5. THỰC NGHIỆM
5.3.2. Số hóa tín hiệu, DSP dấu phẩy tĩnh
Như đã trình bày, để tín hiệu có thể sử dụng được trong vi xử lý thì các giá trị dòng áp sau khi được trích mẫu từ những khoảng thời gian gián đoạn cách đều, cần phải được mã hóa dưới dạng bit lưu trữ tại các thanh ghi trong vi xử lý. Quá trình mã hóa này cho biết cách thức làm việc với dữ liệu cũng như loại vi xử lý. Theo đó, các vi xử lý được phân chia làm hai loại: vi xử lý dấu phẩy tĩnh và vi xử lý dấu phẩy động. Vi xử lý tín hiệu số TMS320F28335 mà ta đang sử dụng thuộc dòng DSP dấu phẩy tĩnh.
Các vi xử lý dấu phẩy động là các chip có khối phần cứng hỗ trợ làm việc với dấu phẩy động theo tiêu chuẩn IEEE754 như dòng Pentium của Intel, Texas Instruments C6000 DSP. Các vi xử lý này có ưu điểm nổi bật là khả năng biểu diễn và tính toán với
69
số liệu trong dải rộng, tuy nhiên chúng không có tác dụng rõ rệt đối với các bài toán điều khiển và thường rất đắt.
Các vi xử lý dấu phẩy tĩnh là các chip có khối phần cứng hỗ trợ làm việc với kiểu số nguyên, đối với các DSP còn được hỗ trợ thêm khối nhân chuyên dụng làm việc với dữ liệu dấu phẩy tĩnh. So với các vi xử lý dấu phẩy động, vi xử lý dấu phẩy tĩnh có giá thành thấp hơn do yêu cầu số lượng nhân On-chip ít hơn và sử dụng lượng silicon ít hơn. Hầu hết các vi xử lý sử dụng trong điều khiển hiện nay là các vi xử lý dấu phẩy tĩnh ví dụ như Motorola HC68x, Texas Instrusments TMS430, TMS320C5000, C2000...
Sau đây ta sẽ tìm hiểu tổng quan kiểu biểu diễn số thực bằng dấu phẩy tĩnh.
Một số thực 32 bit biểu diễn dưới dạng dấu phẩy tĩnh IxQy (ví dụ I8Q24) có cấu trúc như sau: 3 1 Phần nguyên x=8 bit 2 4 2 3
Bit biểu diễn phần thập phân y=24 bit 0 s i i i i i i i i f f f f f f f f f f f f f f f f f f f f f f f
Số thực dấu phẩy tĩnh có định dạng giống như số nguyên, nhưng ở mức độ tổng quát hơn với thành phần biểu diễn thập phân được mã hóa phía sau dấu phẩy “ảo”. Với số nguyên thành phần thập phân bằng không và dấu phẩy “ảo” nằm ở vị trí bit 0 là trường hợp đặc biệt của số thực dấu phẩy tĩnh.
Cấu trúc số thực dấu phẩy tĩnh được chia làm hai nửa thông qua vị trí dấu phẩy quy ước. Qua đó, thành phần phía trước dấu phẩy được biểu diễn như số nguyên thông thường, với bit có trọng số cao nhất quy ước dấu (s=0 với số nguyên dương, s=1 với số âm mã bù hai) và các bit còn lại lưu trữ theo mã nhị phân:
1 0
1 0
.2x x .2x ... 2
I s i i (với x tăng theo chiều từ dấu phẩy về phía trước) (5.8) Thành phần sau dấu phẩy biểu diễn phần thập phân:
1 2
1.2 2.2 ... y.2 y
Qq q q (với y tăng theo chiều từ dấu phẩy về phía sau) (5.9) Giá trị biểu diễn bởi số thực dấu phẩy tĩnh được tính bằng: Z=I+Q.
70 3 1 Phần nguyên x=8 bit 2 4 2 3
Bit biểu diễn phần thập phân y=24 bit 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Ta có:
Phần nguyên: I=0011 1111=63.
Phần thập phân: Q=111...0=0.5+0.25+0.125=0.875.
Giá trị số thực ở dạng thập phân: Z=I+Q=63.875.
Với định dạng giống với số nguyên cho phép ta sử dụng lại các hàm logic tính toán với số nguyên áp dụng trên số thực dấu phẩy tĩnh một cách chính xác. Do đó, quá trình tính toán trở nên rất đơn giản. Đây là một ưu điểm rất lớn của phương pháp mã hóa số thực theo kiểu dấu phẩy tĩnh. Tuy nhiên, do phải chia sẻ bớt ô nhớ cho phần thập phân nên dải biểu diễn của số thực dấu phẩy tĩnh là rất hẹp.
Bảng 5-3 - Độ phân giải và miền biểu diễn của các định dạng số thực
Dạng biểu diễn Giá trị dương lớn nhất Giá trị dương nhỏ nhất Giá trị âm lớn nhất Giá trị âm nhỏ nhất Độ phân giải cao nhất 18Q24 27 0 -2-24 -27 2-24 Float32 2127 2-127 -2-127 -2-127 2-127
Từ bảng trên thấy rằng phương pháp biểu diễn số dạng dấu phẩy tĩnh hạn chế rất nhiều về dải biểu diễn. Do đó, trong quá trình xử lý tín hiệu có sử dụng số dấu phẩy tĩnh, để tránh tràn số (chủ yếu với phép nhân) ta thường xuyên thực hiện giới hạn độ lớn của số IQ trong một dải biểu diễn cho phép, bằng cách tham chiếu giá trị này với một hằng số lớn nhất nào đó. Công việc này được gọi là chuẩn hóa tín hiệu, đây là thao tác đặc thù trong quá trình làm việc với DSP dấu phẩy tĩnh.