Contexte, le DSP intégré et les DSP du SPU

Récemment, j'ai redécouvert avec l'aide de Yatis que le SH7305, le microprocesseur qu'on trouve dans les calculatrices SH4 (y compris les Graph mono récentes et la Graph 90+E) possède un module de traitement de son (SPU) avec deux DSP.

Pour information, un DSP est un coprocesseur dédié au traitement du signal. C'est une sorte de processeur qui travaille en parallèle du processeur central et possède un jeu d'instructions permettant de traiter rapidement des signaux. C'est donc particulièrement adapté au traitement du son. Leur existence est très intéressante car on peut dans une certaine mesure les détourner pour faire d'autres tâches intensives. Mon plan par exemple c'est de faire des shaders 2D avec.

Il y a une poignée de ressources parlant de DSP ([1], [2], [3]), mais en fait la plupart concernent un DSP intégré au processeur central, documenté dans la section 6 du manuel du SH4-AL DSP (le processeur qu'on a et qu'on appelle communément « SH4 »). Ce DSP est intéressant mais il ne tourne pas en parallèle du processeur central : pour l'utiliser, on insère des instructions DSP dans le code et dans ce cas le processeur ne fait rien quand le DSP travaille. De plus, son jeu d'instructions est difficile à détourner dans des buts graphico-ludiques (il n'a par exemple qu'une seule multiplication 16x16→32, ce qui est boiteux au possible).

Par contre le DSP intégré a deux zones de RAM appelées XRAM et YRAM de 8k chacune, qui sont foudroyantes en vitesse parce que situées près du bus processeur. Pour vous donner une idée, les memcpy() et memset() optimisé de gint tournent à 10 Mo/s et 30 Mo/s environ pour la RAM normale. Avec le DSP, on peut monter aisément à 300 Mo/s voire 450 Mo/s si on s'y prend bien. Le potentiel est très élevé pour les calculs intensifs, avec la limite que 16k c'est très peu.

Les deux DSP de l'unité de traitement de son (SPU) sont différents. Ils ont une mémoire de travail beaucoup plus grande (vaguement connue [4]), avec chacun 170k de XRAM, au moins 30k de YRAM (pas clair encore), et 160k de RAM supplémentaire pour stocker du code. Puisque la mémoire pour le code est différence de la mémoire où on stocke le programme central, ces DSP calculent vraiment en parallèle à la façon d'un processeur multi-coeurs. Le hic, c'est qu'il n'y a pas de documentation. Il faut donc rétro-analyser tout ce dont on dispose pour récupérer le fonctionnement de 0. C'est là que ça se complique...

Le modèle 24-bits et la RAM à trous

Dans la doc du SH7305, il y a une seule page expliquant les fonctionnalités principales du SPU, c'est en quelque sorte le teaser de Renesas envers ses potentiels clients ; tout le détail n'est fourni qu'aux clients qui utilisent le processeur pour de vrai. Mais la doc explique déjà que le DSP manipule des mots de 24 bits, qu'on peut imaginer sont des valeurs en point fixe pour représenter des échantillons de signal. C'est différent du DSP intégré donc d'emblée on sait que le jeu d'instructions sera différent.

Ce qui est un peu casse-pieds, c'est que la XRAM et la YRAM sont à trous pour faciliter le travail du DSP. Vous voyez, un signal est souvent vu comme un tableau d'échantillons géant. Le problème c'est qu'avec des valeurs de 24 bits (trois octets), atteindre le n-ème échantillon demande de calculer n*3, ce qui prend du temps en électronique. Les processeurs ont depuis longtemps pris l'habitude d'utiliser des types de données à 1, 2, 4 ou 8 octets (des puissances de 2) parce que multiplier par des puissances de 2 est immédiat en électronique (il suffit de déplacer les fils et d'ajouter des 0). Ici, le DSP fait un truc encore plus fourbe : il place un mot de 24 bits (3 octets) tous les 4 octets, en ignorant un octet sur 4. Le premier mot couvre les adresses 0, 1, et 2 ; le second couvre les adresses 4, 5 et 6 ; le troisième, les 8, 9 et 10 ; et ainsi de suite.

Comme les adresses 3, 7, 11 etc sont inutilisées, le constructeur a trouvé malin de ne pas réellement y mettre de mémoire. Du coup la XRAM et la YRAM sont hyper fragmentées, avec un trou tous les quatre octets. Impossible donc d'y stocker un simple int puisqu'il n'y a pas 4 octets de mémoire d'affilée. Il faudra donc être malin pour faire marcher ça. Par contre, le RGB888 ça passera crème pourvu qu'on arrive à calculer avec efficacement.

Qu'y a-t-il à faire et où va-t-on ?

Actuellement je désassemble le programme de Renesas qui émule le SH7305 (d'ailleurs utilisé dans les émulateurs de Casio) pour déterminer quels sont les registres périphériques des DSP, comment les initialiser, les utiliser, et j'espère trouver le jeu d'instructions. Il y a pas mal de choses à comprendre :

• Liste des registres périphériques : fait
• Allumage et initialisation : en bonne voie
• Transfert de données via DMA intégré : en bonne voie
• Fonctionnement de la RAM et des bus : ?
• Jeu d'instructions : ???
• Horloge : ?

Ce sera un bon début pour cette fois.