CN1033890A - 实时数字信号处理机空载率指示器 - Google Patents

实时数字信号处理机空载率指示器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用来测量数字信号处理机空载 率的设备。现有技术中的各种测定设备,均为非透明 的,且所指示的为处理机的负载率,本发明是在处理 机的空环内装入一些程序控制指令,每当处理机空闲 时,所述控制指令使处理机的一个数据输出端电平交 替改变,而当处理机执行有用操作时,数据输出端电 平保持不变。这样根据数据输出端电平变化率,利用 频率计数器或显示电路直接指示出空载率。这样一 种测定装置,对处理机运行呈现为完全透明,且能精 确地指示出极为有用的处理机空载率。

Description

本发明涉及一种用来测量数字信号处理机的负载率的设备。
在使用电脑时,经常有必要测定电脑的可用处理容量。数字信号处理机(亦即微处理机),实际上已普遍使用於各种类型的电子设备中。这种处理机可用来执行各种任务。处理机使用灵活,和一个系统一起使用,常能有效地扩充该系统的功能,或者用复杂的算法来完成这些功能。
举一个简单的例子来说,比如要设计一个适用于通讯系统中的音响信号的带通滤波器。其中一种可选用的设计方案是,采用运算放大器、电阻和电容来构成一个模拟式带通滤波器,这在许多应用场合是很经济的,而且能提供合适的频率特性。然而,为了增加灵活性并提高性能,可以不采用模拟技术而采用数字滤波技术。在数字滤波技术中,滤波特性并不取决于电阻、电容的数值以及放大器的组态,而取决于数字信号处理机(比如微处理机,或者其它能处理数字信号的设备)所执行的程序控制步。要改变一个数字滤波器的各种滤波特性(比如滚降频率、转角频率等),只要修改处理机所执行的程序即可,这就大大地增加了系统的灵活性。
使用处理机时,总希望能尽可能地充分利用它的各种机能,用於滤波的同一架处理机,亦可用来完成其它有关的(甚至於无关的)任务。例如,有可能希望利用处理机来产生各种应用场合的音响信号;提供系统状态信息(使指示灯点亮或者驱动文字数字式显示器);接收并处理用户指令等等。和模拟电路相比较,使用处理机能实现复杂得多的滤波特性并执行前者不能执行的其它任务。
不幸的是,并不是所有的程序码都具有应有的效率;即使在实时领域内执行复杂操作任务的有效码,也会导致处理负荷过大的现象。处理机都有最短“循环时间”,也就是执行一条程序控制指令所需时间。在上述数字滤波器的
即3dB频率例子中,处理机除了执行一应内务操作及其它操作以外,还必须对输入信号在实时领域内进行处理。通常所谓处理机的负载(实际负载占最大负载的百分比),取决於输入数据率、程序控制软件的效率以及复杂性、和处理机的速度。
举一个简单的例子,假定处理机能在每个微秒(10-6秒)内执行一条指令,而对要滤波的输入信号则每1毫秒(10-3秒)进行一次采样。再假定起到滤波作用的软件平均对每一个输入样本执行500条指令,所需总时间为500×10-6秒=0.5毫秒,这0.5毫秒也就是每一个样本所需处理时间。那么处理机的负载率就是大约50%,或者考虑到处理机所必须进行的附加内务操作,比50%略高一些。如果对输入信号的采样速率增加至每0.5毫米采样一次,那么处理机的负载率将增至大约100%。
处理机过荷可能造成极大的危害。在上述滤波器例子中,处理机过荷可能导致数据丢失和/或使滤波过程产生偏差。如果一个处理机已经因实时处理操作而满荷但不是过荷,那么要它执行其它操作时,就可能会显得附加容量不足。另一方面,一般说来处理机的速度越快,则价格越贵,况且在有些应用场合下也许甚至不能适用。对经济有效的设计来说,通常希望采用这样的组件,这些组件能产生和对它们的要求同等程度的机能。
可惜的是,要精确地预言一个执行给定实时操作的处理机具有多大的负载,并不是经常能做到的。典型的复杂运算对输入数据所执行的指令数目是变化的,取决於一些可能很难甚至不可能加以精确考虑的因素。电脑模拟虽然是有助的,但由于只能模拟实际操作条件,因而可能不精确。因此,希望能实际测定在各种不同操作条件下的处理机的负载。
一种周知的方法是采用和处理机的正常程序同时运行的诊断程序,来测定处理机的负载。这种诊断程序可以用一个操作系统程序(如果有的话)来调用,或者亦可被中断驱动而周期性地调用(例如在一个定时器超时时调用)。诊断程序可以用来测定处理机负载的各种有关参数,包括计算处理周期,和/或读出处理机工作区域内的内容,诸如状态寄存器的内容、栈内容等,并根据这些参数以及其它参数,来算出一个即时或平均负载值。可以把一系列这样的负载指示值作为档案存放起来加以分析,从而得出处理机在各种不同操作条件下的负载。
遗憾的是,这种诊断程序通常很复杂,而且它们本身就大大地增加了处理机的负载,致使它们所提供的指示值在某些情况下显得不正确,而且测定过程中反而增加了处理机的负载。一个通过对处理周期计数来测定处理机负载的程序,可能会低估一个极其繁忙的处理机的负载,因为所述处理机可能因为资源不足而不能增加周期计数。这种诊断程序的另一个缺点是,它们所试图估算的是处理机有多少时间是忙碌的,其实在大多数场合下,更重要的信息是处理机有多少时间是闲着的,以便可以用它来执行附加的任务。
因此,亟需提供一种经济有效的装置,这种装置可以测定处理机的平均负载,却又是非侵入性的,亦即对处理机的运行来说是完全透明的,它本身并不增加处理机的负载。如果这样的装置能直接测定在各种不同操作条件下处理机所具有的可利用的处理容量,那么这种装置将更加有用。
本发明的目的是提供一种测定设备,这种设备能按照上述方法工作,也就是把所谓诊断指令包括在处理机的空环内,因而具有上述各种优点。
实现本发明的目的的具体做法是,让处理机在空闲时并不停止执行指令,而是转移到或者说“捕捉到”一个所谓“空环”。所述空环一般包括一些并不执行有用操作的指令,例如“无操作”指令、延迟和/或转移指令等。当处理机有操作任务执行时,它会接收到一个“中断”信号,于是,它就停止执行空环中的指令,开始执行其它有用的程序控制指令。下一次当处理机又没有什么任务执行时,它又返回到上述空环。
按照本发明,在处理机的空环内装入一些指令,这些指令能控制处理机(或与处理机相连的外电路)来测定处理机在空环中运行的时间(或该时间占总时间之百分数)。在本发明的最佳实施例中,处理机空环中的指令,能控制处理机使得其数据输出电平在不同的输出状态之间交替变换。也就是说,每当处理机空闲时,其数据输出电平就在上述不同状态之间不断地交替变换;而当处理机执行有用任务时,数据输出电平就保持在同一状态。可以采用一个频率计数器或其它能反映数据输出状态改变率的指示器(例如一个发光二极管),来直接指示出处理机空闲时间和其总处理时间的比值。
既然所检测的是数据输出的状态变化,而不是状态本身,那么当处理机接到中断信号而停止执行空环中的指令时,所述数据输出处于哪一个状态,是无关紧要的。在设计上,执行空环指令的优先权等级是比执行任何其它指令的优先权要低的。
由于处理机只有在无其它事情可做时才执行空环中的指令,因此空环中的附加指令并不增加处理机的负载,因而这种负载检测装置对於处理机运行来说是完全透明的。另外,空环中的指令是直接测定处理机处于空闲状态中的时间和总处理时间的比值,因而能提供极其有用的有关剩余处理容量的直接指示值。这样,在处理机系统上增加一个成本很低的装置,就可以实现上述优点。
附图说明如下。图1是本发明所推荐实施例的方块图;图2是图1所示处理机在空闲时所执行程序控制步的方块流程图;而图3及图4是图1所示处理机所产生的负载指示输出波形。
以下结合诸附图,详细说明本发明所述实时数字信号处理机空载率指示器的推荐实施例,通过以下说明,将更好并更完全地理解本发明的上述优点及其它优点。
图1是按照本发明的数字信号处理系统(10)的现行推荐实施例的方块图。系统(10)包括一个中央处理机(亦即CPU)或者处理机(12)。所述处理机(12),可以是一个微处理机,所述微处理机包括一个只读存储程序存储器(12a)、一些内部寄存器以及一个逻辑运算单元等部分;或者可以是其它任何一种处理数字信号的设备。一个习用的时钟信号发生器(13),产生一个周期性交替变换的数字时钟同步信号,该信号驱动处理机(12)。所述时钟信号的频率(亦即其周期),决定了处理机(12)执行它的每一条程序控制指令所需要的时间。
在推荐的实施例中,处理机(12)可以和各种有关的习用外电路连接使用,所述外电路是用来执行各种所希望的操作的。比如说,如果处理机(12)是用来进行数字滤波的,那么它可以接至一个模拟数字转换器的输出端,或者其它数字化信号源(图中未显示)。处理机(12)亦可接至各种显示设备、输入/输出外围设备,或者设计成能和一个处理机接口使用的千百种不同设备中的任一种(实际上是本行业中熟练技术人员所熟知的一切设备)。
在推荐的实施例中,处理机(12)至少包括一个未用数据输出端P1,该输出端和习用的输入/输出寄存器(14)的输入端连接。所述输入/输出寄存器(14)对处理机(12)的输出端P1所呈现的边沿信号(或者说,过渡信号)是敏感的,并且产生一个随所述边沿信号而改变电平状态的比特(BIT)输出信号。在推荐的实施例中,寄存器(14)对处理机的数据输出端P1所输出的信号起到了缓冲作用,但并不改变该信号的频率,也可以(但不是必须)起到使所述信号和处理机的时钟脉冲同步的作用。
寄存器(14)的比特(BIT)输出信号接至一个频率计数器(16)的输入端,所述计数器(16)是作为一个具有固定选通时间(比如说10秒)的事件计数器而工作的。另外,上述寄存器(14)的比特(BIT)输出信号还接至一个显示电路(18),所述显示电路可以很方便地安装在处理机(12)的同一块板子上,这样可以提供一个处理机空闲时间百分比的粗略的显示值。
推荐的实施例中的显示电路(18),包括一个异或门“XOR”(20),所述异或门的两个输入端并接在一个电阻(22)上。比特(BIT)信号接至所述异或门(20)的第一个输入端上,异或门(20)的另一个输入端则经由一个电容器(24)而和地电位相接。异或门(20)的这一输入组态,能使得每当比特(BIT)输出信号中出现一个电平变化的过渡状态时,异或门即产生一个脉冲。因为异或门的第一输入端是紧紧地跟踪着比特(BIT)信号的电平改变而改变电平的,而异或门的第二输入端上的电平则要延迟一段时间后才改变,所述延迟时间由电阻(22)和电容(24)的RC时间常数所决定。
异或门(20)的输出端经由一串联电阻(26)而接至一个发光二极管(28)的阳极,所述发光二极管的阴极则接至地电位。此外,也可以选用一个驱动/缓冲放大器(30),把异或门(20)输出端和频率计数器(16)输入端连接起来,用以代替计数器(16)输入端和寄存器(14)的比特信号输出端之间的直接联线。
正如本行熟练技术人员会明白那样,在推荐的实施例中无必要同时提供频率计数器(16)和显示电路(18),因为二者是用来指示同一信息的。在推荐的实施例中,只有当希望精确测定时才接入频率计数器(16),而显示电路(18)则是经常和输入/输出寄存器(14)连接在一起,以便时时提供一个处理机空闲时间百分比的显示值。
图2是每当处理机(12)处于空闲状态时,处理机所执行的典型的程序控制步的流程图。在推荐的实施例中,每当处理机(12)空闲而无须执行有用的操作时,它就从与其相连的只读存储程序存储器(12a)的某一预定地址开始执行一个节码。流程图图2中所示规定操作任务的程序控制指令,就是装入程序存储器(12a)内,并且是从上述预定地址开始的,因此,每当处理机(12)空闲时,这些程序控制指令就被执行。
在推荐的实施例中,处理机(12)是被“中断驱动”的,这个意思是说,当有外部事件发生时(例如接收到输入数据要加以处理),处理机(12)就产生响应,开始执行程序存储器(12a)中另外一部分内所存放的程序控制指令(而不是存放处理机空闲时所执行的指令的那一部分)。典型的做法是,利用一个位于处理机(12)外部的设备(例如习用的输入/输出控制器-图中未画出),来产生一个信号,馈送至处理机的一个中断请求(IRQ)输入端。在该中断请求输入端上所存在的有效电平信号,能使微处理机停止执行“空闲时的”程序,并“捕捉到”一个存放在程序存储器(12a)中另一不同部分内的中断处理程序。所述中断处理程序,或者本身执行所希望的处理(例如处理导致输入/输出中断信号产生的输入数据),或者把程序控制信号传送给也是存放在程序存储器(12a)内的附加程序,使后者执行所希望的处理。当处理完毕后,处理机(12)又一次返回去执行空闲程序。
在推荐的实施例中,如图2所示的空闲程序是很短的。该程序的第一步(50)把逻辑电平“1”写入处理机的数据输出端P1。第二步(52)则把逻辑电平“0”写入处理机的数据输出端P1。然后该程序又“跳回”到第一步(50),再重复步(50)和步(52)。
以下是执行图2所示流程图中的步的标准助记指令:
地址    指令
X    P1置位
X+1    P1复位
X+2    转移至地址X
图2所示程序步,形成了一个无端环,该无端环使得处理机数据输出端P1的电平,每当处理机空闲时以正比於处理机时钟脉冲频率的速率而反复变化,亦即在二进制的“0”和“1”之间交替变化,而当处理机执行有用操作时,该无端环使得数据输出端P1的电平保持为恒定。例如,假定处理机(12)的时钟脉冲频率为1兆赫,处理机用一个循环周期(1微秒)来执行上述置位和复位指令之一,而用两个循环周期(2微秒)来执行上述转移指令。那么执行由这三个指令所组成的空环所需总时间是4微秒。每循环执行一次空环,将使数据输出端P1的电平在逻辑电平“0”和“1”之间循环变化一次,亦即从“0”变到“1”再变到“0”,或者从“1”变到“0”再变到“1”。这样,当且仅当处理机无事可做而空闲时,就会产生一个其频率相当于处理机时钟脉冲信号频率的1/4的信号。
不过,在推荐的实施例中,即使当处理机(12)是100%的空闲,而图2所示无端环被连续不断地执行时,出现在处理机的P1输出端的信号,也不会有50%的循环运行时间。这是因为输出端P1的状态当处理机(12)执行“跳跃”指令(亦即转移指令)时,是保持恒定的。在本推荐的实施例中,只有当处理机(12)执行复位指令时,亦即在紧接着置位指令被执行完毕后的那一个处理机循环周期中,输出端P1的电平才会上升至逻辑电平“1”。然后,在执行完复位指令之后,输出端P1的电平随即降至逻辑电平“0”,此后,在执行“跳跃”指令时以及执行置位指令时,P1的电平一直保持在逻辑电平“0”上。正因为这个原因,频率计数器(16)以及显示电路(18)对比特(BIT)信号中的过渡过程(而不是对该信号中的其它特徵)呈现敏感性。
在本推荐的实施例中,频率计数器(16)是通过对输入/输出寄存器(14)所产生的比特(BIT)信号的边沿进行计数,而达到直接指示处理机(12)空闲时间相对于总处理时间的百分比的目的的。如果处理机是1.00%的空闲,那么边沿(例如脉冲前沿)的发生率为1/T,其中T是处理机(12)执行一次空环指令所需时间,在前面给出的例子中,这一时间为4微秒(亦即在推荐的实施例中执行一次置位指令、一次复位指令以及一次转移指令所需总时间)。当处理机所做的有用操作越来越多时,它执行空环指令所化的时间就越来越少,上述边沿的发生率亦将降低,这是和所余空闲时间量成正比的。
假定如上述例子那样,当处理机(12)是100%空闲时,频率计数器(16)每4微秒接收到一个脉冲(边沿)。假定频率计数器(16)的选通时间为10秒(这是按所希望的平均选通时间选定的)。那么,当处理机(12)100%空闲时,在该10秒钟内频率计数器(16)将测得2.5×106个脉冲(边沿),亦即每4微秒测得一个脉冲,每秒钟测得250,000个脉冲,或者说,每10秒钟250万个脉冲。注意这一个计算是有利于明白(至少是大致明白)处理机时钟脉冲频率和选通时间之间的关系,亦有助于明白(至少大致明白)执行一整套空环指令所需的时钟脉冲周期数目。处理机(12)100%空闲时的比特(BIT)信号波形图所图3所示。
现在假定频率计数器(16)在其10秒钟的选通时间内计测到1.25×106个脉冲(边沿)。这一计数表明,在10秒钟的选通时间内,处理机(12)平均为50%空闲。如图4所示,这一50%空闲状态并不使比特(BIT)信号的即时频率减少一半。相反地,每当处理机(12)在所推荐的实施例中处于空闲状态时,比特(BIT)信号基本上是以相同的频率发生的。然而,每当处理机(12)执行有用的操作而并不空闲时,它就完全停止产生比特(BIT)信号。当一系列的比特(BIT)信号沿着相对于处理机的时钟脉冲间隔来说长得多的时间间隔求积分而获得平均值时,其结果将是处理机平均空闲百分比的一个极其精确的指示。
很明显,发光二极管(28)是不能如同频率计数器(16)那样提供一个有关处理机空闲时间的精确估值的。不过发光二极管(28)所提供的显示也是很有用的。如果发光二极管(28)完全点亮,说明处理机(12)几乎100%空闲(实际上在此状态下发光二极管是以明灭各半的频率时明时暗的,但明灭变化太快,以致肉眼不能察觉)。如果发光二极管(28)熄灭或几乎熄灭,那么处理机(12)的空闲时间百分比为0%。如果和100%状态相比较,发光二极管(28)呈现半明状态,那么处理机(12)的空闲率为50%。
在有的应用场合下,可能希望用一个习知的频率比检测器来替代频率计数器(16),这样一个检测器可以对处理机时钟脉冲频率和比特(BIT)信号的频率加以比较,根据二者之频率比来提供一个处理机空闲时间百分比的指示值。
以上是有关本发明最佳实施例的详细描述。但必须指出,本发明并不只限于已揭示的实施例,相反地,本发明还包括所附权利要求的本质和范围所包含的各种类同的以及改进的实施例在内。

Claims (19)

1、一种测定数字信号处理机空载率的设备,所述数字信号处理机属於那样的类型,它能执行程序控制指令来完成预定的操作任务,其特徵在于,所述设备包括
--一个空环结构,每当所述处理机空闲时,所述空环结构使得所述数字信号处理机的一个输出电平在第一、第二两个二进制数值之间交替变更,而当所述处理机执行所述预定操作任务时,所述空环结构使得所述处理机的输出电平维持在上述第一或第二两个二进制数值中的任一个;以及
--一个显示机构,所述显示机构按照所述处理机输出电平在所述第一、第二两个二进制数值之间交替交换的速率而显示出处理机的空载百分比。
2、如权利要求1所述的测定数字信号处理机空载率的设备,其特徵在于,所述产生显示的显示机构,包括一个对所述处理机的输出电平在一段预定的选通时间内交替改变的次数进行计数的频率计数装置。
3、如权利要求1所述的测定数字信号处理机空载率的设备,其特徵在于,所述设备还包括一个控制所述空环结构交替变更所述处理机输出电平的速率的时钟脉冲发生装置,且所述频率计数装置的选通时间和所述被控制的速率之间具有一种已知的关系。
4、一个实时数字信号处理系统,其特徵在于,所述处理系统包括
-用来存储定义空作业的程序控制指令序列,以及存储定义其它作业的程序控指令序列的存储机构;
-一个和所述存储机构相连的数字信号处理机构,所述数字信号处理机构接成可接收外部产生的输入信号的状态,且具有一个数据输出端,所述处理机构按照所述定义其它作业的程序控制指令序列,对所述输入信号基本上在实时领域内进行处理,而当其不用忙于处理所述输入信号而空闲时,所述数字信号处理机构就执行所述空闲程序控制指令序列,且所述空作业致使所述数据输出端的电位在第一和第二两个状态之间交替变更;以及
-和所述数据输出端相连的显示机构,所述显示机构显示出所述处理机响应所述数据输出端的状态改变而执行所述空闲程序控制指令序列所占用时间的百分比。
5、如权利要求4所述的系统,其特徵在于,所述显示机构包括一种用以对数据输出端的一系列状态交替改变的电平信号对时间积分求和的机构。
6、如权利要求4所述的系统,其特徵在于,所述显示机构显示出所述处理机构执行所述空作业的时间相对于总的经过时间的比值。
7、如权利要求4所述的系统,其特徵在于,所述空作业包括
-使得所述处理机的数据输出端电平上升至逻辑电平“1”的第一个空作业,
-使得所述处理机的数据输出端电平降落至逻辑电平“0”的第二个空作业,以及
-只要当所述处理机处于空闲状态而并不在执行所述其它作业时,使得所述第一及第二个空作业被周期性地反复执行的第三个空作业。
8、如权利要求4所述的系统,其特徵在于,所述显示机构包括一个显示所述数据输出端状态变化频率的光学器件。
9、如权利要求4所述的系统,其特徵在于,所述系统还包括一个用以产生一个具有预定频率的交变时钟同步信号的机构,且所述处理机构连接成可接收所述时钟脉冲信号,并响应所述时钟脉冲信号而以一定速率执行所述空作业以及其它作业,另外,所述显示机构包括一个用以测定所述处理机数据输出端状态改变频率和时钟信号频率的比值的装置。
10、如权利要求4所述的系统,其特徵在于,执行所述空闲程序控制指令并不增加所述处理机构的有效负载。
11、如权利要求4所述的系统,其特徵在于,所述处理机构是被中断驱动的,在接收到一个输入信号后,所述处理机构就执行所述其它作业的程序控制指令序列,而每当没有中断信号发生,且响应上述所接收到的中断信号而执行的其它作业的程序控制指令序列已被执行完毕时,所述处理机构就执行所述空闲程序控制指令序列。
12、如权利要求4所述的系统,其特徵在于,用来存储程序控制指令的存储机构亦即空环结构,包括一个当所述处理机构100%空闲时用来对所述处理机构数据输出端状态进行非对称改变的装置。
13、如权利要求4所述的系统,其特徵在于,所述空作业使得所述数据输出端以一个预定的即时速率改变状态,而所述数据输出端改变状态的平均速率,是和所述处理机构执行所述空闲指令序列的持续时间成正比的。
14、一个数字信号处理系统,其特徵在于,所述系统包括
-一个在忙碌状态及空闲状态之间交替运行的数字信号处理机构,所述处理机构处于所述忙碌状态时,就对施加於其上的输入信号进行处理,当它处于空闲状态时,就执行一个空环程序,且所述处理机构包括一装置,所述装置仅当所述处理机构在所述空闲状态运行时,才产生一个交变的二进制数值的输出信号;以及
-一个显示机构,所述显示机构连接成可接收所述输出信号,并按照所述输出信号的交变率来指示出所述处理机构在所述空闲状态中运行时间的百分比。
15、一种数字信号处理方法,其特徵在于,所述处理方法包括
(1)使一个数字信号处理机交替运行在忙碌状态以及空闲状态,
(2)每当所述处理机运行在所述忙碌状态时,用所述处理机对输入信号进行处理,
(3)仅当所述处理机运行在所述空闲状态时,产生一个交替变换的二进制数值的输出信号,以及
(4)按照所述输出信号随时间而交替变换的平均速率,指示出所述处理机在所述空闲状态中运行时间所占百分比。
16、如权利要求15所述的方法,其特徵在于,指示出所述百分比的步骤(4),还包括对所述输出信号在一个预定的选通时间内所发生的过渡状态进行计数。
17、如权利要求15所述的方法,其特徵在于,所述方法还包括响应中断请求而执行所述处理步骤(2),以及当所述处理步骤(2)完成处理所述输入信号之后,执行产生输出信号的步骤(3)。
18、如权利要求15所述的方法,其特徵在于,所述产生输出信号的步骤(3)还包括
(a)向所述处理机的数据输出端施加一个逻辑电平“1”,
(b)向所述处理机的数据输出端施加一个逻辑电平“0”,以及
(c)周期性地交替重复所述电平施加步骤(a)和(b)。
19、一种如权利要求17所述的方法,其特徵在于,所述产生输出信号的步骤(3),是在空环程序控制指令的控制下被执行的。
CN88108310A 1987-12-08 1988-11-30 数字信号处理机空载率测定及指示设备 Expired CN1014101B (zh)

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