Apa itu Pengolah Sinyal Digital?
Prosesor sinyal digital (DSP) adalah mikroprosesor yang dirancang khusus untuk pemrosesan sinyal digital (biasanya secara real-time). Arsitekturnya mencakup CPU/ALU, memori program, memori data, dan sebagainya. Jenis arsitektur yang umum digunakan antara lain DSP yang disempurnakan, struktur VLIW, arsitektur superskalar, serta struktur hibrida SIMD. Fitur utamanya adalah adanya pengali perangkat keras internal khusus dan struktur bus Harvard, yang memungkinkan pemrosesan sejumlah besar sinyal digital dengan kecepatan tinggi.
Bagaimana cara kerja DSP?
DSP adalah perangkat yang menggunakan sinyal digital untuk memproses sejumlah besar informasi. Artinya, informasi yang diperoleh setelah sinyal analog "didigitalkan" pada waktu tertentu. Lebih spesifiknya, proses ini melibatkan "pengambilan sampel" pada waktu tertentu, kemudian "kuantisasi" sinyal diskrit yang telah diambil sampelnya untuk diproses dan diubah menjadi angka yang sesuai, sehingga menyelesaikan proses digitalisasi.
Ada dua tindakan yang sangat penting dalam proses digitalisasi: "pengambilan sampel" dan "kuantisasi", yang akan kita bahas lebih lanjut nanti. Setelah memperoleh informasi digital, operasi yang sesuai dapat dilakukan untuk memenuhi persyaratan pemrosesan sinyal audio kita.
Struktur DSP
Untuk mewujudkan pemrosesan sinyal digital secara real-time dan cepat, DSP menggunakan arsitektur yang berbeda dari chip mikroprosesor lainnya (CPU, dll.). DSP meninggalkan arsitektur paralel von Neumann dan mengadopsi arsitektur Harvard. Kami menggunakan dua diagram skematik untuk membedakan struktur von Neumann dan struktur Harvard.
Seperti yang dapat dilihat dari dua diagram struktur di atas, perbedaan terbesar antara struktur Harvard dan struktur von Neumann terletak pada apakah unit penyimpanan tersebut dibagi menjadi bagian-bagian yang lebih kecil. Dalam arsitektur Harvard, instruksi, program, dan data disimpan di ruang memori yang berbeda. Proses pengambilan dan eksekusi instruksi dapat sepenuhnya tumpang tindih, dan setiap ruang memori dialamatkan serta diakses secara independen. Hal ini juga memungkinkan transfer antara ruang program dan ruang data, sehingga meningkatkan fleksibilitas perangkat.
Sebaliknya, dalam struktur von Neumann hanya terdapat satu unit penyimpanan yang menampung alamat, instruksi, data, dan informasi lainnya. Alamat yang disediakan oleh penghitung instruksi digunakan untuk membedakan apakah itu instruksi, data, atau alamat. Kecepatan pembacaan dan efisiensinya relatif rendah, sehingga menghasilkan throughput data yang rendah.
Indikator operasi chip DSP
- Operasi jalur perakitan:
Pipa (pipeline) terkait dengan struktur Harvard. Chip DSP secara luas menggunakan pipa untuk mengurangi waktu eksekusi instruksi, sehingga meningkatkan daya pemrosesan prosesor. Prosesor dapat memproses dua hingga empat instruksi secara paralel, dengan setiap instruksi berada pada tahap yang berbeda dalam pipa.
- Multiplier perangkat keras khusus:
Semakin cepat kecepatan perkalian, semakin tinggi kinerja prosesor DSP. Berkat pengali aplikasi khusus, perkalian dapat diselesaikan dalam satu siklus instruksi.
- Instruksi DSP khusus:
Instruksi khusus DSP Chip DSP menggunakan instruksi khusus.
- Siklus instruksi yang cepat:
Struktur Harvard dengan siklus instruksi yang cepat, operasi pipa, pengali perangkat keras khusus, instruksi DSP khusus, dan desain sirkuit terpadu yang dioptimalkan dapat membuat siklus instruksi chip DSP di bawah 200 ns.
Karakteristik sistem DSP
Sistem pemrosesan sinyal digital didasarkan pada pemrosesan sinyal digital dan oleh karena itu memiliki semua karakteristik pemrosesan digital:
Antarmukanya praktis
Sistem DSP kompatibel dengan sistem atau perangkat lain yang didasarkan pada teknologi digital modern. Sistem-sistem tersebut jauh lebih mudah diintegrasikan untuk menjalankan fungsi-fungsi tertentu dibandingkan dengan sistem analog yang ingin diintegrasikan dengan sistem-sistem tersebut.
Pemrograman itu praktis
Chip DSP yang dapat diprogram pada sistem DSP memungkinkan para perancang untuk memodifikasi dan memperbarui perangkat lunak secara fleksibel dan mudah selama proses pengembangan.
Stabilitas dan daya tahan yang baik
Sistem DSP didasarkan pada pemrosesan digital, tidak terlalu terpengaruh oleh suhu lingkungan dan kebisingan, serta memiliki keandalan yang tinggi.
Akurasi tinggi
Tingkat akurasi yang dapat dicapai dengan sistem bilangan 16-bit.
Repeatabilitas yang baik
Kinerja sistem analog sangat dipengaruhi oleh perubahan parameter komponen, sedangkan sistem digital pada dasarnya tidak terpengaruh. Oleh karena itu, sistem digital lebih praktis untuk pengujian, pemecahan masalah, dan produksi massal.
Mudah diintegrasikan
Komponen digital dalam sistem DSP sangat terstandarisasi dan memudahkan integrasi skala besar.
Sejarah chip DSP
Munculnya chip DSP merupakan kebutuhan zaman. Sejak tahun 1960-an, seiring dengan pesatnya perkembangan komputer dan teknologi informasi, teknologi pemrosesan sinyal digital pun muncul dan berkembang dengan cepat. Sebelum munculnya chip DSP, pemrosesan sinyal digital hanya dapat dilakukan oleh mikroprosesor. Namun, karena kecepatan pemrosesan mikroprosesor yang rendah, perangkat tersebut tidak mampu memenuhi persyaratan real-time berkecepatan tinggi yang dibutuhkan oleh volume informasi yang semakin meningkat.
Pada tahun 1970-an, dasar teori dan algoritma chip DSP telah matang. Namun pada saat itu, DSP hanya ada di buku teks. Bahkan sistem DSP yang dikembangkan pun terdiri dari komponen-komponen terpisah, dan bidang aplikasinya terbatas pada sektor militer dan kedirgantaraan.
Pada tahun 1978, AMI merilis chip DSP satu chip pertama di dunia, S2811, tetapi chip tersebut tidak memiliki pengali perangkat keras yang diperlukan untuk chip DSP modern;
Pada tahun 1979, perangkat programmable komersial 2920 yang diluncurkan oleh Intel Corporation dari Amerika Serikat merupakan tonggak penting dalam chip DSP, namun masih belum dilengkapi dengan pengali perangkat keras;
Pada tahun 1980, MPD7720 yang diluncurkan oleh NEC Company Jepang merupakan chip DSP komersial pertama dengan pengali perangkat keras, dan karenanya dianggap sebagai perangkat DSP monolitik pertama;
Pada tahun 1982, chip DSP generasi pertama di dunia, TMS32010, dan seri produknya diluncurkan. Perangkat DSP ini dibuat menggunakan teknologi NMOS proses mikron. Meskipun konsumsi daya dan ukurannya sedikit lebih besar, kecepatan komputasinya puluhan kali lebih cepat daripada mikroprosesor.
Munculnya chip DSP merupakan tonggak sejarah, yang menandai langkah besar bagi sistem aplikasi DSP dari sistem besar menuju miniaturisasi. Pada pertengahan 1980-an, dengan munculnya chip DSP berbasis teknologi CMOS, kapasitas penyimpanan dan kecepatan komputasinya telah berlipat ganda, menjadi dasar teknologi pemrosesan suara dan pemrosesan perangkat keras gambar.
Pada akhir 1980-an, chip DSP generasi ketiga diluncurkan, kecepatan komputasinya semakin ditingkatkan, dan cakupan aplikasinya secara bertahap meluas ke bidang komunikasi dan komputer;
DSP berkembang paling pesat pada tahun 1990-an, dengan chip DSP generasi keempat dan kelima muncul satu demi satu. Dibandingkan dengan generasi keempat, sistem generasi kelima memiliki tingkat integrasi yang lebih tinggi, dengan mengintegrasikan inti DSP dan komponen periferal pada satu chip.
Setelah memasuki abad ke-21, chip DSP generasi keenam lahir. Chip generasi keenam secara komprehensif melampaui chip generasi kelima dalam hal kinerja. Pada saat yang sama, banyak cabang yang disesuaikan dengan kebutuhan bisnis tertentu telah dikembangkan, dan mereka mulai secara bertahap merambah ke bidang-bidang baru.
Aplikasi chip DSP
Di era digital saat ini, DSP telah menjadi perangkat dasar dalam bidang komunikasi, komputer, elektronik konsumen, dan bidang-bidang lainnya.
Bidang komunikasi
Jumlah informasi yang dihasilkan oleh transmisi data media sangatlah besar. Terminal jaringan multimedia perlu menganalisis dan memproses informasi yang diperoleh dengan cepat selama seluruh proses berlangsung. Oleh karena itu, DSP digunakan dalam pengkodean suara, kompresi gambar, dan pengurangan beban komunikasi suara. Saat ini, DSP menghasilkan hasil secara real-time untuk perhitungan dekode suara, dan persyaratan protokol desainnya telah menjadi standar internasional yang paling mendasar.
Pengendalian industri
Di bidang kontrol industri, robot industri banyak digunakan, dan persyaratan kinerja untuk sistem kontrol robot semakin tinggi. Sistem kontrol robot akan menghasilkan banyak data dan proses perhitungan saat melakukan suatu tindakan, dan DSP berkinerja tinggi dapat digunakan dalam hal ini. Setelah DSP diterapkan pada sistem kontrol robot, sistem tersebut memanfaatkan sepenuhnya karakteristik kecepatan komputasi real-time-nya, sehingga sistem robot dapat menangani masalah dengan cepat. Seiring dengan terus meningkatnya kecepatan chip sinyal digital DSP, sistem ini dapat dengan mudah membentuk jaringan pemrosesan paralel, yang secara signifikan meningkatkan kinerja sistem kontrol. Kinerja ini telah memungkinkan sistem robot untuk dikembangkan secara lebih luas.
Alat
Sumber daya on-chip yang lengkap pada DSP dapat sangat menyederhanakan rangkaian perangkat keras instrumen dan mewujudkan desain SOC (System-on-Chip) untuk instrumen. Akurasi dan kecepatan pengukuran instrumen merupakan indikator penting. Penggunaan chip DSP dalam pengembangan produk dapat secara signifikan meningkatkan kedua indikator tersebut. Sebagai contoh, TMS320F2810 dari TI dilengkapi dengan inti CPU 32-bit yang efisien, konverter A/D 12-bit, memori on-chip yang melimpah, dan sistem perintah yang fleksibel, sehingga membentuk platform yang luas untuk instrumen presisi tinggi. Instrumen presisi tinggi kini telah berkembang menjadi aplikasi penting dari DSP dan sedang berada dalam periode penyebaran yang pesat, yang akan mendorong inovasi teknologi di industri ini.
Bidang otomotif
Perkembangan sistem elektronik otomotif yang semakin pesat, seperti pemasangan radar inframerah dan gelombang milimeter, akan membutuhkan penggunaan DSP untuk analisis. Saat ini, jumlah mobil semakin bertambah, dan sistem anti-tabrakan telah menjadi fokus utama penelitian. Selain itu, data gambar yang diambil oleh kamera perlu diproses oleh DSP sebelum dapat ditampilkan dalam sistem pengemudian sebagai acuan bagi pengemudi.
Bidang militer
Konsumsi daya yang rendah, ukuran yang ringkas, serta kecepatan respons real-time dari DSP sangat dibutuhkan dalam bidang persenjataan dan peralatan militer. Sebagai contoh, rudal udara-ke-udara yang dipasang di pesawat dilengkapi dengan detektor inframerah dan prosesor sinyal DSP yang sesuai dalam ruang yang terbatas untuk melakukan penguncian dan pelacakan target secara otomatis. Alat bidik visual yang dipasang pada jet tempur canggih dan instrumen cahaya rendah yang dipasang di helm yang dibawa oleh personel infanteri memerlukan teknologi DSP untuk melakukan penyaringan dan peningkatan gambar serta pencarian dan penangkapan target secara cerdas. Teknologi DSP juga digunakan dalam pemrosesan sinyal digital radar seperti pengendalian artileri otomatis, rudal jelajah, pesawat peringatan dini, dan antena array bertahap.
DSP Titik Tetap dan DSP Titik Mengambang
Secara umum, prosesor DSP titik tetap memiliki keunggulan berupa kecepatan tinggi, konsumsi daya rendah, dan harga yang terjangkau; sedangkan prosesor DSP titik mengambang memiliki keunggulan berupa perhitungan yang akurat, rentang dinamis yang luas, kecepatan tinggi, kemudahan pemrograman, konsumsi daya yang tinggi, dan harga yang mahal.
Rentang Dinamis
Dari sudut pandang makro, DSP bilangan floating-point memiliki rentang dinamis yang jauh lebih luas daripada DSP bilangan fixed-point. Dalam aritmatika fixed-point, para programmer harus selalu waspada terhadap terjadinya overflow. Untuk mencegah overflow, mereka harus terus melakukan pergeseran dan penskalaan atau melakukan pemotongan. Yang pertama memakan banyak waktu dan ruang, sedangkan yang kedua mengakibatkan hilangnya akurasi. Sebaliknya, DSP operasi floating-point memperluas rentang dinamis, meningkatkan akurasi, menghemat waktu operasi dan ruang penyimpanan, sehingga secara signifikan mengurangi kebutuhan akan penskalaan, pergeseran, dan pemeriksaan overflow.
Perangkat keras
Dari sudut pandang teknis semata, perbedaan antara bilangan titik tetap dan bilangan titik mengambang terutama terletak pada dua aspek, yaitu perangkat keras dan perangkat lunak. Perbedaan perangkat kerasnya terletak pada: prosesor DSP titik mengambang dilengkapi dengan pengali titik mengambang/bilangan bulat, unit logika aritmatika (ALU) bilangan bulat/titik mengambang, register yang sesuai untuk menyimpan hasil perhitungan titik mengambang presisi tinggi, dan sebagainya.
Perangkat Lunak
Mari kita lihat perbedaan dalam pengembangan perangkat lunak. Hal ini terutama mencakup karakteristik dan hal-hal yang perlu diperhatikan dalam pemrograman DSP bilangan floating-point; serta operasi penskalaan, pergeseran, dan deteksi overflow pada DSP bilangan tetap saat melakukan operasi floating-point. Saat membandingkan dua bilangan floating-point, jangan pernah menggunakan operator "==" untuk menentukan kesamaan. Bahkan saat membandingkan dua bilangan yang identik, mungkin masih ada perbedaan yang sangat halus. Bahkan mendefinisikan angka 0 secara tepat pun tidak terlalu aman. Meskipun ada representasi angka 0 dalam bahasa C, jangan pernah menulis kode seperti itu (x==0), tetapi sebaiknya tulis (fabs(x) < TINY), di mana TINY didefinisikan sebagai nilai yang sangat kecil, yaitu, memproses kesalahan pembulatan format floating-point prosesor.
