No final do trabalho são apresentadas algumas medidas de desempenho do sistema, com e sem o processador acoplado.

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1 171 PN25 - UM PROCESSADOR DE ALTO DESEMPENHO PARA MICROCOMPUTADOR DO TIPO PC E SUA APLICAÇÃO EM PROCESSAMENTO DE IMAGENS Jsé Claudi Mura Sueli Pissarra Castellari Institut de Pesquisas Espaciais Ministéri da Ciência e Tecnlgia Caixa Pstal Sã Jsé ds Camps SP Brasil RESUMO Este trabalh apresenta um prcessadr numer1c de alt desempenh, d tip placa aceleradra, para micrcmputadr padrã IBM-PC, denminad PN25, basead n Prcessadr Digital de Sinais DSP TMS320C25. Sã descrits também al~uns tips de algritms na área de prcessament de imagens, bem cm ensai desses algritms n Sistema de Tratament de Imagens (SITIM-150), desenvlvid n INPE, utilizand prcessadr PN25 acplad a este. ABSTRACT This wrk describes the numerical prcessar PN25, fr IBM-PC micrcmputer cmpatible, based n DSP TMS320C25. The wrk als presents sme kind f image prcessing algrithms, and the prcessing times fr these algrithms, using the PN INTRODUÇÃO Em algumas áreas tais cm: prcessament de sinais, prcessament de imagens, cmputaçã gráfica; a velcidade de prcessament é essencial devid a vlume de dads envlvids e a repetitividade cm que s algritms sã executads. A mtivaçã para desenvlviment d PN25 fi a necessidade de aumentar pder de cálcul d SITIM-150 (Sistema de Tratament de Imagens desenvlvid n Departament de Prcessament de Imagens d INPE e cmercializad pela ENGESPAÇO). O SITIM-150 é cmpst de um micrcmputadr d tip IBM-PC cmpatível e de uma unidade de visualizaçã (UVI), que utiliza 4 plans de imagem de 1024 x 1024 pixels cm uma janela de vjde de 512 x 472 pixels. Nesse sistema td prcessament era feit anterirmente pel micr. Apõs a cnecçã d PN25 n micrcmputadr, s cálculs intensivs ds algritms ficaram a carg d prcessadr, enquant que micr ficu liberad para efetuar a transferência de dads (E/S) da UVI para PN25 e vice-versa. Dessa maneira micr e PN25 trabalham em paralel, aumentand bastante desempenh d sistema.

2 N final d trabalh sã apresentadas algumas medidas de desempenh d sistema, cm e sem prcessadr acplad. 2 - O PROCESSADOR PN O prcessadr PN25 cnfeccinad em placa padrã de micrcmputadr d tip IBM-PC é cnstituid de uma memr1a de prgrama de 128 Kbytes, de uma memória de dads de 128 Kbytes, de registradres de cntrle, de uma unidade de enderecament, multiplexadr e frmatadr de dads, e de uma unidade de prcessament, cm mstra a figura 2.1. r-... "'C... "' ~ -" V'- Bar. de Dads Mux. H L Me.ória de ~ de ~ Dads Prgrama.I ~ Unidade A 8 e ~ de 1\ Bar. de Endereçs 11' ~ L l Memõria u % ~ Endereçament de Dads.,.. c Unidade de 2l Cntrõle f Registrs l;t- 7 S.. "' ~ de = " Unidade de [\r->1 ~ntrõle "'--' Cmunic. "Status" I l... l Prcessament Fig Diagrama em blcs d PN25 A unidade de cntrle estabelece s váris estads em que a placa prcessadra pde se encntrar. Esses estads sã cmandads pel micr através d registradr de cntrle, dentre algumas estã a parada d prcessadr, a liberaçã d barramenttr de dads e endereçs para que micr acesse as memórias de prgrama u dads, "reset" na unidade de prcessament, etc. O registradr de cmunicaçã cnstitui uma via de dads pr nde pde-se passar infrmações d micr para a unidade de prcessament e vice-versa. O registradr de "status" frnece a micrcmputadr estad em que a placa se encntra.

3 173 As memórias de prgrama e de dads e s registradres estã mapeads n espaç de endereçament d micrcmputadr n esquema d tip "I/0 mapead em memória". O multiplexadr e frmatadr transfrmam s bytes que chegam de maneira sequencial d micr em palavras de 16 bits para a unidade de prcessament e vice-versa. A unidade de prcessament é representada pel Prcessadr Digital de Sinais (DSP) TMS320C25, que trabalha a uma taxa de relógi de 40 MHz, cm cicl de instruçã de até 100 ns. Este é um DSP de segunda geraçã, cnfeccinad em tecnlgia CMOS PROCESSADOR DIGITAL DE SINAIS (DSP) Nessa década, cm advent da técnica de prjet de circuits integrads em VLSI, fi pssível a cnstruçã de Prcessadres Digital de Sinais (DSP) em pastilha un1ca, utilizand tecnlgia NMOS e psterirmente CMOS. A principal característica da arquitetura desse tip de prcessadr é a estrutura multiplica/sma/acumula, mstrada na figura 2.2, que permite a execuçã de perações de acumulaçã de prduts em "pipeline" ~1UL TIPLICADOR ACUMULADOR s Fig Estrutura multiplica/sma/acumula em "pipeline" O DSP TMS320C25 utilizad n PN25 pssui quatr peradres aritmétics principais: ALU, Multiplicadr, Acumuladr e Registradres de deslcament. Tdas as perações aritméticas sã executadas pr "hardware" em pnt fix de 16 bits. Os resultads de uma multiplicaçã, sma u acumulaçã sã

4 174 representads em inteir de 32 bits em cmplement de dis. A figura 2.3 apresenta diagrama da unidade de prcessament d TMS320C25. Cm a estrutura "pipeline" desse prcessadr, cada term de uma acumulaçã de prduts, u seja, c = ai * bj pde ser executada a cada cicl de instruçã, 100 ns, que perfaz uma taxa de 10 MIPs (valr de pic) de trabalh. SFL(0-18) sx ORO Fig. 2.3 Unidade de prcessament d TMS320C APLICAÇÕES EM PROCESSAMENTO DE IMAGENS Uma imagem pde ser vista cm uma matriz bidimensinal, nde s índices de linha e cluna identificam um pnt n espaç. O valr desse pnt é prprcinal à intensidade de luz emitida naquela prçã d espaç. Os elements de imagem u "pixels" pdem ser representads pr f(i,j), nde i e j sã índices de linha e cluna respectivamente. Nrmalmente s valres de f(i,j) sã quantizads em 8 bits (256 níveis) nas imagens de satélites.

5 As técnicas de prcessament de imagens pdem ser divididas em dis grups : métds que levam em cnta as relações entre um pnt e seus vizinhs n espaç 20 e métds que alteram valr digital de cada "pixel", independentes ds pnts vizinhs. O primeir métd é chamad de "perações de vizinhança" e segund "pnt a pnt". Um exempl típic de "perações de vizinhança" é a filtragem espacial, nde cada nv pnt é express cm send a sma pnderada entre pnt em questã e seus vizinhs. Os ceficientes d filtr sã representads em frma de uma "máscara" que percrre a imagem pnt a pnt. Uma máscara 3 x 3 aplicada em um pnt f{i,j) de uma imagem resulta em um pnt g{i,j) da seguinte maneira : Dada a máscara 175 cada nv pnt g(i,j) é dad pr : g(i,j) = * f{i-l,j) + C11 * f(i-l,j-1) + C13 * f(i-l,j+l) + * f(i,j) + C21 * f(i-l,j) + C23 * f(i+l,j) + * f(i+l,j) + C31 * f{i+l,j-1) + C33 * f(i+l,j+l) Nte que esse algritm se adapta muit bem para ser executad em um prcessadr que pssua estrutura de acumulaçã de prduts em "pipeline", cm é cas d DSP TMS320C25. Um exempl d métd "pnt a pnt" sã s algritms de classificaçã estatística de imagem. Um algritm desse tip calcula para cada pnt s valres de prbabilidade de tdas as classes presentes na imagem; pnt é entã atribuíd à classe mais prvável. Esse tip de algritm é mais custs cmputacinalmente. Nesse trabalh sã ensaiads n PN25 um algritm de cada métd,u seja, a filtragem espacial e a classificaçã estatística (MAXVER). 4 - RESULTADOS OBTIDOS A tabela I apresenta s temps de prcessament bem cm s ganhs btids cm a adiçã d prcessadr PN25 n SITIM-150. Fram ensaiads dis tips de algritms, a filtragem espacial utilizand tres tips de máscaras e a classificaçã estatística

6 --~-~ TJ\UELA I IICRO ALGORITf.IOS Temp de Temp de Ter.1p ttal Temp de Temp efet..!_ Ganh em GANHO Utilizad Testads I/0 Prcessa- de execuça Prcessa- v de execu - tenp de EFETIVO (Acess a rnent n n ment n ça cm Prcessa UVI) mer t 1icr PN25 PN25 ment Fi-ltr: g seg. 8:47 min. 8:56 nin. 4 seg. 9 seg x3 Fi 1 tr: 5x5 9 seg. 19:46 min. 19:55 min. 8 seg. 9 seg Micr PC -XT 7x7 9 seg. 34:02 min. 34:11 min. 12 seg. 12 seg I Max ver: 3 bandas 3 classes 44 seg. 24:46 min. 25:30 min. 12 seg. 44 seg Haxver: 3 bandas 5 classes 44 seg. 37:42 min. 38:26 min. 22 seg. 44 seg x3 5 seg. 4:35 min. 4:40 min. 4 seg. 5 seg ~1icr PC - AT Sx5 5 seg. 10:50 min. 10:55 min. 8 seg. 8 seg x7 5 seg. 18:32 min. 18:37 min. 12 seg. 12 seg t 1axver: 3 bandas 28 seg. 12:52 min. 13:20 min. 12 seg. 28 seg classes ~1axver: 3 bandas classes 28 seg. 18:12 mi n. 18:40 min. 22 seg. 28 seg

7 de imagem (MAXVER), variand númer de classes. Os ensais fram realizads em dis tips de micrs, um PC-XT e um PC-AT, para se cmparar desempenh d PN25 nesses dis micrs. Devid a esquema de prcessament em paralel, micr/pn25, temp efetiv de execuçã de alguns algritms fi smente temp de I/0 d micr. Iss pde ser bservad n algritm MAXVER ns dis micrs utilizads e também n algritm FILTRO 3 x 3 e 5 x 5 executad cm PC-XT e n FILTRO 3 x 3 cm PC-AT. O ganh efetiv d PN25 n micr PC-AT fi praticamente igual a PC-XT. Iss significa que em micrs mais rápids ainda é viável a utilizaçã d PN25. Verifica-se também na tabela I que n algritm FILTRO, que utiliza métd de "vizinhança", bteve-se um ganh mair, cm era de se esperar, devid a "acumulaçã de prduts" que este envlve. De um md geral PN25 mstru-se uma ba pçã para a execuçã de algritms que envlvam cálculs intensivs. 5 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 177 MENDES, C.L.; NETO, G.C.; MURA, J.C.; GARRIDO, J.C.P.; SOUZA, R.C.M. Análise de Arquiteturas para Prcessament de Imagens. I Simpósi Brasileir de Arquitetura de Cmputadres, 1987 MURA, J.C.; Aument da perfrmance d SITIM-150 um prcessadr numer1c de alt desempenh. Brasileir de Sensriament Remt, TEXAS INSTRUMENTS Digital Signal Prcessr. Users Guide, através de V Simpósi TMS320C25