¿Qué es un chip DSP?
Un procesador de señales digitales, también conocido como chip DSP, es una herramienta de microprocesador especialmente adecuada para operaciones de procesamiento de señales digitales. Su aplicación principal es la implementación rápida y en tiempo real de diversos algoritmos de procesamiento de señales digitales.
¿Cómo funcionan los chips DSP?
La función del procesador de señales digitales utiliza la arquitectura Harvard, que separa la memoria de programas y la memoria de datos. Conjunto de instrucciones especiales para operaciones de flujo único de instrucciones y flujo múltiple de datos (SIMD). Es posible el procesamiento en paralelo, pero no se admite la multitarea. Cuando se utiliza en un entorno host, se puede utilizar como dispositivo de acceso directo a memoria (DMA).
Los datos se obtienen de un convertidor analógico-digital (ADC) y la salida final son los datos convertidos a una señal analógica por un convertidor digital-analógico (DAC).
Capaz de implementar una o más operaciones de multiplicación y acumulación (MAC) en un ciclo de instrucción. Por lo tanto, se integran múltiples unidades de operación de multiplicación y acumulación en el DSP, que puede realizar operaciones paralelas de multiplicación y acumulación.
Se pueden realizar múltiples lecturas de la memoria en un ciclo de instrucción. Por lo tanto, se integran en el DSP múltiples buses en chip y memorias en chip multipuerto. Para acelerar las operaciones en el procesador, se integran en el DSP múltiples unidades de generación de direcciones para admitir el direccionamiento circular y el direccionamiento con inversión de bits. La mayoría de las operaciones en un procesador son operaciones repetitivas.
Para facilitar su uso, la mayoría de los DSP admiten esta operación repetitiva sin necesidad de escribir instrucciones adicionales para la operación repetitiva. La mayoría de los DSP proporcionan múltiples interfaces de E/S en serie o en paralelo, así como interfaces de E/S especiales para manejar datos especiales, lo que reduce el coste y mejora el rendimiento de salida/entrada.
¿Cómo elegir un chip DSP?
Según la información presentada, la selección del procesador de señales digitales se rige por los siguientes principios, que se resumen a continuación:
1. Formato del algoritmo
Los algoritmos de punto fijo tienen un rango dinámico más pequeño. Por ejemplo, el rango dinámico de un algoritmo de punto fijo de 16 bits es solo de 96 dB, lo que lo hace propenso a problemas de desbordamiento, pero tiene un bajo costo y un bajo consumo de energía. Por lo tanto, la mayoría de los DSP son de punto fijo, alrededor del 67 %. La aritmética de punto flotante tiene un amplio rango dinámico, como la aritmética de punto flotante de 32 bits, que tiene un rango dinámico de 1536 dB. La velocidad de procesamiento es mucho mayor que la de punto fijo y el ancho de bus es mayor que el de punto fijo. La programación es más fácil, pero cuesta más y consume más energía. Los procesadores de señales digitales de punto flotante se utilizan principalmente en productos de gama alta.
2. Ancho de datos
Todos los DSP de punto flotante tienen un ancho de 32 bits, mientras que los DSP de punto fijo suelen tener un ancho de 16 bits, aunque también los hay de 24 bits, como la serie DSP563xx de Motorola y la serie ZR3800 de Zoran (ambas de 20 bits). El ancho de datos afecta directamente al tamaño del chip DSP, al número de pines del paquete y a la capacidad de la memoria periférica, por lo que influye directamente en el coste del DSP.
3. Velocidad de funcionamiento
A la hora de elegir un DSP, la velocidad es el factor más importante a tener en cuenta. La velocidad de un DSP suele ser el tiempo de los ciclos de instrucción, pero también se refiere al tiempo de cálculo de funciones básicas como los filtros FIR o IIR. Algunos DSP utilizan una estructura de palabra de instrucción muy grande (VLIW) que puede ejecutar múltiples instrucciones en un solo ciclo. Está estrechamente relacionada con la frecuencia de funcionamiento del reloj.
4. Estructura de la memoria
La estructura de la memoria (incluida la estructura del bus) tiene una gran influencia en el rendimiento del DSP. Por un lado, los diferentes métodos tienen diferentes velocidades en cuanto a la forma de leer datos e instrucciones mientras se realizan operaciones. Lea una instrucción y dos datos en un ciclo de instrucción para una operación MAC rápida. La estructura puede ser una memoria multipuerto, una memoria separada para instrucciones y datos, o un búfer de instrucciones. Por otro lado, la estructura de la memoria también incluye el tamaño de la memoria compatible en el chip y fuera del chip. La mayoría de los DSP de punto fijo se dirigen al mercado de los sistemas integrados, por lo que su memoria es pequeña. Aunque algunos DSP de punto flotante tienen una memoria en chip más pequeña, requieren una memoria periférica más grande, como el TMS320C30 de TI.
5. Consumo de energía
Muchos DSP se utilizan en dispositivos portátiles, como teléfonos móviles, PDA y reproductores de audio portátiles. El consumo de energía es un factor importante a tener en cuenta en estos productos. Muchos proveedores de procesadores han reducido los voltajes de funcionamiento (por ejemplo, 3,3 V, 2,5 V, 1,8 V) y han añadido funciones de gestión del voltaje de alimentación, como el «modo de suspensión», que corta la mayor parte de la energía cuando no se utiliza y los equipos periféricos no están en uso. Reducir el consumo de energía.
6. Fácil de programar
Los destinatarios de las aplicaciones DSP son principalmente técnicos e ingenieros. Los primeros procesadores de señales digitales se programaban en lenguaje ensamblador, y los productos posteriores podían escribirse en C, pero tenían que compilarse en programas fuente en lenguaje ensamblador mediante un compilador C y optimizarse para reducir el tiempo de cálculo. Los proveedores de DSP suelen proporcionar herramientas de desarrollo. Sin embargo, los productos DSP de diferentes empresas difieren mucho en cuanto a la programación de software. Por lo tanto, los usuarios deben elegir una herramienta de desarrollo con la que estén más familiarizados. Estas herramientas incluyen herramientas de software como programas en lenguaje ensamblador, enlazadores, simuladores, depuradores, compiladores, bibliotecas de código, sistemas operativos en tiempo real, etc. Herramientas de hardware como placas de desarrollo, emuladores, etc.
7. Precio
El coste también es un factor importante en la producción en masa. El embalaje de los dispositivos también influye en el coste de los chips. El embalaje de matriz de rejilla (PGA) es más caro que el embalaje de plástico PQFP y TQEP.
8. Si se admiten múltiples procesadores.
Si se requieren cálculos especialmente rápidos, se pueden utilizar varios procesadores para trabajar en paralelo. En este punto, las conexiones internas de cada procesador pueden ser un factor importante. El ADSP-2106x de Analog Devices proporciona hardware dedicado. Cuenta con un bus de direcciones bidireccional y un bus de datos, y funciona con seis buses bidireccionales. Es fácil conectar hasta seis procesadores en un sistema a través de un bus externo común.
