Что такое цифровой сигнальный процессор?
Цифровой сигнальный процессор (DSP) — это микропроцессор, предназначенный для обработки цифровых сигналов (обычно в режиме реального времени). Его архитектура включает в себя ЦП/АЛУ, программную память, память данных и т. д. К распространенным типам архитектуры относятся усовершенствованный DSP, структура VLIW, суперскалярная архитектура и гибридная структура SIMD. Его главной особенностью является внутренний специализированный аппаратный умножитель и структура шины Гарварда, которые позволяют быстро обрабатывать большое количество цифровых сигналов.
Как работает DSP?
DSP — это устройство, которое использует цифровые сигналы для обработки больших объемов информации. То есть информации, полученной после «оцифровки» аналогового сигнала в определенный момент времени. Точнее говоря, это «дискретизация» в определенный момент времени, а затем «квантование» дискретизированного дискретного сигнала, который подлежит обработке, и преобразование его в соответствующее число, тем самым завершая работу по оцифровке.
Существует два действия, которые имеют решающее значение для оцифровки: «дискретизация» и «квантование», которые мы обсудим более подробно позже. После получения цифровой информации можно выполнить соответствующие операции для достижения наших требований к обработке аудиосигнала.
Структура DSP
Для обеспечения обработки цифровых сигналов в реальном времени и с высокой скоростью DSP использует архитектуру, отличную от других микропроцессорных чипов (CPU и т. д.). В ней отказались от параллельной архитектуры фон Нормана и приняли архитектуру Гарварда. Мы используем две схематические диаграммы, чтобы различать структуру фон Нормана и структуру Гарварда.
Как видно из двух приведенных выше структурных диаграмм, самое большое различие между структурой Гарварда и структурой фон Нормана заключается в том, подразделяются ли блоки памяти. В архитектуре Гарварда инструкции и данные программы хранятся в разных пространствах памяти. Получение инструкций и их выполнение могут полностью перекрываться, а каждая память адресуется и доступна независимо. Это также позволяет осуществлять перенос между пространством программы и пространством данных, что повышает гибкость устройства.
Напротив, в структуре фон Нормана есть только одна единица хранения, которая содержит адрес, инструкции, данные и другую информацию. Адрес, предоставляемый счетчиком инструкций, используется для различения инструкций, данных и адресов. Такая скорость и эффективность чтения относительно низки, что приводит к низкой пропускной способности данных.
Индикаторы работы микросхемы DSP
- Работа конвейера:
Конвейерная архитектура связана со структурой Гарварда. Чипы DSP широко используют конвейеры для сокращения времени выполнения инструкций, тем самым повышая вычислительную мощность процессора. Процессор может параллельно обрабатывать от двух до четырех инструкций, каждая из которых находится на разных этапах конвейера.
- Специализированный аппаратный умножитель:
Чем выше скорость умножения, тем выше производительность процессора DSP. Благодаря специализированному прикладному умножителю умножение может быть выполнено за один цикл инструкции.
- Специальные команды DSP:
Специальные инструкции DSP Чипы DSP используют специальные инструкции.
- Быстрый цикл инструкций:
Быстрый цикл инструкций Структура Гарварда, конвейерные операции, специализированные аппаратные умножители, специальные инструкции DSP и оптимизированная конструкция интегральной схемы позволяют сделать цикл инструкций чипа DSP менее 200 нс.
Характеристики системы DSP
Система цифровой обработки сигналов основана на цифровой обработке сигналов и поэтому обладает всеми характеристиками цифровой обработки:
Интерфейс удобный
Системы DSP совместимы с другими системами или устройствами, основанными на современных цифровых технологиях. Такие системы гораздо проще подключать для выполнения определенных функций, чем аналоговые системы.
Программирование удобно
Программируемый микросхема DSP системы DSP позволяет разработчикам гибко и удобно модифицировать и обновлять программное обеспечение в процессе разработки.
Хорошая стабильность и долговечность
Система DSP основана на цифровой обработке, менее подвержена влиянию температуры окружающей среды и шума и обладает высокой надежностью.
Высокая точность
Точность, достижимая с помощью 16-разрядной системы счисления.
Хорошая повторяемость
На производительность аналоговых систем в значительной степени влияют изменения характеристик компонентов, в то время как цифровые системы в основном не подвержены этому влиянию. Поэтому цифровые системы удобны для тестирования, отладки и массового производства.
Легко интегрируется
Цифровые компоненты в системе DSP имеют высокую степень стандартизации и способствуют крупномасштабной интеграции.
История микросхем DSP
Появление микросхем DSP является потребностью времени. С 1960-х годов, с быстрым развитием компьютеров и информационных технологий, появилась и быстро развилась технология цифровой обработки сигналов. До появления микросхем DSP цифровая обработка сигналов могла осуществляться только с помощью микропроцессоров. Однако из-за низкой скорости обработки микропроцессора он просто не может удовлетворить высокоскоростные требования реального времени к растущему объему информации.
В 1970-х годах теоретическая и алгоритмическая основа чипов DSP достигла зрелости. Но в то время DSP оставался только в учебниках. Даже разработанные системы DSP состояли из дискретных компонентов, а их области применения были ограничены военным и аэрокосмическим секторами.
В 1978 году компания AMI выпустила первый в мире одночиповый микросхему DSP S2811, но она не имела аппаратного умножителя, необходимого для современных микросхем DSP.
В 1979 году коммерческое программируемое устройство 2920, выпущенное американской корпорацией Intel, стало важной вехой в развитии микросхем DSP, но оно по-прежнему не имело аппаратного умножителя;
В 1980 году компания NEC из Японии выпустила MPD7720, который стал первым коммерческим микросхемой DSP с аппаратным умножителем и поэтому считался первым монолитным устройством DSP;
В 1982 году появился первый в мире чип DSP TMS32010 и серия продуктов на его основе. Это устройство DSP изготовлено с использованием микротонкой технологии NMOS. Хотя его энергопотребление и размеры немного больше, его скорость вычислений в десятки раз превышает скорость микропроцессора.
Появление микросхем DSP стало важной вехой, ознаменовавшей большой шаг вперед для систем применения DSP от крупных систем к миниатюризации. К середине 1980-х годов, с появлением микросхем DSP на основе технологии CMOS, их емкость хранения и скорость вычислений удвоились, став основой технологии обработки голоса и аппаратной обработки изображений.
В конце 1980-х годов появилось третье поколение микросхем DSP, скорость вычислений была еще более улучшена, а сфера их применения постепенно расширилась до областей связи и компьютеров.
DSP развивался быстрее всего в 1990-х годах, когда один за другим появлялись чипы DSP четвертого и пятого поколений. По сравнению с четвертым поколением, система пятого поколения имеет более высокую степень интеграции, объединяя ядро DSP и периферийные компоненты на одном чипе.
После вступления в XXI век появился чип DSP шестого поколения. Чипы шестого поколения по своим характеристикам значительно превосходят чипы пятого поколения. В то же время на основе различных бизнес-целей было разработано множество персонализированных ветвей, которые начали постепенно расширяться в новые области.
Применение микросхем DSP
В современную эпоху цифровых технологий DSP стал базовым устройством в сфере связи, компьютеров, бытовой электроники и других областях.
Область коммуникации
Объем информации, генерируемой при передаче медиаданных, огромен. Мультимедийные сетевые терминалы должны быстро анализировать и обрабатывать полученную информацию на протяжении всего процесса. Поэтому DSP используется в кодировании речи, сжатии изображений и сокращении голосовой связи. В настоящее время DSP обеспечивает эффекты реального времени для вычислений декодирования речи, а требования к протоколу проектирования стали самым базовым международным стандартом.
Промышленный контроль
В области промышленного управления широко используются промышленные роботы, и требования к производительности систем управления роботами становятся все выше и выше. Система управления роботом генерирует большой объем данных и вычислений при выполнении действия, и здесь можно использовать высокопроизводительный DSP. После применения DSP в системе управления роботом она в полной мере использует свои характеристики скорости вычислений в реальном времени, благодаря чему система робота может быстро решать проблемы. По мере увеличения скорости цифровых сигнальных микросхем DSP в системе легко формируется сеть параллельной обработки, что значительно улучшает систему управления. Производительность позволила более широко развивать систему робота.
Инструмент
Богатые ресурсы микросхемы DSP могут значительно упростить аппаратную схему приборов и реализовать SOC-дизайн приборов. Точность и скорость измерений приборов являются важными показателями. Использование микросхем DSP для разработки продуктов может значительно улучшить эти два показателя. Например, TMS320F2810 от TI имеет эффективное 32-разрядное ядро CPU, 12-разрядный АЦП, богатую встроенную память и гибкую систему команд, создавая широкую платформу для высокоточных приборов. Высокоточные приборы в настоящее время стали важным направлением применения DSP и находятся в периоде быстрого распространения, что будет способствовать технологическим инновациям в отрасли.
Автомобильная отрасль
Растущее развитие автомобильных электронных систем, такое как установка инфракрасных и миллиметровых радаров, потребует использования DSP для анализа. В настоящее время количество автомобилей постоянно растет, и системы предотвращения столкновений стали горячей темой для исследований. Кроме того, данные изображения, снятые камерой, должны быть обработаны DSP, прежде чем они могут быть отображены в системе вождения для ознакомления водителя.
Военная сфера
Низкое энергопотребление, небольшой размер и скорость реагирования в режиме реального времени DSP особенно востребованы в оружии и оборудовании. Например, воздушные ракеты класса «воздух-воздух» оснащены инфракрасными детекторами и соответствующими процессорами сигналов DSP в ограниченном объеме для автоматической фиксации и отслеживания целей. Визуальные прицелы, установленные на современных истребителях, и шлемовые приборы ночного видения, которые носят пехотинцы, требуют технологии DSP для фильтрации и улучшения изображения, а также интеллектуального поиска и захвата цели. Технология DSP также используется в цифровой обработке сигналов радаров, таких как автоматическое управление артиллерией, крылатые ракеты, самолеты раннего предупреждения и фазированные антенные решетки.
DSP с фиксированной запятой и DSP с плавающей запятой
В целом, процессоры DSP с фиксированной запятой отличаются высокой скоростью, низким энергопотреблением и низкой ценой, а процессоры DSP с плавающей запятой — точностью вычислений, большим динамическим диапазоном, высокой скоростью, простотой программирования, высоким энергопотреблением и высокой ценой.
Динамический диапазон
С макроэкономической точки зрения, DSP с плавающей запятой имеет гораздо больший динамический диапазон, чем DSP с фиксированной запятой. В арифметике с фиксированной запятой программисты должны всегда обращать внимание на возникновение переполнения. Чтобы предотвратить переполнение, они должны либо продолжать выполнять сдвиг масштабирования, либо выполнять усечение. Первое требует много времени и места, а второе приводит к потере точности. Напротив, DSP с плавающей запятой расширяет динамический диапазон, повышает точность, экономит время работы и пространство для хранения, что значительно сокращает масштабирование, сдвиг и проверки переполнения.
Оборудование
С чисто технической точки зрения, разница между фиксированной и плавающей запятой заключается в основном в двух аспектах, а именно в аппаратном и программном обеспечении. Аппаратное отличие заключается в следующем: процессор DSP с плавающей запятой имеет умножитель с плавающей запятой/целым числом, арифметико-логический блок ALU с целым числом/плавающей запятой, регистр, подходящий для хранения результатов с плавающей запятой расширенной точности и т. д.
программное обеспечение
Давайте рассмотрим различия в разработке программного обеспечения. В основном это характеристики и меры предосторожности при программировании DSP с плавающей запятой; операции масштабирования, сдвига и обнаружения переполнения DSP с фиксированной запятой при выполнении операций с плавающей запятой. При сравнении двух чисел с плавающей запятой никогда не используйте оператор «==» для определения равенства. Даже при сравнении двух одинаковых чисел могут быть небольшие различия. Даже определение точно 0 не является очень безопасным. Хотя в языке C есть представление 0, никогда не пишите такой код (x==0), а следует писать (fabs(x) < TINY), где TINY определяется как очень маленькое значение, то есть обработка ошибки округления формата с плавающей запятой процессора.
