Příchod hackerů: analogový svět DSP

Lukáš Erben 4. 8. 2015

Jednočipové mikropočítače, nebo také mikrokontroléry, začaly koncem 70. let měnit svět kolem nás. Jednoduché počítače se postupně stávaly součástí věcí denní potřeby – hodinek, hraček, bílého elektra, nebo automobilů. Nestalo by se to ale bez pomoci dalšího revolučního kousku křemíku: DSP.

Pro generaci, která vyrůstá dnes, jsou principy převodu analogové informace na digitální, jako je například vzorkování, samozřejmostí. Husákovy děti (k jejichž „dozvuku“ se také řadím) na sklonku 80. a počátkem 90. let fascinovaně sledovaly nástup prvních pagerů, telefonních karet, domácích počítačů, modemů, zvukových karet, CD a nakonec i mobilů a učily se chápat zvláštní způsob, kterým digitální svět počítačů, spotřební elektroniky a dalších zařízení vnímá, měří a zpracovává informace ze světa analogového. První digitální signálové procesory, které tuto revoluci umožnily, byly v té době staré zhruba deset let, princip digitálního záznamu analogové informace byl ale přeci jen o trochu starší – asi tak o 4500 let starší.

Egyptské povodňové DSP

Starověký Egypt spojujeme s řadou převratných civilizačních prvenství, převod analogové informace na digitální mezi nimi ale většinou nebývá. Přitom právě zde ze, podle dochovaných artefaktů vůbec poprvé udál. Jedním z nejdůležitějších fenoménů byla pro egyptskou civilizaci řeka Nil. Sledování vývoje záplav, jejich zaznamenávání a schopnost odhadovat další vývoj v jednotlivých ročních dobách byly pro společnost, která na záplavovém cyklu závisela, životní nutností. Není proto divu, že Egypťané pro tento účel zřídili speciální měřící stanice a data z nich v podobě „vzorků“ průtoku pečlivě zaznamenávali.

Důkazem toho je tzv. Palermská deska z období páté dynastie, která patrně obsahovala (dochovaly se jen fragmenty) seznam všech egyptských králů od první do počátku páté dynastie, a co je důležitější, údaje o každoročních povodních za několik století. Ty lze poměrně snadno převést do jednoduchého souřadnicového grafu. Data o výšce hladiny (či průtoku) na Nilu před bezmála pěti tisíci lety jsou tak patrně prvním příkladem vzorkování průběžného analogového jevu – pravda s velmi nízkou (roční) vzorkovací frekvencí týkající se pouze maxima v daném roce.

Palermská deska – její největší fragment můžete vidět, jak název napovídá, v regionálním archeologickém muzeu v Palermu.

Velmi zjednodušeně lze říct, že následujících 45 století se neslo převážně v duchu hledání principů pro popis světa nikoliv digitálně, ale v jeho skutečné analogové kontinuální podobě – počínaje rozvojem geometrie v Helénském období, přes matematickou revoluci Keplera, Newtona a Leibnize v 17. století, jež přinesla integrální a diferenciální počty až po pravděpodobnostní matematiku, které ve stejné době položili základ Pascal a Fermat. Princip vzorkování je ale právě proto, že nabízí měřenou abstrakci okolního světa (a tím pádem snadnou matematickou zpracovatelnost), pro matematiku posledních pěti století nezbytný. A protože přesnost výsledků je dána počtem vzorků měření (a lze ji zpřesnit např. kvantováním), byly to právě DSP nabízející obrovský vzorkovací výkon, které umožnily (v kombinaci s počítači či mikrokontroléry) pracovat s „daty“ z okolního světa dříve stěží představitelným způsobem.

Analogové metody záznamu, ať už se jedná o obraz, zvuk nebo třebas analogový záznam teploty termografem, se sice mohou na první pohled zdát přesné, jenže neumožňují se zapsanou informací dále snadno pracovat – kopírovat ji, upravovat a modelovat pomocí matematických funkcí apod. Jedná se nikoliv o abstrakci, ale o převod jednoho fyzického jevu na jiný fyzický jev. V oblasti analogového i digitálního záznamu či přenosu hraje pochopitelně zásadní roli také šum, ale to bychom zbytečně odbočovali od tématu tohoto dílu – a tím je zrod digitálních signálových procesorů.

Zpátky ke Speak & Spell

Když v roce 1976 přednesl Richard Wiggins kolegovi Paulu Breedlovovi koncept digitální hry Speak & Spell – tedy zařízení, které by mohlo předškolní děti a děti v prvních ročnících základní školy učit správně hláskovat různá slova, bylo jasné, že jako mozek lze použít jednočipový počítač, který v TI vyvinuli již v roce 1971. Otázkou ale bylo, jak vyřešit problém syntézy řeči – převodu digitálních dat na srozumitelný (byť jednoznačně „počítačový“) lidský hlas. Podobná řešení sice existovala již od konce 70 let, využívala ale tzv. řezové procesory (tzv. bit slicing), sestavené buď z řady integrovaných obvodů, nebo speciálních procesorů, které vyžadovaly další doplňkové čipy (například AMD 2901 z roku 1975). V TI se proto opět rozhodli vyvinout úplně nový čip – dokončili jej během dvou let a nazvali TMS5100.

Předchůdcem DSP byl například řezový procesor AMD 2901.

Z dnešního pohledu byl TMS5100 funkčně omezeným DSP. Sloužil takřka výhradně pro reprodukci řeči – obsahoval tedy pouze DAC převodník a zároveň první komerční nasazení kódování zvukového signálu LPC (linear predictive coding), které bylo navrženo speciálně pro přenos a reprodukci lidské řeči – jeho vývoj začal již v roce 1966 v japonském NTT, a o pár let později vedl k prvním praktickým pokusům s přenosem hlasu po ARPANETU – VoIP technologií při rychlosti 2400 bitů za vteřinu jednosměrně (1974) respektive 3500 bitů za vteřinu obousměrně v rámci hlasového konferenčního hovoru (1976). Hra Speak & Spell tak vlastně prováděla jen částečnou syntézu řeči – základem byly vzorky hlasu ve formátu LPC (které byly dostupné ve výměnných modulech).

První DSP byl navržen pro dětskou výukovou hračku Speak & Spell. Na obrázku její italská varianta Grillo Parlante. O Speak & Spell jsme psali také v předchozím díle seriálu.

DSP: od analogu k digitálu a zase zpátky

TMS5100 byl úspěšný a dostal se do řady hraček a zařízení, nicméně ve světě DSP se jednalo o první nesmělý krůček. Pro skutečnou revoluci byly třeba plnohodnotné a nejlépe samostatné DSP čipy. Krátce po TMS5100 přišel první pokus na téma DSP od Intelu – Analogový signálový procesor Intel 2920 obsahoval ADC i DAC převodníky a signálový procesor, ale chyběl mu hardwarový násobič a tak se nesetkal s velkým ohlasem. Podobně dopadl i AMI S2811, který vyžadoval spolupráci s hlavním výkonným mikroprocesorem. První samostatné a kompletní DSP se tak objevily až v roce 1980 – NEC uPD7720 a AT&T DSP1 byly oba vyvinuty zejména pro veřejné spínané telefonní sítě. Skutečná revoluce ale přišla v roce 1983 opět z laboratoří TI – TMS32010 představoval výkonný 16bitový signálový procesor tak, jak jej popisuje například definice na české Wikipedii:

Typický digitální signálový procesor je vystavěn na harvardské architektuře. Tato architektura má oproti von Neumannovu modelu počítače oddělenou paměť pro program od paměti pro data. V praxi to znamená, že data a kód programu využívají vlastní sběrnice, což zvyšuje propustnost systému.

Dalšího zrychlení výpočtů se dosahuje pomocí specializovaných výpočetních jednotek procesoru, které dokážou pracovat paralelně. Typický DSP má kromě aritmeticko-logické jednotky (ALU) navíc rychlou násobičku, která dokáže operaci násobení s přičítáním A ← A + B.k. Tato operace je základní operací většiny algoritmů digitálního zpracování signálu. DSP zpravidla obsahuje dvě nebo více nezávislých adresních jednotek, tzv. DAG (Data Address Generator), adresujících data v lineárních nebo kruhových bufferech. Typický DSP tak umožňuje během jednoho taktu provést jeden krok skalárního násobení dvou vektorů. Procesor s klasickou architekturou by na stejnou operaci potřeboval několik taktů.

Oproti univerzálním procesorům mohou (ale nemusí) být v DSP zjednodušeny některé funkce, například nemusí být možné adresovat paměť po bajtech. Taková zjednodušení mohou vést k problémům s přenositelností kódu psaného ve vyšších programovacích jazycích, nebo k větší spotřebě paměti a strojového času při jiných úlohách, než je zpracování signálu.

Wikipedia

widgety

TI TMS32020 byl jedním z prvních kompletních a výkonných DSP (1983).

Počítače vnímají okolní svět

Hlavním přínosem DSP bylo pochopitelně to, co jsme naznačili už na samotném začátku: díky signálovým procesorům mohly počítače a s nimi bezpočet nejrůznějších zařízení a přístrojů kolem nás začít vnímat a s vhodným softwarem i chápat okolní svět. Počínaje digitálním záznamem zvuku a obrazu, přes digitalizaci telefonních sítí a nástup mobilních telefonů, medicínské diagnostické a zobrazovací přístroje, až po senzory v autech či domácích spotřebičích a mobilních zařízeních. Díky DSP procesorům se staly dostupnými CD přehrávače a možnými AV zesilovače, domácí kina, levnější a menší magnetické pevné disky, MP3 přehrávače, nebo výkonnější a efektivnější řídící jednotky motorů s přesnějšími senzory.

Reklamní video Texas Instruments o DSP (1997)

Odkazy

Našli jste v článku chybu?
DigiZone.cz: Rapl: seriál, který vás smíří s ČT

Rapl: seriál, který vás smíří s ČT

DigiZone.cz: Konference Radiokomunikace se blíží

Konference Radiokomunikace se blíží

Podnikatel.cz: Udělali jsme velkou chybu, napsal Čupr

Udělali jsme velkou chybu, napsal Čupr

Lupa.cz: Další Češi si nechali vložit do těla čip

Další Češi si nechali vložit do těla čip

Podnikatel.cz: Byla finanční manažerka, teď cvičí jógu

Byla finanční manažerka, teď cvičí jógu

Podnikatel.cz: Takhle se prodávají mražené potraviny

Takhle se prodávají mražené potraviny

Lupa.cz: Aukro.cz mění majitele. Vrací se do českých rukou

Aukro.cz mění majitele. Vrací se do českých rukou

DigiZone.cz: Ginx TV: pořad o počítačových hráčích

Ginx TV: pořad o počítačových hráčích

120na80.cz: Co je padesátkrát sladší než cukr?

Co je padesátkrát sladší než cukr?

Vitalia.cz: Voda z Vltavy před a po úpravě na pitnou

Voda z Vltavy před a po úpravě na pitnou

Podnikatel.cz: Instalatér, malíř a elektrikář. "Vymřou"?

Instalatér, malíř a elektrikář. "Vymřou"?

Vitalia.cz: Muž, který miluje příliš. Ženám neimponuje

Muž, který miluje příliš. Ženám neimponuje

Lupa.cz: Blíží se konec Wi-Fi sítí bez hesla?

Blíží se konec Wi-Fi sítí bez hesla?

Lupa.cz: Cimrman má hry na YouTube i vlastní doodle

Cimrman má hry na YouTube i vlastní doodle

Měšec.cz: TEST: Vyzkoušeli jsme pražské taxikáře

TEST: Vyzkoušeli jsme pražské taxikáře

Podnikatel.cz: Znáte už 5 novinek k #EET

Znáte už 5 novinek k #EET

Lupa.cz: Jak se prodává firma za miliardu?

Jak se prodává firma za miliardu?

DigiZone.cz: DVB-T2 ověřeno: seznam TV zveřejněn

DVB-T2 ověřeno: seznam TV zveřejněn

Podnikatel.cz: Poslanci chtějí sebrat majetek Bakalovi

Poslanci chtějí sebrat majetek Bakalovi

DigiZone.cz: Nova opět stahuje „milionáře“

Nova opět stahuje „milionáře“