Was ist ein DSP-Chip?
Ein digitaler Signalprozessor, auch als DSP-Chip bekannt, ist ein Mikroprozessor, der speziell für die digitale Signalverarbeitung geeignet ist. Seine Hauptanwendung ist die schnelle Echtzeit-Implementierung verschiedener Algorithmen zur digitalen Signalverarbeitung.
Wie funktionieren DSP-Chips?
Die Funktion des digitalen Signalprozessors basiert auf der Harvard-Architektur, bei der der Programmspeicher und der Datenspeicher voneinander getrennt sind. Spezieller Befehlssatz für SIMD-Operationen (Single Instruction Stream, Multiple Data Stream). Parallele Verarbeitung ist möglich, Multitasking wird jedoch nicht unterstützt. Bei Verwendung in einer Host-Umgebung kann er als DMA-Gerät (Direct Memory Access) eingesetzt werden.
Die Daten werden von einem Analog-Digital-Wandler (ADC) bezogen, und die endgültige Ausgabe sind die Daten, die von einem Digital-Analog-Wandler (DAC) in ein analoges Signal umgewandelt wurden.
Kann eine oder mehrere Multiplikations- und Akkumulationsoperationen (MAC) in einem Befehlszyklus ausführen. Daher sind mehrere Multiplikations- und Akkumulationsoperationseinheiten in den DSP integriert, die parallele Multiplikations- und Akkumulationsoperationen ausführen können.
Mehrere Lesevorgänge aus dem Speicher können in einem Befehlszyklus durchgeführt werden. Daher sind mehrere On-Chip-Busse und Multi-Port-On-Chip-Speicher in den DSP integriert. Um die Operationen im Prozessor zu beschleunigen, sind mehrere Adressgenerierungseinheiten in den DSP integriert, um zirkuläre Adressierung und Bit-Flipped-Adressierung zu unterstützen. Die meisten Operationen in einem Prozessor sind sich wiederholende Operationen.
Zur Vereinfachung der Verwendung unterstützen die meisten DSPs diese sich wiederholenden Operationen, ohne dass zusätzliche Befehle für die sich wiederholenden Operationen geschrieben werden müssen. Die meisten DSPs bieten mehrere serielle oder parallele E/A-Schnittstellen sowie spezielle E/A-Schnittstellen für die Verarbeitung spezieller Daten, wodurch Kosten gesenkt und die Ausgangs-/Eingangsleistung verbessert werden.
Wie wählt man einen DSP-Chip aus?
Basierend auf den einleitenden Informationen gelten für die Auswahl des digitalen Signalprozessors die folgenden Grundsätze, die wie folgt zusammengefasst werden können:
1. Algorithmusformat
Festkomma-Algorithmen haben einen geringeren Dynamikbereich. Beispielsweise beträgt der Dynamikbereich eines 16-Bit-Festkomma-Algorithmus nur 96 dB, was zu Überlaufproblemen führen kann, aber dafür sind die Kosten gering und der Stromverbrauch niedrig. Daher sind die meisten DSPs Festkomma-DSPs, etwa 67 %. Fließkommaarithmetik hat einen großen Dynamikbereich, wie beispielsweise 32-Bit-Fließkommaarithmetik mit einem Dynamikbereich von 1536 dB. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit ist viel höher als bei Festkomma und die Busbreite ist größer als bei Festkomma. Die Programmierung ist einfacher, aber die Kosten und der Stromverbrauch sind höher. Digitale Signalprozessoren mit Fließkomma werden hauptsächlich in High-End-Produkten verwendet.
2. Datenbreite
Alle Fließkomma-DSPs sind 32 Bit breit, während Festkomma-DSPs meist 16 Bit breit sind, aber auch 24 Bit, wie beispielsweise die DSP563xx-Serie von Motorola und die ZR3800-Serie von Zoran (beide 20 Bit). Die Datenbreite wirkt sich direkt auf die Größe des DSP-Chips, die Anzahl der Gehäuse-Pins und die Kapazität des Peripheriespeichers aus und beeinflusst somit unmittelbar die Kosten des DSP.
3. Laufgeschwindigkeit
Bei der Auswahl eines DSP ist die Geschwindigkeit das wichtigste Kriterium. Die Geschwindigkeit eines DSP wird in der Regel anhand der Befehlszyklen gemessen, bezieht sich aber auch auf die Rechenzeit von Kernfunktionen wie FIR- oder IIR-Filtern. Einige DSPs verwenden eine VLIW-Struktur (Very Long Instruction Word), mit der mehrere Befehle in einem Zyklus ausgeführt werden können. Dies hängt eng mit der Betriebsfrequenz des Takts zusammen.
4. Speicherstruktur
Die Speicherstruktur (einschließlich der Busstruktur) hat einen großen Einfluss auf die Leistung des DSP. Einerseits haben verschiedene Methoden unterschiedliche Geschwindigkeiten beim Lesen von Daten und Befehlen während der Ausführung von Operationen. Lesen Sie einen Befehl und zwei Daten in einem Befehlszyklus für eine schnelle MAC-Operation. Die Struktur kann ein Multi-Port-Speicher, ein separater Speicher für Befehle und Daten oder ein Befehlspuffer sein. Andererseits umfasst die Speicherstruktur auch die Größe des auf dem Chip und außerhalb des Chips unterstützten Speichers. Die meisten Festkomma-DSPs zielen auf den Embedded-System-Markt ab, daher ist ihr Speicher klein. Obwohl einige Gleitkomma-DSPs über einen kleineren On-Chip-Speicher verfügen, benötigen sie einen größeren Peripheriespeicher, wie beispielsweise der TMS320C30 von TI.
5. Stromverbrauch
Viele DSPs werden in tragbaren Geräten wie Mobiltelefonen, PDAs und tragbaren Audioplayern verwendet. Der Stromverbrauch ist ein wichtiger Faktor bei diesen Produkten. Viele Prozessorhersteller haben die Betriebsspannungen reduziert (z. B. 3,3 V, 2,5 V, 1,8 V) und Funktionen zur Steuerung der Versorgungsspannung hinzugefügt, wie z. B. einen „Schlafmodus“, der den Stromverbrauch bei Nichtgebrauch und ungenutzten Peripheriegeräten weitgehend reduziert. Reduzieren Sie den Energieverbrauch.
6. Einfach zu programmieren
Die Anwendungsobjekte von DSP sind hauptsächlich Ingenieure und Techniker. Frühe digitale Signalprozessoren wurden in Assemblersprache programmiert, spätere Produkte konnten in C geschrieben werden, mussten jedoch von einem C-Compiler in Assemblersprache-Quellprogramme kompiliert und zur Verkürzung der Rechenzeit optimiert werden. DSP-Anbieter stellen häufig Entwicklungswerkzeuge zur Verfügung. Die DSP-Produkte verschiedener Unternehmen unterscheiden sich jedoch erheblich in der Softwareprogrammierung. Daher sollten Anwender ein Entwicklungstool wählen, mit dem sie besser vertraut sind. Zu diesen Tools gehören Software-Tools wie Assembler-Programme, Linker, Simulatoren, Debugger, Compiler, Code-Bibliotheken, Echtzeitbetriebssysteme usw. sowie Hardware-Tools wie Entwicklungsboards, Emulatoren usw.
7. Preis
Auch die Kosten sind ein wichtiger Faktor bei der Massenproduktion. Die Verpackung der Geräte wirkt sich ebenfalls auf die Chipkosten aus. Grid-Array-Verpackungen (PGA) sind teurer als Kunststoffverpackungen PQFP und TQEP.
8. Unterstützung mehrerer Prozessoren
Wenn besonders schnelle Berechnungen erforderlich sind, können mehrere Prozessoren parallel arbeiten. An dieser Stelle können die internen Verbindungen der einzelnen Prozessoren ein wichtiger Faktor sein. Der ADSP-2106x von Analog Devices bietet dedizierte Hardware. Er verfügt über einen bidirektionalen Adressbus und Datenbus und arbeitet mit sechs bidirektionalen Bussen. Es ist einfach, bis zu sechs Prozessoren über einen gemeinsamen externen Bus zu einem System zu verbinden.
