Travaux Pratiques- Architecture des Ordinateurs

Université de Savoie
Module I621
Travaux Pratiques
Architecture des Ordinateurs
Sylvain MONTAGNY
[email protected]
Bâtiment chablais, bureau 13
04 79 75 86 86
TP1 : Simulation des mémoires caches et du pipeline d’un processeur
TP 2 : Application sur cible à microprocesseurs (1)
TP 3 : Application sur cible à microprocesseurs (2)
Retrouver tous les documents nécessaires au TP sur le site
www.master-electronique.com
Université de Savoie
Module I621
Architecture des Ordinateurs
TP1
Simulation de mémoire cache et pipeline
Objectifs : Comprendre le déroulement d’un logiciel dans une architecture à microprocesseur.
Un compte rendu sera remis avec pour consignes :
 Format PDF en un seul fichier.
 Le nom du fichier sera : I621-TPx-Nombinome1-Nombinome2.pdf
 Envoyé à [email protected]
Votre compte rendu sera bien reçu seulement si vous avez un message de confirmation de
notre part. Les parties recopiées entres binômes ne seront pas corrigées.
1. Présentation
1.1. Objectifs
Nous allons travailler sur une architecture MIPS 32 bits (Microprocessor without Interlocked
Pipeline Stages). L'architecture MIPS est une architecture de processeur de type RISC
(Reduced Instruction Set Computer). Son architecture est une référence. Les processeurs
fabriqués selon cette architecture sont surtout utilisés dans les systèmes embarqués.
L’objectif n’est pas d’étudier cette architecture en particulier, ni d’étudier le jeu d’instruction
de ce processeur. Néanmoins nous allons examiner le déroulement d’un logiciel à l’aide d’un
simulateur d’architecture MIPS32. Ceci nous permettra de mieux comprendre l’organisation
et l’exécution du code pour le microprocesseur.
Vous pouvez parcourir le site web www.mips.com, pour visualiser quelques applications des
microprocesseurs MIPS.
1.2. Présentation du simulateur MARS
“MARS is a software simulator for the MIPS assembly language intended for educational use.
We will explore the capabilities of MARS release 3.2.1. MARS may be downloaded from
www.cs.missouristate.edu/MARS.“
2. Prise en main de l’environnement
Remarques : Certaines questions relèvent plus de la culture générale. Vous pourrez à juste
titre chercher des informations sur Internet à ce sujet.
>Lancer Mars.jar, dont l’application est codée en JAVA.
>Ouvrir le code assembleur “row-major.asm”
>Assembler le code (Run>Assemble)




L’icone
permet de lancer l’exécution du programme jusqu’à la fin. En utilisant
cette fonction vous observez le surlignement jaune qui montre l’adresse du programme
en cours d’exécution. Les valeurs du programme qui sont calculées apparaissent dans
le segment de donnée.
L’icone
permet de faire un reset du programme et des valeurs de l’ensemble des
registres du simulateur.
L’icone
permet d’exécuter une instruction après l’autre. Autrement dit, de faire de
l’exécution pas à pas. Cette fonction est complété par l’icône
, qui permet de
revenir d’un pas : “single-step backwards”.
Le processeur utilise un adressage par octet. Vous pouvez changer le format de
visualisation du contenu des adresses et des adresses en hexadécimal ou en décimal :
.
Dans le logiciel MARS, ajuster le « run speed » :
de voir l’évolution de l’algorithme en fonction du temps.
afin d’avoir le temps
Dans la présentation du “segment de code” (Text segment en anglais) vous avez les colonnes
suivantes :
Q1. Précisez ce que chacune des colonnes contiennent. Vous prendrez un exemple en
étudiant la ligne de code 41 du programme. Vous vous aiderez de la documentation en
annexe. Tout doit pouvoir être justifié :
loop:
mult
$s0, $t1
Q2. Quel est le registre du microprocesseur qui spécifie l’adresse de la prochaine
instruction à exécuter dans le logiciel. Quelle est la valeur de ce registre au Reset? Est-ce
logique par rapport à l’implantation de votre programme en mémoire ?
Q3.
Qu’est ce que le « text segment » et le « data segment » ?
Q4. Expliquez les cases :
dans le « data segment ».
Q5. Sachant que le processeur MIPS32 est un processeur 32 bits, quel est la taille d’un
mot mémoire ? Quelle quantité d’information le processeur sera-t-il capable de stocker en un
seul cycle ?
Depuis l’aide, (Help>Help>Basic_Instructions) vous trouverez l’ensemble des instructions
disponibles dans ce microprocesseur.
Les processeurs MIPS et leurs architectures ont beaucoup évolués depuis leur première
version. Le document ci-dessous présente une introduction du jeu d’instruction de ce
processeur.
Q6.
Qu’est ce que le jeu d’instruction d’un processeur ?
Q7. Expliquer en une phrase le message que souhaite faire passer le constructeur au sujet
du jeu d’instruction de l’ensemble des processeurs MIPS. (Ceci est aussi vrai pour tous les
processeurs et beaucoup d’autres technologies).
Q8. Expliquer ce que fait le programme en regardant le code C dans les commentaires (au
début du code assembleur). Essayer de retrouver les différentes étapes depuis le code
assembleur. Dans le code suivant, vous écrirez sans rentrer dans le détail, le code C aligné
sur le code assembleur.
CODE ASSEMBLEUR
.data
data: .word 0 : 256
# storage for 16x16 matrix of words
.text
li
$t0, 16
# $t0 = number of rows
li
$t1, 16
# $t1 = number of columns
move $s0, $zero # $s0 = row counter
move $s1, $zero # $s1 = column counter
move $t2, $zero # $t2 = the value to be stored
loop: mult $s0, $t1
# $s2 = row * #cols (two-instruction sequence)
mflo $s2
# move multiply result from lo register to $s2
add
$s2, $s2, $s1 # $s2 += column counter
sll $s2, $s2, 2 # $s2 *= 4 (shift left 2 bits) for byte offset
CODE C
sw
addi
$t2, data($s2) # store the value in matrix element
$t2, $t2, 1 # increment value to be stored
# Loop control:
addi $s1, $s1, 1 # increment column counter
bne
$s1, $t1, loop # not at end of row so loop back
move $s1, $zero # reset column counter
addi $s0, $s0, 1 # increment row counter
bne
$s0, $t0, loop # not at end of matrix so loop back
# We're finished traversing the matrix.
li
$v0, 10
# system service 10 is exit
syscall
# we are outta here.
3. Applications
3.1. Statistique d’exécution
Dans le processeur MIPS comme dans tous les processeurs, il existe des instructions :
 De calcul arithmétique et logique
 De transfert de donnée (µP>Mémoire ou Mémoire>µP)
 Instruction de contrôle (saut ou branchement conditionnel)
Q9. Grâce à l’outil « Instruction Statistics », donner le pourcentage des instructions les
plus utilisées. Selon vous, d’un point de vue de la rapidité d’exécution, quel type d’instruction
le processeur sait bien exécuter ? Pour lesquelles il est le plus lent, pourquoi ?
Note : cliquer sur
afin de lier l’outil au code que vous avez chargé.
3.2. Le pipeline
Les processeurs MIPS intègrent un pipeline.
Q10. Préciser l’intérêt des pipelines dans un microprocesseur d’après le document suivant
présent dans la documentation du processeur MIPS
Figure 1 : Fonctionnement sans mise en œuvre du pipeline
Figure 2 : Fonctionnement avec mise en œuvre du pipeline
Q11. Un des aléas possible du pipeline est en relation avec les branchements dans le
programme. Dans le programme utilisé, donner la première instruction de saut conditionnel
et expliquer la. Préciser aussi quelle solution avons-nous pour éviter cet aléa en particulier.
3.3. Solution des aléas du pipeline
Un outil présent dans le simulateur est le BHT Simulator (Branch History Table Simulator).
Cet outil est en fait la représentation d’une architecture présente dans les processeurs. Cette
table permet d’enregistrer dans un espace de stockage le résultat des branchements
conditionnels :
 Soit le branchement est pris (TAKEN)
 Soit le branchement est non pris (NOT TAKEN)
Cette table n’a pas une taille infinie, et il arrive qu’il ne soit pas possible de renseigner tous
les branchements présents dans un code. La taille de cette table est spécifier par le champ :
« #of BHT entries ».
>cliquer sur
afin de lier le l’outil au code que vous avez chargé.
Q12. Expliquer pourquoi l’historique de branchement peut permettre d’améliorer le
déroulement du pipeline.
Q13. A l’issu de l’exécution complète du code, combien de branchement ont causés une
rupture du pipeline, et combien n’ont pas ralentit le déroulement du programme ?
3.4. Les mémoires caches
3.4.1 Etude de l’algorithme utilisé
Q14. Expliquer en exécutant l’algorithme « row-major.asm », et en visualisant le segment
de données, comment sont rangées les lignes et les colonnes du tableau en mémoire ?
Note : Vous pouvez visualiser les valeurs en décimal plutôt qu’en hexadécimal pour que ce
soit plus lisible.
> Ouvrir l’outil « Memory Reference Visualisation ». Cet outil permet de représenter
graphiquement l’espace mémoire du microprocesseur. Les valeurs par défaut sont configurées
pour schématiser exactement le tableau data[16][16], c'est-à-dire un tableau de 16 lignes et 16
colonnes.
A chaque fois qu’un accès mémoire est réalisé, la case concernée est colorée.
Q15. Quelles remarques pouvez-vous faire sur les accès en mémoire en exécutant
l’algorithme du code « row-major.asm » puis celui du code « column-major.asm » ?
Column Major Algorithm
Row Major Algorithm
for (col = 0; col < 16; col++)
for (row = 0; row < 16; row++)
data[row][col] = value++;
for ( row = 0; row < 16; row++)
for ( col = 0; col < 16; col++)
data[row][col] = value++;
3.4.2 Performance des algorithmes à l’aide des mémoires caches
Les processeurs MIPS32 possèdent des mémoires caches. Nous allons effectuer différents
tests afin de mettre en évidence l’intérêt des mémoires caches dans une architecture à
microprocesseurs. Notamment, nous allons utiliser les deux algorithmes « columsmajor.asm » et « row-major.asm ».
> Ouvrir le Data Cache Simulator, et connecter le à votre code
.
Q16. Dans cet outil donner le nom des deux types de cache que nous avons vu en cours et
préciser rapidement le fonctionnement de chacune d’elle.
Q17. Expliquer les deux politiques de remplacement : LRU et Random. Pour quel type de
cache cela est valable.
Q18. Comment est calculé le «cache size » ?
Dans la configuration par défaut on a :



Placement policy : Direct Mapping
Number of block : 8
Cache block size : 4
Q19. Avec « row-major.asm » et en vous plaçant dans la configuration par défaut,
expliquer en fonction du code en C qui s’exécute ce qu’il se passe. Justifier le taux de Hit et le
taux de Miss.
Q20. Quels sont les performances que vous pouvez prédire si la taille des blocs passe de 4 à
8 mots ? Vérifier ce résultat en simulation et expliquer pourquoi.
Q21. Faites la même chose en passant de 4 à 2 mots, faite la même vérification en
simulation.
Note : Vous n’êtes pas obligé de fermer l’outil « mémoire cache » pour ouvrir et compiler un
autre code.
Q22. Reprenez les 3 dernières questions et faite la même chose avec l’algorithme « columnmajor.asm ». Donner les performances (taux de Hit et Miss) et expliquer pourquoi.
Toujours avec l’algorithme « column-major.asm », afficher deux instances de l’outil mémoire
cache, et faite une comparaison simultanée avec :



Placement policy : Direct Mapping
Number of block : 8
Cache block size : 4



Placement policy : Direct Mapping
Number of block : 16
Cache block size : 16
Q23. A-t-on amélioré le taux de Hit ?
Faite un essai avec la mémoire cache “full associative” :
 Placement policy : Direct Mapping
 Placement policy : Full Associative
 Number of block : 8
 Number of block : 8
 Cache block size : 4
 Cache block size : 4
Q24. A-t-on amélioré le taux de Hit ?
Q25. Pourquoi n’a-t-on pas de résultat très performant avec la mémoire cache associative
pour ce programme en particulier.
4. Documentation
Université de Savoie
Module I621
TP 2
Programmation d’applications sur cible
Le compte rendu de TP :
Un compte rendu sera rendu à la fin de la séance avec pour consignes :
 Format PDF en un seul fichier.
 Le nom du fichier sera : I621-TPx-Nombinome1-Nombinome2.pdf.
 Envoyé par email à [email protected].
Votre compte rendu sera bien reçu seulement si vous avez un message de confirmation de ma
part.
I. Objectifs du TP
Le but de ces manipulations est de découvrir un environnement de programmation moins
habituel. Cela met en évidence certaines considération (espace mémoire limité, ressources
limitée… etc) que vous avons habituellement peu l’habitude de prendre en compte.
Le processeur cible est un processeur DSP (Digital Signal Processeur). Comme sont nom
l’indique il est destiné à réaliser des applications de traitement du signal. C’est pour cette
raison que nous application sera orienté vers un algorithme qui permettra de modifier certains
paramètres d’un signal sonore.
1.
Matériel à votre disposition
Certains des éléments suivants sont présents sur votre plan de travail.
 Une carte Processeur DSK5416
 Une paire d’enceinte amplifiée
 Un câble audio
 Un câble USB
 Un câble d’alimentation pour la carte
2.
Montage du TP
Nous réaliserons une application audio classique. Dans notre cas, l’objectif final est
d’appliquer un filtre d’écho sur un fichier son. Le montage du TP est donné à la figure
suivante. Cependant, il faut impérativement suivre scrupuleusement les instructions du
paragraphe ‘Instruction pour la connexion de la carte’ pour éviter tout disfonctionnement.
Attention : Il est important de relier la sortie du PC à LINE IN et les enceintes à SPKR OUT.
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Switches
USB
LED
LINE
OUT
Carte DSK
C5416
PCM
3002
SPKR
OUT
3.
LINE
IN
Instruction pour la connexion de la carte
Cette procédure est à réaliser avec attention chaque fois que pour une raison ou une autre la
connexion USB ne fonctionne plus
 (Re)Brancher l’alimentation de la carte DSK.
 Attendre que les LEDs aient clignoté puis restent allumées
 Brancher le câble USB.
 Lancer CCS (Code Composer Studio)
 Se connecter à la cible : Debug > Connect
Une icône verte doit apparaître en bas à gauche de la fenêtre de CCS pour préciser que la
carte est bien connectée au PC.
Remarque : L’allumage et l’extinction des enceintes près de la carte DSP font perdre la
connexion USB dues à des perturbations électro-magnétique. Il faudra donc toujours laisser
les hauts parleurs allumés lors des manipulations.
II. Présentation de CCS :
Ouvrir le projet template.pjt (Project>Open…>template.pjt)
1.
Présentation générale
CCS est un Logiciel dit IDE (Integrated Development Environment) pour compiler,
assembler, linker et débuguer des programmes pour le DSK (DSP Starter Kit), autrement dit
la carte de développement DSP.
Ce logiciel est donc utilisé dans toutes les phases de développement d’une application :
 Coder, Compiler, assembler, et linker : Créer un projet, écrire le code en utilisant
l’éditeur, compiler et éditer les liens.
 Débuguer : Vérification de l’algorithme, des affectations des variables. Utilisation de
Break Points (point d’arrêt dans le programme), fonctionnement du programme en pas
à pas, etc…
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
2.
Analyse : Statistiques, analyse temps réelle, analyse temps réel, etc…
Prise en main de CCS
Vous allez prendre en main CCS en utilisant les différentes fonctionnalités à partir d’un
programme simple. Dans le tutorial de CCS, on peut retrouver les définitions suivantes pour
les fichiers contenus dans le projet.






.pjt This file contains all of your project build and configuration options
.lib This library provides runtime support for the target DSP chip
.c This file contains source code that provides the main functionality of this project
.h This file declares the buffer C-structure as well as define any required constants
.asm This file contains assembly instructions
.cmd This file maps sections to memory
Remarque : le projet est de type DSP/BIOS. Cela offre l’avantage d’une configuration
simplifié du système d’exploitation présent dans la mémoire interne du processeur. Par
ailleurs cette interface de configuration DSP BIOS permet de prendre en main le noyau temps
réel multitâches, dont nous n’utiliserons pas les caractéristiques ici.
3.
Premier programme
Le programme du DSP utilise le codec audio PCM3002 qui est en fait un convertisseur A/N
& N/A. Le codec audio est vu comme un périphérique classique du point de vue du
processeur. Ce programme recopie simplement le signal reçu sur l’entrée « Line In » vers la
sortie « Spkr Out ».
Compiler le projet en entier (Project > Rebuild All) et charger le code exécutable (.out) dans
le DSP (File > Load Program). Lancer l’application (Debug > Run) et vérifier le
fonctionnement. Pour cela vous utiliserez le fichier son mis à votre disposition pour le test.
Q1. En positionnant un point d’arrêt dans le code (double clic en colonne de gauche),
visualiser les échantillons right_input, right output, left_input et left output (clic droit sur la
variable > Add to watch Window). Vérifier le fonctionnement correct du programme.
III. Analyse et conception d’un programme
1.
Fichier de commande et implantation du code en
mémoire
Le fichier de commande (dossier ‘Generated File’>‘templatecfg.cmd’) est généré
automatiquement à partir du fichier de configuration template.cdb. De plus, si l’utilisateur
souhaite le compléter il peut le faire dans un autre fichier qui sera joint au projet
(fichier_xxx.cmd). Observer le fichier de commande templatecfg.cmd et notamment les parties
MEMORY, puis SECTIONS.
Q2. Expliquer à quoi sert un fichier de commande d’une façon générale, et à quoi servent
précisément les parties MEMORY, puis SECTIONS ?
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Le processus de compilation fournit un code assembleur spécifique à ce DSP. Ce langage
assembleur utilise par exemple la directive .text pour désigner du code.
Q3. D’après le contenu du fichier ‘templatecfg.cmd’ à quelle adresse sera implanté le
code (.text) du projet compilé ? Vérifier et justifier votre réponse de deux façons :


2.
En visualisant la mémoire programme (View>Memory)
En visualisant le fichier template.map généré à la compilation
Amplification du son
A partir de ce projet, nous allons réaliser le traitement des échantillons audio reçus.
Les fonctions suivantes font parties de la library dsk5416f.lib :
 unsigned int switch_status_display(void)
Cette fonction retourne la valeur présente sur les switches présent sur la carte.
Q4. En utilisant la fonction fonction switch_status_display () présente dans le fichier
switches.c, réaliser un amplificateur des voies droites et gauches suivant la valeur des
interrupteurs. Le prototype de la fonction sera le suivant :
void amplification(Int16 in, Int16 *p_out, Int16 ampli).
 Int16 in :
Echantillon d’entrée
 Int16 *p_out :
Pointeur sur l’échantillon de sortie après traitement
 Int16 ampli :
Coefficient multiplicateur pour l’amplification
Note :
 Uint32 est un « Unsigned int sur 32 bits »
 Int16 est un « Signed int sur 16 bits »
En passant la souris sur les types redéfinis (Uint32, Int16…. etc), et en cliquant sur le fichier
concerné on peut avoir des informations complémentaires :
Q5. D’après l’étude des différents « typedef » qui sont réalisés, expliquer l’intérêt de ces
déclarations plutôt que les utilisations classique (short, int, long, double… etc) ?
3.
Enregistrement du son et visualisation des échantillons.
3.1. Buffer linéaire
On utilisera dans un premier temps un buffer linéaire avec décalage des échantillons
précédents et insertion du premier échantillon en première case du tableau.
Q6. Créer une nouvelle fonction réalisant le stockage des 128 derniers échantillons de la
voie droite et de la voie gauche. Les buffers (tableaux) seront définis par les déclarations
suivantes :
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#define MAXBUFSIZE 128
// en début de fichier
Int16 in_buffer_right[MAXBUFSIZE]; // déclaration en variable globale
Int16 in_buffer_left[MAXBUFSIZE];
Et le prototype de la fonction sera le suivant :
void linear_buffer( Int16 ech, Int16* buff);
 Int16 ech : échantillon à enregistrer
 Int16* buff : Pointeur sur le tableau d’échantillons
Q7. CCS permet d’afficher des zones mémoires (ex : tableaux) sous forme de graphiques
(View > Graph > Time/Frequency). Représenter le signal audio par un graphique en
complétant convenablement les champs demandés.
Note : En C, l’adresse d’un tableau en mémoire est son nom.
3.2. Buffer circulaire
Le processus de capture par buffer linéaire défini précédemment est relativement couteux en
nombre de cycles. Nous allons le remplacer par un buffer circulaire.
Nous prendrons des buffers circulaires de taille MAXBUFSIZE=1024.
Q8. Ecrire une nouvelle fonction permettant d'enregistrer un signal dans deux buffers
circulaires (droite et gauche), avec le prototype suivant:
void circular_buffer(Int16 ech, Int16* buff);
 Int16 ech : échantillon à enregistrer
 Int16* buff : Pointeur sur le tableau d’échantillons
IV. Traitement numérique d’un signal sonore
1.
Filtre d'écho
On désire implémenter un filtre d'écho. C'est-à-dire que l’algorithme logiciel implémenté est
une amplification d’un échantillon arrivé précédemment.
Formule : y (n)  x(n)  G.x(n  k )
y(n) est l’échantillon de sortie
x(n) est l’échantillon de musique non traité à l’entrée de la carte (à la sortie du lecteur MP3)
x(n-k) est l’échantillon stocké dans le buffer avec un retard de k échantillons.
G le gain sur l’échantillon retardé.
Q9. Quel est le lien entre le délai en secondes et le nombre d’échantillons sachant que la
période d’échantillonnage (capture des échantillons sonore) est de 24 000 Hz ? Trouver alors
la taille du tableau (MAXBUFFSIZE) que vous devez implémenter pour un retard de 0,2s.
Q10. Réaliser à la fois l’enregistrement circulaire des échantillons (pour effectuer le
retard) et le calcul qui implémente cet écho. On prendra G=1 (c'est-à-dire qu’on superposera
à puissance égale l’écho et le signal original).
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2.
Utilisation de la mémoire
Q11. Quel est le retard maximum que vous auriez pu réaliser ?. Faites tout d’abord un essai
de façon pratique (en essayant des valeurs), puis vérifier en visualisant l’allocation mémoire
faite par les buffers des deux voies (fichier .map).
Q12. Quelle est le nom de la zone mémoire utilisée pour l’allocation de ces buffers ?
On s’aperçoit qu’une fois de plus, dans un système embarqué, nous sommes limités en termes
de ressources. Nous voyons très facilement ici les limitations dues à la taille de la mémoire
centrale interne au composant. Une première façon pour contourner la limitation mémoire de
la zone utilisée est de placer les données dans une zone plus grande.
Visualiser le fichier template.cmd, qui est un fichier de commande.
SECTIONS {
.buffer > DARAM47
}
Nous allons inclure le code suivant dans le fichier principale grâce à la directive #pragma.
#pragma DATA_SECTION (in_buffer_right, ".buffer")
#pragma DATA_SECTION (in_buffer_left, ".buffer")
Q13. Expliquer l’action de l’éditeur de lien à la vue du fichier de commande template.cmd
jumelé à l’ajout des lignes #pragma dans le code source. Vérifier son effet grâce à l’étude de
l’implantation des buffers dans le fichier généré « .map ».
Q14. Quelle est la nouvelle taille maximale des buffers (en échantillons et en secondes) ?
Vous pouvez faire un nouvel essai de l’écho pour faire le plus grand écho possible.
3.
Estimation de la charge processeur
Le DSP utilisé possède un système d’exploitation temps réel multitâche non utilisée ici. Un
Scheduler permet de faire le séquencement entre toutes les taches à exécutées dans le système.
Nous avons dans notre cas qu’une tâche qui s’exécute
Q15. Dans le cas de notre application, estimer la charge CPU ? Proposez une amélioration
de votre système.
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Université de Savoie
Module I621
TP3
Programmation d’applications sur cible
Le compte rendu de TP :
Un compte rendu sera rendu à la fin de la séance avec pour consignes :
 Format PDF en un seul fichier.
 Le nom du fichier sera : I621-TPx-Nombinome1-Nombinome2.pdf.
 Envoyé par email à [email protected].
Votre compte rendu sera bien reçu seulement si vous avez un message de confirmation de ma
part.
I. Méthode classique de génération de sinus
Dans premier temps nous allons générer des fréquences d’une façon classique. C'est-à-dire
que la valeur du sinus sera calculée pour chaque échantillon. L’objectif sera de jouer une
mélodie. Cette mélodie se trouve enregistrée sous forme d’un tableau de notes. Chaque ligne
du tableau correspond aux caractéristiques de chacune des notes : fréquence, durée,
amplitude.
Fréquence (Hz)
Durée (s)
Amplitude (V)
200
480
650
0.3
0.6
0.45
2
2
2
1000
0.75
2
Note 1
Note 2
Note 3
……
……
……
Note n
En langage C, chaque case du tableau se présente sous la forme d’une structure :
struct Note
{
int freqNote;
float dureeNote;
float AmplitudeNote;
};
# define TAILLE_MORCEAU_MUSIC
4
//Exemple de Morceau sur 4 notes => tableau de 4 notes
struct Note Morceau_Music[TAILLE_MORCEAU_MUSIC]=
{{440,0.25,2},{200,0.25,3},{880,0.25,1},{2000,0.25,4}};
1.
Préparation
Le DSP fonctionne à fréquence d’échantillonnage fixe de 24 kHz que l’on notera F ech .
Q1.
Combien d’échantillon NB_ECH_PERIO sont contenu dans une période T note
d’une note quelconque ? Dessiner votre signal échantillonné sech (t ) sur une période en
plaçant T note et F ech .
…………………………………………………………………………………………………...
Q2.
Donner l’expression de sech (t ) en fonction de k  [0; NB _ ECH _ PERIO  1] ,
et de NB_ECH_PERIO.
…………………………………………………………………………………………………...
La période de retentissement de la note est simplement réalisé en connaissant le nombre
d’échantillon total ( NB_ECH_DUREE ) qui sera envoyé au Codec Audio.
Q3.
Donner l’expression de NB_ECH_DUREE au cours d’une note de durée D note .
…………………………………………………………………………………………………...
2.
Réalisation sur le DSP
Le nombre de bits du convertisseur analogique/numérique est de 16. Cela signifie que les
valeurs des signaux en sortie du convertisseur prennent des valeurs
 [215 ;215  1]  [32768;32767]
Q4.
Ecrire le code d’une fonction [ int Calcul_NB_ECH_PERIO(…,…) ] qui
retourne le nombre d’échantillons contenus dans la période de la note ? Les arguments à
passer à la fonction sont libres de choix.
Ecrire le code d’une fonction [ int Calcul_NB_ECH_DUREE(…,…) ]qui
Q5.
retourne le nombre d’échantillons contenus dans la durée de la note ? Les arguments à
passer à la fonction sont libres de choix.
Ecrire le code qui permet de générer une note de fréquence 1000 Hz, de durée
Q6.
5 secondes. Vous pouvez limiter l’amplitude du sinus pour avoir un son plus faible.
Ecrire le code qui permet de générer le morceau de musique dont les notes
Q7.
sont données dans le tableau page suivante.
Note : L’amplitude de tous les échantillons seront de 10000.
Notes Morceau
Note 1 – Si_3
Note 2 - Mi
Note 3 - Sol
Note 4 - Fa #
Note 5 - Mi
Note 6 – Si_4
Note 7 - La
Note 8 – Fa #
Note 9 - Mi
Note 10 - Sol
Note 11 – Fa #
Note 12 – Ré #
Note 13 - Fa
Note 14 - Si
Note 16 - Si
Note 17 - Si
Note 18 - Mi
Note 19 - Sol
Note 20 - Fa #
Note 21 - Mi
Note 22 – Si_4
Note 23 - Ré
Note 24 – Ré bem
Note 25 – Do
Note 26 – La bem
Note 27 – Do
Note 28 - Si
Note 29 - Si bem
Note 30 - Si bem
Note 31 - Sol
Note 32 - Mi
Note 33 - Mi
Note 34 - Sol
Fréquence (Hz)
494
659
784
740
659
988
880
740
659
784
740
622
698
494
494
494
659
784
740
659
988
1174
1108
1046
830
1046
988
932
932
784
659
659
784
Durée (s)
0.3
0.45
0.3
0.3
0.6
0.3
0.9
0.9
0.45
0.3
0.3
0.6
0.3
0.9
0.6
0.3
0.45
0.3
0.3
0.6
0.3
0.6
0.3
0.6
0.3
0.45
0.3
0.3
0.6
0.3
0.9
0.6
0.3
II. DDS : Direct Digital Frequency
Une façon de modifier la fréquence du sinus est d’utiliser une structure DDS : Direct Digital
Frequency. Cette structure est présentée à la figure suivante :
Le registre « n » est une phase. A chaque cycle d’horloge de fréquence F ech , on ajoute au
nombre précédemment stocké dans un accumulateur, un nombre n. Lorsque l’accumulateur
arrive à saturation (dépassement des index du tableau de sinus), il reboucle et une nouvelle
période d’accumulation est entamée. Ci-dessous, l’évolution de la phase (équivalente à
l’index du tableau) pour une incrémentation de 1 à chaque coup d’horloge.
La phase de votre sinus peut aussi être vue comme l’index de votre tableau de sinus. C'est-àdire que pour réaliser un sinus deux fois plus rapide, il suffit de lire une case sur deux du
tableau de sinus. Pour un sinus trois fois plus rapide, une case sur trois… etc.
Bien sûr, on ne peut pas lire plus d’échantillon que NB_ECH_PERIO (valeur constante qui a
servi à l’initialisation du tableau de sinus).
Donner l’expression du pas fréquentiel, c'est-à-dire la différence entre deux
Q8.
fréquences successives que nous pourrons obtenir en fonction de NB_ECH_PERIO et
Fech. Faire l’application numérique avec NB_ECH_PERIO=48 et Fech=24kHz.
Nous reprenons le tableau de la mélodie que nous devons générer.
Quel pas fréquentiel faut-il respecter ? Donner la valeur de NB_ECH_PERIO
Q9.
de notre tableau de sinus pour que cette condition soit respectée.
Q10.
3.
Donner la fréquence max et min que nous allons pouvoir générer.
Réalisation sur le DSP
Q11.
D’après le fichier de commande, quelle zone mémoire pourrait être capable de
contenir l’ensemble de ces échantillons.
Le programmeur doit donc savoir gérer l’emplacement de ces variables en mémoires. On se
propose de placer votre tableau d’échantillon dans un emplacement mémoire plus large : celui
que vous avez sélectionné.
Cela est réalisé en 2 étapes très simples :
 On associe votre tableau d’échantillon à une directive : « .buffer » :
#pragma DATA_SECTION (nom de votre tableau, ".buffer")

On spécifie dans un nouveau fichier de commande .cmd (que vous rajouterez au
projet) que la section compilée en .buffer sera placée dans votre emplacement choisi.
Cela permet de faire passer l’information à l’éditeur de lien la nouvelle attribution des
variables dans l’espace mémoire. On peut remarquer que templatecfg.cmd (le fichier
de commande généré par l’outil de développement) est intégré au début du fichier afin
de reprendre toutes les anciennes affectations et simplement de rajouter la nouvelle.
templatecfg.cmd
SECTIONS {
.buffer > Nom de la section dans laquelle il faut mettre votre tableau
}
Q12.
Réaliser une fonction qui initialise l’ensemble de votre tableau de sinus.
Q13.
Réaliser une application qui émet la première note de votre mélodie pendant 5
secondes.
Q14.
Réaliser la mélodie complète avec la méthode du DDS.