Was ist ein digitaler Signalprozessor?
Ein digitaler Signalprozessor (DSP) ist ein Mikroprozessor, der für die (in der Regel Echtzeit-) digitale Signalverarbeitung vorgesehen ist. Die Architektur umfasst CPU/ALU, Programmspeicher, Datenspeicher usw. Zu den gängigen Architekturtypen gehören erweiterte DSP, VLIW-Struktur, Superskalararchitektur und SIMD-Struktur-Hybridstruktur. Das größte Merkmal ist der interne dedizierte Hardware-Multiplikator und die Harvard-Bus-Struktur, mit denen eine große Anzahl digitaler Signale mit hoher Geschwindigkeit verarbeitet werden kann.
Wie funktioniert DSP?
DSP ist ein Gerät, das digitale Signale zur Verarbeitung großer Informationsmengen verwendet. Das heißt, es verarbeitet die Informationen, die nach der „Digitalisierung” des analogen Signals zu einem bestimmten Zeitpunkt gewonnen werden. Genauer gesagt wird zu einem bestimmten Zeitpunkt eine „Abtastung” durchgeführt, anschließend wird das abgetastete diskrete Signal „quantisiert”, um es zu verarbeiten, und in die entsprechende Zahl umgewandelt, wodurch die Digitalisierung abgeschlossen ist.
Zwei Vorgänge sind für die Digitalisierung entscheidend: „Abtasten“ und „Quantisieren“, auf die wir später noch näher eingehen werden. Nach dem Erhalt der digitalen Informationen können geeignete Operationen durchgeführt werden, um unsere Anforderungen an die Audiosignalverarbeitung zu erfüllen.
DSP-Struktur
Um eine schnelle digitale Signalverarbeitung in Echtzeit zu erreichen, verwendet DSP eine Architektur, die sich von anderen Mikroprozessorchips (CPU usw.) unterscheidet. Die von-Norman-Parallelarchitektur wurde zugunsten der Harvard-Architektur aufgegeben. Wir verwenden zwei schematische Darstellungen, um die von-Norman-Struktur und die Harvard-Struktur zu unterscheiden.
Wie aus den beiden obigen Strukturdiagrammen ersichtlich ist, besteht der größte Unterschied zwischen der Harvard-Struktur und der von-Norman-Struktur darin, ob die Speichereinheiten unterteilt sind. In der Harvard-Architektur werden Befehle, Programme und Daten in unterschiedlichen Speicherbereichen gespeichert. Das Abrufen und Ausführen von Befehlen kann sich vollständig überschneiden, und jeder Speicher wird unabhängig adressiert und unabhängig darauf zugegriffen. Außerdem sind Übertragungen zwischen Programm- und Datenbereich möglich, was die Flexibilität des Geräts erhöht.
Im Gegensatz dazu gibt es in der von-Neumann-Struktur nur eine Speichereinheit, die Adressen, Befehle, Daten und andere Informationen enthält. Die vom Befehlszähler bereitgestellte Adresse wird verwendet, um zu unterscheiden, ob es sich um einen Befehl, Daten oder eine Adresse handelt. Die Lesegeschwindigkeit und Effizienz sind relativ gering, was zu einem niedrigen Datendurchsatz führt.
DSP-Chip-Betriebsanzeigen
- Fließbandbetrieb:
Die Pipeline steht in Zusammenhang mit der Harvard-Architektur. DSP-Chips verwenden häufig Pipelines, um die Befehlsausführungszeit zu verkürzen und so die Rechenleistung des Prozessors zu steigern. Der Prozessor kann zwei bis vier Befehle parallel verarbeiten, wobei sich jeder Befehl in einer anderen Stufe der Pipeline befindet.
- Spezieller Hardware-Multiplikator:
Je schneller die Multiplikationsgeschwindigkeit, desto höher die Leistung des DSP-Prozessors. Dank eines dedizierten Anwendungsmultiplikators kann die Multiplikation in einem Befehlszyklus abgeschlossen werden.
- Spezielle DSP-Befehle:
Spezielle DSP-Befehle DSP-Chips verwenden spezielle Befehle.
- Schneller Befehlszyklus:
Der schnelle Befehlszyklus Die Harvard-Struktur, Pipeline-Operationen, dedizierte Hardware-Multiplikatoren, spezielle DSP-Befehle und das optimierte Design der integrierten Schaltung können den Befehlszyklus des DSP-Chips auf unter 200 ns reduzieren.
Merkmale des DSP-Systems
Das digitale Signalverarbeitungssystem basiert auf der digitalen Signalverarbeitung und weist daher alle Merkmale der digitalen Verarbeitung auf:
Die Benutzeroberfläche ist praktisch.
DSP-Systeme sind mit anderen Systemen oder Geräten kompatibel, die auf moderner Digitaltechnik basieren. Für solche Systeme ist es viel einfacher, Schnittstellen für bestimmte Funktionen zu schaffen, als für analoge Systeme, die mit diesen Systemen verbunden werden sollen.
Programmieren ist praktisch
Der programmierbare DSP-Chip des DSP-Systems ermöglicht es Entwicklern, die Software während des Entwicklungsprozesses flexibel und bequem zu modifizieren und zu aktualisieren.
Gute Stabilität und Haltbarkeit
Das DSP-System basiert auf digitaler Verarbeitung, ist weniger anfällig für Umgebungstemperatur und Störgeräusche und zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit aus.
Hohe Genauigkeit
Die mit einem 16-Bit-Zahlensystem erreichbare Genauigkeit.
Gute Wiederholbarkeit
Die Leistung analoger Systeme wird stark durch Änderungen der Komponentenparameter beeinflusst, während digitale Systeme davon grundsätzlich nicht betroffen sind. Daher eignen sich digitale Systeme gut für Tests, Fehlerbehebung und Massenproduktion.
Einfach zu integrieren
Die digitalen Komponenten im DSP-System sind hochgradig standardisiert und ermöglichen eine groß angelegte Integration.
Geschichte der DSP-Chips
Die Entwicklung von DSP-Chips ist ein Gebot der Zeit. Seit den 1960er Jahren hat sich mit der rasanten Entwicklung von Computern und Informationstechnologie auch die digitale Signalverarbeitungstechnologie schnell weiterentwickelt. Vor dem Aufkommen von DSP-Chips konnte die digitale Signalverarbeitung nur mit Mikroprozessoren durchgeführt werden. Aufgrund der geringen Verarbeitungsgeschwindigkeit des Mikroprozessors konnte dieser jedoch die hohen Echtzeitanforderungen der zunehmenden Informationsmenge nicht erfüllen.
In den 1970er Jahren waren die theoretischen und algorithmischen Grundlagen der DSP-Chips ausgereift. Zu dieser Zeit blieb DSP jedoch nur in Lehrbüchern bestehen. Selbst die entwickelten DSP-Systeme bestanden aus diskreten Komponenten, und ihre Anwendungsbereiche beschränkten sich auf den Militär- und Luftfahrtsektor.
1978 brachte AMI den weltweit ersten Single-Chip-DSP-Chip S2811 auf den Markt, der jedoch nicht über den für moderne DSP-Chips erforderlichen Hardware-Multiplikator verfügte.
1979 war das von der US-amerikanischen Intel Corporation auf den Markt gebrachte kommerzielle programmierbare Gerät 2920 ein wichtiger Meilenstein für DSP-Chips, aber auch dieses verfügte noch nicht über einen Hardware-Multiplikator.
1980 war der von der japanischen Firma NEC eingeführte MPD7720 der erste kommerzielle DSP-Chip mit einem Hardware-Multiplikator und galt daher als das erste monolithische DSP-Gerät.
1982 kamen der weltweit erste DSP-Chip der Generation TMS32010 und seine Produktreihe auf den Markt. Dieses DSP-Gerät wird mit Mikron-Prozess-NMOS-Technologie hergestellt. Obwohl sein Stromverbrauch und seine Größe etwas größer sind, ist seine Rechengeschwindigkeit um ein Vielfaches höher als die eines Mikroprozessors.
Das Aufkommen von DSP-Chips ist ein Meilenstein, der einen großen Schritt vorwärts für DSP-Anwendungssysteme von großen Systemen hin zur Miniaturisierung markiert. Mitte der 1980er Jahre, mit dem Aufkommen von DSP-Chips auf Basis der CMOS-Technologie, hatten sich deren Speicherkapazität und Rechengeschwindigkeit verdoppelt, sodass sie zur Grundlage der Sprachverarbeitung und der Hardware-Bildverarbeitungstechnologie wurden.
Ende der 1980er Jahre kam die dritte Generation von DSP-Chips auf den Markt, deren Rechengeschwindigkeit weiter verbessert wurde und deren Anwendungsbereich sich allmählich auf die Bereiche Kommunikation und Computer ausweitete.
In den 1990er Jahren entwickelte sich DSP am schnellsten, wobei nacheinander DSP-Chips der vierten und fünften Generation auf den Markt kamen. Im Vergleich zur vierten Generation weist das System der fünften Generation einen höheren Integrationsgrad auf, da der DSP-Kern und die Peripheriekomponenten auf einem einzigen Chip integriert sind.
Nach dem Eintritt in das 21. Jahrhundert wurde der DSP-Chip der sechsten Generation geboren. Die Chips der sechsten Generation übertreffen die Chips der fünften Generation in Bezug auf die Leistung umfassend. Gleichzeitig wurden viele personalisierte Zweige auf der Grundlage unterschiedlicher Geschäftszwecke entwickelt, die allmählich in neue Bereiche expandieren.
Anwendungen von DSP-Chips
Im heutigen digitalen Zeitalter ist DSP zu einem grundlegenden Gerät in den Bereichen Kommunikation, Computer, Unterhaltungselektronik und anderen Bereichen geworden.
Kommunikationsbereich
Die Menge an Informationen, die durch die Übertragung von Mediendaten erzeugt wird, ist enorm. Multimedia-Netzwerkterminals müssen die erfassten Informationen während des gesamten Prozesses schnell analysieren und verarbeiten. Daher wird DSP bei der Sprachcodierung, Bildkomprimierung und Sprachkommunikationsreduzierung eingesetzt. Heutzutage erzeugt DSP Echtzeit-Effekte für Sprachdecodierungsberechnungen, und die Anforderungen an das Designprotokoll sind zum grundlegendsten internationalen Standard geworden.
Industrielle Steuerung
Im Bereich der industriellen Steuerung sind Industrieroboter weit verbreitet, und die Leistungsanforderungen an Robotersteuerungssysteme werden immer höher. Das Robotersteuerungssystem generiert während der Ausführung einer Aktion eine Vielzahl von Daten und Berechnungen, für die ein leistungsstarker DSP eingesetzt werden kann. Nach der Anwendung des DSP im Robotersteuerungssystem nutzt dieses dessen Echtzeit-Rechengeschwindigkeit voll aus, sodass das Robotersystem Probleme schnell bearbeiten kann. Da die Geschwindigkeit der digitalen DSP-Signalchips weiter zunimmt, lässt sich im System leicht ein paralleles Verarbeitungsnetzwerk aufbauen, wodurch das Steuerungssystem erheblich verbessert wird. Dank dieser Leistungsfähigkeit konnte das Robotersystem weiterentwickelt werden.
Instrument
Die umfangreichen On-Chip-Ressourcen von DSP können die Hardware-Schaltung von Instrumenten erheblich vereinfachen und das SOC-Design von Instrumenten realisieren. Die Messgenauigkeit und -geschwindigkeit von Instrumenten sind wichtige Indikatoren. Die Verwendung von DSP-Chips zur Produktentwicklung kann diese beiden Indikatoren erheblich verbessern. Beispielsweise verfügt der TMS320F2810 von TI über einen effizienten 32-Bit-CPU-Kern, einen 12-Bit-A/D-Wandler, einen umfangreichen On-Chip-Speicher und ein flexibles Befehlssystem und bildet damit eine breite Plattform für hochpräzise Instrumente. Hochpräzise Instrumente haben sich mittlerweile zu einer wichtigen Anwendung von DSP entwickelt und befinden sich in einer Phase der raschen Verbreitung, was die technologische Innovation in der Branche fördern wird.
Automobilbereich
Die zunehmende Entwicklung von elektronischen Systemen im Automobilbereich, wie beispielsweise der Einbau von Infrarot- und Millimeterwellenradaren, erfordert den Einsatz von DSPs zur Analyse. Heutzutage gibt es immer mehr Autos, und Kollisionsvermeidungssysteme sind zu einem Forschungsschwerpunkt geworden. Darüber hinaus müssen die von der Kamera aufgenommenen Bilddaten von einem DSP verarbeitet werden, bevor sie im Fahrsystem zur Information des Fahrers angezeigt werden können.
Militärisches Gebiet
Der geringe Stromverbrauch, die geringe Größe und die Echtzeit-Reaktionsgeschwindigkeit von DSPs sind insbesondere in Waffen und Ausrüstung erforderlich. Beispielsweise sind Luft-Luft-Raketen mit Infrarotdetektoren und entsprechenden DSP-Signalprozessoren in begrenztem Umfang ausgestattet, um die automatische Zielerfassung und -verfolgung durchzuführen. Die Sichtgeräte, mit denen moderne Kampfflugzeuge ausgestattet sind, und die am Helm befestigten Nachtsichtgeräte, die von Infanteristen getragen werden, benötigen DSP-Technologie, um Bildfilterung und -verbesserung sowie intelligente Zielsuche und -erfassung durchzuführen. DSP-Technologie wird auch in der digitalen Signalverarbeitung von Radargeräten verwendet, beispielsweise in der automatischen Artillerie-Steuerung, in Marschflugkörpern, Frühwarnflugzeugen und Phased-Array-Antennen.
Festkomma-DSP und Gleitkomma-DSP
Im Allgemeinen zeichnen sich Festkomma-DSP-Prozessoren durch hohe Geschwindigkeit, geringen Stromverbrauch und einen günstigen Preis aus, während Fließkomma-DSP-Prozessoren präzise Berechnungen, einen großen Dynamikbereich, hohe Geschwindigkeit, einfache Programmierung, hohen Stromverbrauch und einen hohen Preis bieten.
Dynamikbereich
Aus makroökonomischer Sicht hat ein Fließkomma-DSP einen viel größeren Dynamikbereich als ein Festkomma-DSP. Bei der Festkommaarithmetik müssen Programmierer stets auf das Auftreten von Überläufen achten. Um Überläufe zu verhindern, müssen sie entweder weiterhin Verschiebungsskalierungen durchführen oder Kürzungen vornehmen. Ersteres kostet viel Zeit und Speicherplatz, während Letzteres zu Genauigkeitsverlusten führt. Im Gegensatz dazu erweitert die Fließkomma-DSP den Dynamikbereich, verbessert die Genauigkeit, spart Betriebszeit und Speicherplatz und reduziert so Skalierungs-, Verschiebungs- und Überlaufprüfungen erheblich.
Hardware
Aus rein technischer Sicht liegt der Unterschied zwischen Festkomma und Gleitkomma hauptsächlich in zwei Aspekten, nämlich Hardware und Software. Der Unterschied in der Hardware ergibt sich aus folgenden Faktoren: Der Gleitkomma-DSP-Prozessor verfügt über einen Gleitkomma-/Ganzzahl-Multiplikator, eine Ganzzahl-/Gleitkomma-Arithmetiklogikeinheit (ALU), ein Register, das für die Speicherung von Gleitkommaergebnissen mit erweiterter Genauigkeit geeignet ist, usw.
Software
Betrachten wir die Unterschiede in der Softwareentwicklung. Dazu gehören vor allem die Eigenschaften und Vorsichtsmaßnahmen bei der Fließkomma-DSP-Programmierung sowie Skalierungs-, Verschiebungs- und Überlauferkennungsoperationen von Festkomma-DSPs bei der Durchführung von Fließkommaoperationen. Verwenden Sie beim Vergleich zweier Fließkommazahlen niemals den Operator „==“, um die Gleichheit zu bestimmen. Selbst beim Vergleich zweier identischer Zahlen kann es noch zu subtilen Unterschieden kommen. Selbst die exakte Definition von 0 ist nicht sehr sicher. Obwohl es in der Programmiersprache C eine Darstellung von 0 gibt, sollten Sie niemals einen solchen Code (x==0) schreiben, sondern (fabs(x) < TINY), wobei TINY als sehr kleiner Wert definiert ist, d. h. der Rundungsfehler des Fließkommaformats des Prozessors.
