретенияСистолический процессор цифровой .обработки сигналов, содержащий первую и вторую матрицы иэ И(М - объем входной выборки) вычислительныхблоков, блок сдвиговых регистров, сумматор и блок синхронизации, причемпервый выход результата и выход коэффициента -го (х = 1,И) вычисли тельного. блока первой и второй матрицподключены соответственно к входампервого операнда и коэффициента (х++1)-го вычислительного блока соответственно первой и второй матриц, входы коэффициентов первых вычислительных блоков первой и второй групп являются соответственно первым и вторымвходами хозффициаита процессора второй выход результата з-го =1,М) 40 вычислительного блока второй матрицыподключен к Ц+1)-му информационномувходу блока сдвиговых регистров,(3+1)-й выход которого подключен квходу второго операнда 3-го вычисли тельного блока второй матрицы, выходсумматора подключен к первому информационному входу блока сдвиговых регистров, первый выход которого подключен к первому входу сумматора, 0 первый выход блока синхронизации подключен к тактовому входу блока сдвиговых регистров и входам синхронизации1-х вычислительных. блоков первой ивторой матриц; о т л и ч а ю щ и й -с я тем, что, с целью расширения области применения за счет выполненияопераций цифровой Фильтрации, в неговведен блок весовой обработки, информационный выход которого является ин1471200 Кодовая комбинация1Операция у 1 у 2 Э 4 у ь уст 1 О ОО О 1 О О О О О 1 О О О О Двумерное ДПФ Одномерное ДПФ Обратное двумерное ДПФ Обратное одномерное ДПФ Двумерная фильтрацияОдномернаяфильтрацияФормирование и запись ядра функции сверткиЗапись ядрасвертки О 1 О О О О О О формационным выходом процессора, первым и вторым информационнымивходами которого являются соответственно первый и второй информацион 5 ные входы блока весовой обработки, вход коэффициента которого является третьим входом коэффициента процессора, второй выход результата -го вычислительного блока первой матри цы подключен к входу первого операнда блока весовой обработки, первый выход промежуточного результата которого подключен к второму входу сумматора и входу первого операнда пер ваго вычислительного блока второй матрицы, выход последовательной выдачи блока сдвиговых регистров подключен к входу второго операнда блока весовой обработки, вход синхрОни зации и управляющий вход которого подключены соответственно к первому и второму выходам блока синхронизации, второй, выход промежуточного результата блока весовой обработки под ключен к входу первого операнда первого вычислительного блока первой матрицы, причем блок весовой обработки содержит первый и второй умножители, элемент НЕ, узел регистров, пер вый, второй, третий и четвертый коммутаторы, при этом выход первого коммутатора подключен к первому входу первого умножителя, второй вход которого является входом. коэффициента блока весовой обработки, управляющим входом которого является управляющий вход второго коммутатора,первый выход которого подключен кпервому входу второго умножителя, выход которого подключен к первому информационному входу первого коммутатора и является информационным выходом блока весовой обработки, первымвыходом промежуточного результатакоторого является второй выход второго коммутатора, первый и второй информационные входы которого являютсявходами соответственно первого и второго операндов блока весовой обработки, входом синхронизации которогоявляются соединенные между собой управляющие входы первого, третьего ичетвертого коммутаторов и вход синхро.низации узла регистров, выход которого подключен к первому информационному входу третьего коммутатора, выход которого подключен к второму входу второго умножителя, третий выходвторого коммутатора подключен к первому информационному входу четвертогокоммутатора и входу элемента НЕ, выход которого подключен к второму информационному входу третьего коммута,тора, выход четвертого коммутатораподключен к информационному входуузла регистров, вторые информационныевходы первого и четвертого коммутаторов являются соответственно первым ивторым информационными входами блокавесовой обработки, вторым выходом промежуточного результата которого является выход первого умножителя.1 О 14712 ОО Операция О О О О О О О О О О О О О О О О О 1 О О О. О О 1 О О О О О О О О О 1 О О 1 Двумерная автокорреляцияДвумернаявзаимокорреляцияОдномернаяавтокорреляцияОдномернаявзаимокорреляцияДвумернаясвертка Одномерная,Ф сверткаПродолжение таблицы Кодовая комбинация 11471200 Составитель А.Барановактор А.Мотыль Техред Л.олийнык ,Корректор М.Пожо Зака ри ГКНТ СССР ИИПИ роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Уж ул. Гагарина, 1 О 610/51 Тираж 667Государственного комитета по изобр 113035, Москва, Ж, Рауш Подписноеениям и открыти кая наб., д. 4/