Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19861127Elc015.shtml

Платы цифровых процессоров сигналов для решения сложных задач искусственного интеллекта

УДК 681.324

DSP boards help tackte a tough class of AI tasks, No.29, pp.64—66.

Система, включающая до 64 однокристальных цифровых процессоров сигналов и АРМ, оснащенное средствами программирования на языке Лисп, обладает быстродействием до 320 млн. команда/с и позволяет с успехом решать такие сложные задачи искусственного интеллекта, как распознавание и синтез речи.

Методы и средства искусственного интеллекта (ИИ) уже выходят из научно-исследовательских лабораторий и внедряются в сферу реальной техники и технологии, поэтому автоматизированные рабочие места (АРМ) играют сейчас одну из важнейших ролей в развитии данного направления. Следует также отметить, что в настоящее время на рынке появляется все больше различных новых цифровых процессов сигналов (ЦПС). Однако, до того как фирма Texas Instruments Inc. (Даллас) занялась описываемым проектом, никто не пытался идти по пути объединения этих двух технических решений, которые совершенствуются исключительно быстрыми темпами.

Разработчики из фирмы TI создали на основе обоих видов указанных технических средств опытный образец схемной платы для цифровой обработки сигналов под названием Odyssey (Одиссей), которая работает под управлением АРМ Explorer фирмы TI, ориентированного на задачи ИИ. Благодаря наличию интерфейсной шины с гибкими возможностями пользователи смогут объединить в системе до 16 подобных плати достичь быстродействия 320 млн. команда/с при выполнении программ, написанных на языках Лисп, Форт или языке ассемблера. Как отмечает Ричард Уиггинс, директор лаборатории по проблемам распознавания и обработки речи и изображений в Центре информатики и вычислительной техники фирмы TI в Далласе, столь высокая вычислительная мощность и гибкость системы позволяют решать целый ряд новых задач ИИ.

Главную роль здесь играют задачи, требующие реализации методов и алгоритмов ИИ в реальном масштабе времени, например распознавание и синтез речи. А обработка речевых данных в реальном времени вполне доступна для мощных однокристальных ЦПС типа TMS32020 (рис.1), на базе которых построена плата Odyssey.

Обработка сигналов. Однокристальный цифровой процессор сигналов TMS32020, на базе которого построена плата Odyssey фирмы TI, имеет длительность команд
Рис.1. Обработка сигналов. Однокристальный цифровой процессор сигналов TMS32020, на базе которого построена плата Odyssey фирмы TI, имеет длительность командного цикла 200 нс.

ЦПС типа TMS32020, анонсированный в начале 1985г., имеет длительность командного цикла 200 нс. Он может выполнять 16-разрядные операции умножения/накопления в конвейерном режиме с циклом 200 нс, перемножение 32-разрядных чисел с плавающей точкой за 7,8 мкс и 256-точечное комплексное быстрое преобразование Фурье (БПФ) за 6,9 мс. Процессор 32020 имеет 32-разрядную гарвардскую внутреннюю архитектуру и 16-разрядный внешний интерфейс.

Плата Odyssey, на которой размещаются четыре процессора 32020, — это мощный специализированный компьютер для обработки сигналов в параллельном режиме. Работая со своей локальной памятью, любая плата Odyssey способна выполнять свои индивидуальные алгоритмы.

На плате Odyssey (рис.2) три процессора 32020 из четырех служат для выполнения прикладных программ пользователя. Каждый процессор имеет высокоскоростное статическое ЗУПВ емкостью 8К*16 бит, используемое как программная память. Память данных построена на динамических ЗУПВ 64К*16 бит.

Квартет процессоров. В архитектуре платы Odyssey используются четыре процессора TMS32020, три из которых служат для выполнения прикладных программ, а
Рис.2. Квартет процессоров. В архитектуре платы Odyssey используются четыре процессора TMS32020, три из которых служат для выполнения прикладных программ, а четвертый— для операций ввода-вывода.

Четвертая ИС 32020 имеет программную память 16К*16 бит и выполняет функции процессора ввода-вывода, обслуживая два порта ВВ. Первый из них — это 8-разрядный порт кодека, а второй — стандартный порт внешнего обмена для сбора данных со скоростью 10 Мбайт/с. Все четыре процессора 32020 связываются при помощи шины обработки сигналов, обеспечивающей быструю передачу 16-разрядных слов данных.

Плата Odyssey подключается к АРМ Explorer через интерфейс главного компьютера. В отличие от традиционных АРМ, ориентированных на обработку числовых данных, АРМ Explorer имеет архитектуру, которая оптимизирована в расчете на выполнение программ, написанных на языке искусственного интеллекта Лисп.

АРМ Explorer может иметь ОЗУ емкостью до 16 Мбайт и до восьми 140-Мбайт (без разметки) винчестерских дисковых накопителей, используемых в оперативно управляемой массовой памяти данных. Комплект средств передачи данных, реализующий протокол TCP/IP1{Transmission Control Protocol/Internet Protocol — протокол управления передачей данных для межсетевого обмена.}, дает АРМ Explorer возможность связываться с другими компьютерами через локальную сеть.

Интерфейс платы Odyssey

Плата Odyssey сопрягается с АРМ Explorer при помощи оригинальной по структуре шины NuBus фирмы TI. Для этой шины предусматривается возможность расширения, что весьма важно для системы Odyssey — Explorer. Она играет важнейшую роль в обеспечении эффективности применения платы Odyssey в качестве параллельного компьютера для обработки сигналов. Шина NuBus позволяет АРМ Explorer обслуживать до 15 дополнительных плат Odyssey, т.е. максимум 64 однокристальных процессора TMS32020.

Расширяемая шина NuBus «является самым настоящим средством наращивания системы в том смысле, что любой процессор одной платы может непосредственно обращаться к памяти процессора другой платы Odyssey точно так же, как к памяти процессора собственной платы,— говорит Ричард Тэррант, старший научный сотрудник центра информатики и вычислительной техники фирмы TI. — По существу вся память (как программ, так и данных) процессора 32020 становится глобальной памятью для другого процессора, так что последний может обращаться к ней для чтения и записи».

Поскольку все функции памяти, командного управления и прерываний отображаются в едином поле памяти для всех плат, индивидуальный процессор 32020, расположенный на одной плате Odyssey, может обращаться к ЗУ данных любого другого процессора 32020 на каждой из максимум 16 плат Odyssey. Он способен работать с этими ЗУ как с расширениями своей собственной памяти.

Такая структура шины обеспечивает значительную гибкость при программировании прикладных задач для системы. «Поскольку платы, входящие в систему, имеют средства для обеспечения взаимодействия друг с другом независимо от главной машины, вы можете построить свой алгоритм по модульному принципу и распределить модули по процессорам для автономного выполнения, но при этом весьма эффективно должен осуществляться обмен данными — причем все перечисленное будет происходить независимо от главной машины. Вы можете программировать такие процессоры индивидуально для выполнения различных функций» — объясняет Тэррант. Обмен данными между процессорами может осуществляться со скоростью более 2 Мбайт/с.

Система в конфигурации с максимально возможным числом (16) плат Odyssey обладает очень высокой вычислительной мощностью — она может выполнять 320 млн. команда/с, а это именно то, что необходимо для успешного проведения исследований в таких областях ИИ, как обработка речи.

Чтобы создавать перспективные системы распознавания речи, специалистам, по словам Уиггинса, нужны машины с быстродействием в диапазоне от 100 до 1000 млн. команда/с. «Каждый процессор TMS32020 способен выполнять 5 млн. умножений и 5 млн. сложений в секунду,— говорит Уиггинс. — В совокупности это 10 млн. арифметических операций в секунду, если считать умножения и сложения отдельно, причем каждое умножение позволяет находить произведение двух 16-бит чисел, а каждое сложение — 32-разрядную сумму в расчете на один процессор. Имея по четыре таких процессора на плате, мы получаем 40 млн. арифметических операций в секунду, а при 16 платах в системе — 640 млн. операция/с. Таким образом, в будущем, когда появятся микросхемы с длительностью цикла 100 нс вместо 200 нс [для процессора 32020], мы получим принципиальную возможность обеспечить выполнение свыше 1000 млн. команда/с».

Уиггинс видит три сферы потенциальных применений для высокопроизводительных систем с платами Odyssey: решение специальных задач цифровой обработки сигналов, научные исследования и разработку систем. В качестве одного из примеров специализированных приложений, связанных с цифровой обработкой сигналов, можно указать распознавание и синтез речи. Здесь АРМ Explorer может реализовать функции экспертной системы, а плата Odyssey — функции специализированной системы речевого ВВ, выполняя необходимые операции по распознаванию и синтезу речи при взаимодействии с пользователем.

Спектральный анализ

Еще одна особая сфера применений, связанная с цифровой обработкой сигналов, — это спектральный анализ. Плата Odyssey может собирать и анализировать сигналы различных видов, например звуковые, видео- или радиолокационные, и передавать результаты в главную машину с ИИ.

Большинство научных исследований также связано со сбором и анализом сигналов того или иного вида. Возможные области применения описываемых средств — это обработка речевых данных, подводная акустика, обработка изображений, а также многие медицинские приложения, в частности расшифровка электрокардиограмм.

Чтобы разрабатывать программное обеспечение для этих и других приложений, пользователи могут придерживаться следующих основных подходов: писать программы на языке Лисп, чтобы управлять платами Odyssey с главного АРМ Explorer; программировать плату Odyssey на языке Форт; при помощи ассемблера и компоновщика создавать для платы Odyssey программы на языке ассемблера; наконец, посредством мультипроцессорного отладчика осуществлять окончательную проверку правильности программ процессора 32020.

Программы, вызываемые из системы программирования на языке Лисп и выполняемые на АРМ Explorer, дают возможность главной машине управлять платами Odyssey. Имеются программы обслуживания устройств, обеспечивающие инициирование операций, выполняемых на уровнях плат и процессоров. Операции уровня схемной платы — это сброс, открывание и закрывание каналов ВВ и самотестирование. Операции уровня процессора — это сброс, назначение/освобождение [ресурсов], загрузка программ/данных в систему нижнего уровня, такая же загрузка в систему верхнего уровня, самотестирование и выдача данных о состоянии.

Специалисты фирмы TI разработали Форт-интерпретатор, дающий пользователям платы Odyssey возможность писать программы на этом языке высокого уровня. Пользователь может загрузить такой интерпретатор непосредственно в любой из четырех процессоров 32020 платы Odyssey и с его помощью выполнять программы на стандартном языке Форт-79, а также сам написать процедуры-расширения для набора команд Форт-79. Кроме того, Форт-программы способны функционировать во взаимодействии с программами на ассемблере 32020: Форт-программы могут включать вызовы подпрограмм на языке ассемблера 32020.

В системе программирования на языке ассемблера 32020 имеются также ассемблер и компоновщик для разработки программ. Эти программы можно отработать на мини-компьютере VAX компании DEC или персональном компьютере PC корпорации IBM, а затем передать на плату Odyssey.

Фирма TI разработала специальный отладчик на базе языка Лисп для использования с платами Odyssey. Этот отладчик, функционирующий на АРМ Explorer, предусматривает разделение экрана дисплея на четыре окна для одновременного воспроизведения состояния программ всех четырех процессоров 32020 на плате Odyssey.

Отладчик позволяет также отображать содержимое памяти данных и программ, внутренних регистров и данных и обеспечивает дизассемблирование содержимого программной памяти. При помощи отладчика пользователь может модифицировать содержимое всех регистров и ячеек памяти перед очередным циклом выполнения программы. Такой отладчик можно также использовать для задания контрольных точек прерывания. Дизассемблер обеспечивает воспроизведение адресов программной памяти и машинного кода, а также мнемоники ассемблера. Предусматривается, кроме того, режим трассировки.

Дочерние статьи:

Главная цель создателей платы Odyssey — обработка речевых данных

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 59, No.17 (750), 1986г - пер. с англ. М.: Мир, 1986, стр.37

Electronics Vol.59 No.29 August 21, 1986 A McGraw-Hill Publication

DSP boards help tackte a tough class of AI tasks, No.29, pp.64—66.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Искусственный интеллект





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19861127Elc015.shtml