Cos'è un processore di segnali digitali?
Un processore di segnali digitali (DSP) è un microprocessore dedicato all’elaborazione di segnali digitali (di solito in tempo reale). L’architettura include CPU/ALU, memoria di programma, memoria dati, ecc. I suoi tipi di architettura comuni includono DSP potenziato, struttura VLIW, architettura superscalare e struttura ibrida SIMD. La sua caratteristica più grande è il moltiplicatore hardware dedicato interno e la struttura del bus Harvard, che possono elaborare un gran numero di segnali digitali ad alta velocità.
Come funziona un DSP?
DSP è un dispositivo che utilizza segnali digitali per elaborare grandi quantità di informazioni. Cioè, le informazioni ottenute dopo la “digitalizzazione” del segnale analogico in un momento specifico. Per essere più specifici, si tratta di “campionare” in un momento specifico, quindi “quantizzare” il segnale discreto campionato per essere elaborato e convertirlo nel numero corrispondente, completando così il lavoro di digitalizzazione.
Ci sono due azioni cruciali per la digitalizzazione: “campionamento” e “quantizzazione”, che discuteremo ulteriormente in seguito. Dopo aver ottenuto le informazioni digitali, è possibile eseguire operazioni appropriate per raggiungere i nostri requisiti per l’elaborazione del segnale audio.
Struttura DSP
Al fine di ottenere un’elaborazione del segnale digitale in tempo reale e veloce, DSP adotta un’architettura diversa da altri chip di microelaborazione (CPU, ecc.). Ha abbandonato l’architettura parallela di von Norman e ha adottato l’architettura Harvard. Utilizziamo due schemi per distinguere la struttura di von Norman e la struttura Harvard.
Come si può vedere dai due schemi strutturali di cui sopra, la più grande differenza tra la struttura Harvard e la struttura di von Norman è se le unità di archiviazione sono suddivise. Nell’architettura Harvard, le istruzioni memorizzano il programma e i dati vengono memorizzati in spazi di memoria diversi. Il recupero delle istruzioni e l’esecuzione delle istruzioni possono sovrapporsi completamente e ogni memoria viene indirizzata in modo indipendente e acceduta in modo indipendente. Consente anche trasferimenti tra lo spazio del programma e lo spazio dei dati, aumentando la flessibilità del dispositivo.
Al contrario, nella struttura di von Neumann è presente solo un’unica unità di archiviazione, che contiene indirizzi, istruzioni, dati e altre informazioni. L’indirizzo fornito dal contatore di istruzioni viene utilizzato per distinguere se si tratta di un’istruzione, di dati o di un indirizzo. Tale velocità e efficienza di lettura sono relativamente basse, con conseguente bassa velocità di trasmissione dei dati.
Indicatori operativi del chip DSP
- Operazione a catena di montaggio:
La pipeline è correlata alla struttura Harvard. I chip DSP utilizzano ampiamente le pipeline per ridurre il tempo di esecuzione delle istruzioni, migliorando così la potenza di elaborazione del processore. Il processore può elaborare da due a quattro istruzioni in parallelo, ciascuna istruzione in una fase diversa della pipeline.
- Moltiplicatore hardware dedicato:
Più veloce è la velocità di moltiplicazione, più alte sono le prestazioni del processore DSP. Grazie a un moltiplicatore applicativo dedicato, la moltiplicazione può essere completata in un ciclo di istruzione.
- Istruzioni DSP speciali:
Istruzioni DSP speciali I chip DSP utilizzano istruzioni speciali.
- Ciclo di istruzione veloce:
La struttura Harvard veloce, le operazioni della pipeline, i moltiplicatori hardware dedicati, le istruzioni DSP speciali e il design ottimizzato del circuito integrato possono rendere il ciclo di istruzione del chip DSP inferiore a 200 ns.
Caratteristiche del sistema DSP
Il sistema di elaborazione del segnale digitale si basa sull’elaborazione del segnale digitale e quindi ha tutte le caratteristiche dell’elaborazione digitale:
L'interfaccia è comoda
I sistemi DSP sono compatibili con altri sistemi o dispositivi basati sulla moderna tecnologia digitale. È molto più facile per tali sistemi interfacciarsi per ottenere determinate funzioni rispetto ai sistemi analogici che si interfacciano con questi sistemi.
La programmazione è comoda
Il chip DSP programmabile del sistema DSP consente ai progettisti di modificare e aggiornare il software in modo flessibile e conveniente durante il processo di sviluppo.
Buona stabilità e durata
Il sistema DSP si basa sull’elaborazione digitale, è meno influenzato dalla temperatura ambiente e dal rumore e ha un’elevata affidabilità.
Alta precisione
La precisione raggiungibile con un sistema numerico a 16 bit.
Buona ripetibilità
Le prestazioni dei sistemi analogici sono fortemente influenzate dalle variazioni delle prestazioni dei parametri dei componenti, mentre i sistemi digitali non sono sostanzialmente influenzati. Pertanto, i sistemi digitali sono comodi per i test, il debug e la produzione di massa.
Facile da integrare
I componenti digitali nel sistema DSP sono altamente standardizzati e facilitano l’integrazione su larga scala.
Storia dei chip DSP
La nascita dei chip DSP è una necessità dei tempi. Dagli anni ’60, con il rapido sviluppo di computer e tecnologie dell’informazione, la tecnologia di elaborazione del segnale digitale è emersa e si è sviluppata rapidamente. Prima dell’avvento dei chip DSP, l’elaborazione del segnale digitale poteva essere realizzata solo con i microprocessori. Tuttavia, a causa della bassa velocità di elaborazione del microprocessore, semplicemente non può soddisfare i requisiti in tempo reale ad alta velocità della crescente quantità di informazioni.
Negli anni ’70, le basi teoriche e algoritmiche dei chip DSP erano mature. Ma a quel tempo, DSP è rimasto solo sui libri di testo. Anche i sistemi DSP sviluppati erano composti da componenti discreti e i loro campi di applicazione erano limitati ai settori militare e aerospaziale.
Nel 1978, AMI ha rilasciato il primo chip DSP monolitico al mondo S2811, ma non aveva il moltiplicatore hardware necessario per i moderni chip DSP;
Nel 1979, il dispositivo programmabile commerciale 2920 rilasciato da Intel Corporation degli Stati Uniti è stato una pietra miliare nei chip DSP, ma non aveva ancora un moltiplicatore hardware;
Nel 1980, l’MPD7720 lanciato dalla NEC Company del Giappone è stato il primo chip DSP commerciale con un moltiplicatore hardware ed è stato quindi considerato il primo dispositivo DSP monolitico;
Nel 1982, è nato il chip DSP di prima generazione TMS32010 e la sua serie di prodotti. Questo dispositivo DSP è realizzato utilizzando la tecnologia NMOS di processo a micron. Sebbene il suo consumo di energia e le dimensioni siano leggermente più grandi, la sua velocità di calcolo è dozzine di volte superiore a quella di un microprocessore.
L’avvento dei chip DSP è una pietra miliare, che segna un grande passo avanti per i sistemi di applicazione DSP dai sistemi di grandi dimensioni alla miniaturizzazione. A metà degli anni ’80, con l’emergere di chip DSP basati sulla tecnologia CMOS, la loro capacità di archiviazione e la velocità di calcolo erano state raddoppiate, diventando la base della tecnologia di elaborazione hardware vocale e di immagini.
Alla fine degli anni ’80, è uscita la terza generazione di chip DSP, la velocità di calcolo è stata ulteriormente migliorata e il suo ambito di applicazione si è gradualmente esteso ai settori delle comunicazioni e dei computer;
DSP si è sviluppato più rapidamente negli anni ’90, con l’apparizione di chip DSP di quarta e quinta generazione uno dopo l’altro. Rispetto alla quarta generazione, il sistema di quinta generazione ha un grado di integrazione più elevato, integrando il core DSP e i componenti periferici su un unico chip.
Dopo l’inizio del XXI secolo, è nato il chip DSP di sesta generazione. I chip di sesta generazione superano complessivamente i chip di quinta generazione in termini di prestazioni. Allo stesso tempo, sono stati sviluppati molti rami personalizzati basati su diversi scopi aziendali e hanno iniziato a espandersi gradualmente in nuove aree.
Applicazioni dei chip DSP
Nell’era digitale odierna, DSP è diventato un dispositivo di base nelle comunicazioni, nei computer, nell’elettronica di consumo e in altri settori.
Campo delle comunicazioni
La quantità di informazioni generate dalla trasmissione di dati multimediali è enorme. I terminali di rete multimediali devono analizzare e elaborare rapidamente le informazioni acquisite durante l’intero processo. Pertanto, DSP viene utilizzato nella codifica vocale, nella compressione delle immagini e nella riduzione delle comunicazioni vocali. Oggi, DSP produce effetti in tempo reale per i calcoli di decodifica vocale e i requisiti del protocollo di progettazione sono diventati lo standard internazionale più basilare.
Controllo industriale
Nel campo del controllo industriale, i robot industriali sono ampiamente utilizzati e i requisiti di prestazione per i sistemi di controllo dei robot sono sempre più elevati. Il sistema di controllo del robot genererà molti dati ed elaborazioni di calcolo durante il completamento di un’azione e un DSP ad alte prestazioni può essere utilizzato qui. Dopo l’applicazione del DSP al sistema di controllo del robot, sfrutta appieno le sue caratteristiche di velocità di calcolo in tempo reale, in modo che il sistema robotico possa risolvere rapidamente i problemi. Con il continuo aumento della velocità dei chip di segnale digitale DSP, è facile formare una rete di elaborazione parallela nel sistema, migliorando notevolmente le prestazioni del sistema di controllo. Ciò ha consentito allo sviluppo più ampio del sistema robotico.
Strumenti
Le ricche risorse on-chip del DSP possono semplificare notevolmente il circuito hardware degli strumenti e realizzare la progettazione SOC degli strumenti. L’accuratezza e la velocità di misurazione degli strumenti sono indicatori importanti. L’utilizzo di chip DSP per sviluppare prodotti può migliorare notevolmente questi due indicatori. Ad esempio, il TMS320F2810 di TI ha un efficiente core CPU a 32 bit, un convertitore A/D a 12 bit, una ricca memoria on-chip e un sistema di comandi flessibile, che costituisce un’ampia piattaforma per strumenti di alta precisione. Gli strumenti di alta precisione si sono ora sviluppati in un’importante applicazione del DSP e sono in un periodo di rapida diffusione, che promuoverà l’innovazione tecnologica nel settore.
Settore automobilistico
Il crescente sviluppo dei sistemi elettronici automobilistici, come l’installazione di radar a infrarossi e onde millimetriche, richiederà l’uso di DSP per l’analisi. Al giorno d’oggi, ci sono sempre più auto e i sistemi anti-collisione sono diventati un punto caldo della ricerca. Inoltre, i dati immagine acquisiti dalla fotocamera devono essere elaborati dal DSP prima di poter essere visualizzati nel sistema di guida a beneficio del conducente.
Settore militare
Il basso consumo energetico, le dimensioni ridotte e la velocità di risposta in tempo reale del DSP sono particolarmente necessari in armi e attrezzature. Ad esempio, i missili aria-aria aerei sono dotati di rilevatori a infrarossi e corrispondenti processori di segnale DSP in un volume limitato per completare il blocco e il tracciamento automatico del bersaglio. Le mire ottiche equipaggiate su aerei da combattimento avanzati e gli strumenti a bassa luminosità montati sui caschi indossati dal personale di fanteria richiedono la tecnologia DSP per completare il filtraggio e il miglioramento delle immagini e la ricerca e l’acquisizione intelligenti del bersaglio. La tecnologia DSP è utilizzata anche nell’elaborazione del segnale digitale radar come il controllo automatico dell’artiglieria, i missili da crociera, gli aerei di allerta precoce e le antenne phased array.
DSP a punto fisso e DSP a virgola mobile
In generale, i processori DSP a punto fisso hanno le caratteristiche di velocità elevata, basso consumo energetico e prezzo economico; mentre i processori DSP a virgola mobile hanno calcoli accurati, ampia gamma dinamica, velocità elevata, programmazione facile, elevato consumo energetico e prezzo elevato.
Gamma dinamica
Da una prospettiva macro, il DSP a virgola mobile ha una gamma dinamica molto più ampia del DSP a punto fisso. Nell’aritmetica a punto fisso, i programmatori devono sempre prestare attenzione all’occorrenza di overflow. Per prevenire l’overflow, devono continuare a eseguire il ridimensionamento dello spostamento o eseguire la troncamento. Il primo consuma molto tempo e spazio, mentre il secondo comporta una perdita di precisione. Al contrario, il DSP a virgola mobile espande la gamma dinamica, migliora la precisione, risparmia tempo e spazio di archiviazione, riducendo notevolmente i controlli di ridimensionamento, spostamento e overflow.
Hardware
Da un punto di vista puramente tecnico, la differenza tra punto fisso e virgola mobile risiede principalmente in due aspetti, ovvero hardware e software. La differenza hardware deriva da: il processore DSP a virgola mobile ha un moltiplicatore intero/virgola mobile, un’unità logico-aritmetica ALU intera/virgola mobile, un registro adatto per memorizzare risultati a virgola mobile estesa, ecc.
Software
Vediamo ora le differenze nello sviluppo software. Include principalmente le caratteristiche e le precauzioni della programmazione DSP a virgola mobile; operazioni di scalatura, spostamento e rilevamento dell’overflow del DSP a punto fisso quando si eseguono operazioni a virgola mobile. Quando si confrontano due numeri a virgola mobile, non utilizzare mai l’operatore “==” per determinare l’uguaglianza. Anche quando si confrontano due numeri identici, potrebbero esserci ancora sottili differenze. Anche definire esattamente 0 non è molto sicuro. Sebbene ci sia una rappresentazione di 0 nel linguaggio C, non scrivere mai codice del genere (x==0), ma scrivere (fabs(x) < TINY), dove TINY è definito come un valore molto piccolo, ovvero l’errore di arrotondamento del formato a virgola mobile del processore.
