O que é um processador de sinal digital?
Um processador de sinal digital (DSP) é um microprocessador dedicado ao processamento de sinais digitais (geralmente em tempo real). A arquitetura inclui CPU/ALU, memória de programa, memória de dados, etc. Seus tipos de arquitetura comuns incluem DSP aprimorado, estrutura VLIW, arquitetura superscalar e estrutura híbrida SIMD. Sua maior característica é seu multiplicador de hardware interno dedicado e estrutura de barramento Harvard, que pode processar um grande número de sinais digitais em alta velocidade.
Como funciona o DSP?
O DSP é um dispositivo que utiliza sinais digitais para processar grandes quantidades de informação. Ou seja, a informação obtida após "digitalizar" o sinal analógico num momento específico. Mais especificamente, consiste em "amostrar" num momento específico e, em seguida, "quantizar" o sinal discreto amostrado a ser processado e convertê-lo no número correspondente, completando assim o trabalho de digitalização.
Existem duas ações cruciais para a digitalização: "amostragem" e "quantização", que discutiremos mais adiante. Após obter as informações digitais, operações apropriadas podem ser realizadas para atender aos nossos requisitos de processamento de sinal de áudio.
Estrutura DSP
Para alcançar um processamento de sinal digital rápido e em tempo real, o DSP adota uma arquitetura diferente de outros chips de microprocessamento (CPU, etc.). Ele abandonou a arquitetura paralela von Norman e adotou a arquitetura Harvard. Usamos dois diagramas esquemáticos para distinguir a estrutura von Norman e a estrutura Harvard.
Como pode ser visto nos dois diagramas estruturais acima, a maior diferença entre a estrutura Harvard e a estrutura von Norman é se as unidades de armazenamento são subdivididas. Na arquitetura Harvard, as instruções armazenam programas e os dados são armazenados em diferentes espaços de memória. A busca e a execução de instruções podem se sobrepor completamente, e cada memória é endereçada e acessada de forma independente. Ela também permite transferências entre o espaço do programa e o espaço dos dados, aumentando a flexibilidade do dispositivo.
Por outro lado, há apenas uma unidade de armazenamento na estrutura de von Neumann, que contém endereço, instruções, dados e outras informações. O endereço fornecido pelo contador de instruções é usado para distinguir se é uma instrução, dados ou endereço. Essa velocidade e eficiência de leitura são relativamente baixas, resultando em baixo rendimento de dados.
Indicadores de funcionamento do chip DSP
- Operação da linha de montagem:
O pipeline está relacionado com a estrutura Harvard. Os chips DSP utilizam amplamente pipelines para reduzir o tempo de execução das instruções, aumentando assim a capacidade de processamento do processador. O processador pode processar duas a quatro instruções em paralelo, cada instrução numa fase diferente do pipeline.
- Multiplicador de hardware dedicado:
Quanto mais rápida for a velocidade de multiplicação, maior será o desempenho do processador DSP. Graças a um multiplicador de aplicação dedicado, a multiplicação pode ser concluída em um ciclo de instrução.
- Instruções DSP especiais:
Instruções DSP especiais Os chips DSP utilizam instruções especiais.
- Ciclo de instrução rápido:
O ciclo de instrução rápido, a estrutura Harvard, as operações em pipeline, os multiplicadores de hardware dedicados, as instruções DSP especiais e o design otimizado do circuito integrado podem tornar o ciclo de instrução do chip DSP inferior a 200 ns.
Características do sistema DSP
O sistema de processamento de sinal digital baseia-se no processamento de sinal digital e, portanto, possui todas as características do processamento digital:
A interface é conveniente
Os sistemas DSP são compatíveis com outros sistemas ou dispositivos baseados em tecnologia digital moderna. É muito mais fácil para esses sistemas se conectarem para realizar determinadas funções do que para os sistemas analógicos se conectarem a esses sistemas.
A programação é conveniente
O chip DSP programável do sistema DSP permite que os projetistas modifiquem e atualizem o software de maneira flexível e conveniente durante o processo de desenvolvimento.
Boa estabilidade e durabilidade
O sistema DSP é baseado em processamento digital, é menos afetado pela temperatura ambiente e ruído e tem alta confiabilidade.
Alta precisão
A precisão alcançável com um sistema numérico de 16 bits.
Boa repetibilidade
O desempenho dos sistemas analógicos é muito afetado pelas alterações nos parâmetros dos componentes, enquanto os sistemas digitais basicamente não são afetados. Portanto, os sistemas digitais são convenientes para testes, depuração e produção em massa.
Fácil de integrar
Os componentes digitais do sistema DSP são altamente padronizados e facilitam a integração em larga escala.
História dos chips DSP
O nascimento dos chips DSP é uma necessidade dos tempos atuais. Desde a década de 1960, com o rápido desenvolvimento dos computadores e da tecnologia da informação, a tecnologia de processamento de sinais digitais surgiu e se desenvolveu rapidamente. Antes do advento dos chips DSP, o processamento de sinais digitais só podia ser realizado por microprocessadores. No entanto, devido à baixa velocidade de processamento do microprocessador, ele simplesmente não consegue atender aos requisitos de alta velocidade em tempo real da crescente quantidade de informações.
Na década de 1970, a base teórica e algorítmica dos chips DSP havia amadurecido. Mas, naquela época, o DSP permanecia apenas nos livros didáticos. Mesmo os sistemas DSP desenvolvidos eram compostos por componentes discretos, e seus campos de aplicação eram limitados aos setores militar e aeroespacial.
Em 1978, a AMI lançou o primeiro chip DSP de chip único do mundo, o S2811, mas ele não possuía o multiplicador de hardware necessário para os chips DSP modernos;
Em 1979, o dispositivo programável comercial 2920 lançado pela Intel Corporation dos Estados Unidos foi um marco importante nos chips DSP, mas ainda não possuía um multiplicador de hardware;
Em 1980, o MPD7720 lançado pela empresa japonesa NEC foi o primeiro chip DSP comercial com multiplicador de hardware e, portanto, foi considerado o primeiro dispositivo DSP monolítico;
Em 1982, nasceu a primeira geração mundial de chips DSP TMS32010 e sua série de produtos. Este dispositivo DSP é fabricado usando tecnologia NMOS de processo micron. Embora seu consumo de energia e tamanho sejam um pouco maiores, sua velocidade de computação é dezenas de vezes mais rápida do que a de um microprocessador.
O advento dos chips DSP é um marco, que representa um grande passo à frente para os sistemas de aplicação DSP, desde grandes sistemas até a miniaturização. Em meados da década de 1980, com o surgimento dos chips DSP baseados na tecnologia CMOS, sua capacidade de armazenamento e velocidade de computação dobraram, tornando-se a base da tecnologia de processamento de voz e processamento de hardware de imagem.
No final da década de 1980, surgiu a terceira geração de chips DSP, a velocidade de computação foi ainda mais aprimorada e seu escopo de aplicação se expandiu gradualmente para os campos de comunicações e computadores;
O DSP desenvolveu-se mais rapidamente na década de 1990, com os chips DSP de quarta e quinta geração a surgirem um após o outro. Em comparação com a quarta geração, o sistema de quinta geração tem um maior grau de integração, integrando o núcleo DSP e os componentes periféricos num único chip.
Após a entrada no século XXI, nasceu o chip DSP de sexta geração. Os chips de sexta geração superam amplamente os chips de quinta geração em termos de desempenho. Ao mesmo tempo, muitos ramos personalizados foram desenvolvidos com base em diferentes objetivos comerciais e começaram a se expandir gradualmente para novas áreas.
Aplicações dos chips DSP
Na era digital atual, o DSP tornou-se um dispositivo básico nas comunicações, computadores, eletrônicos de consumo e outros campos.
Campo da comunicação
A quantidade de informações geradas pela transmissão de dados de mídia é enorme. Os terminais de rede multimídia precisam analisar e processar rapidamente as informações adquiridas durante todo o processo. Portanto, o DSP é usado na codificação de fala, compressão de imagem e redução de comunicação de voz. Atualmente, o DSP produz efeitos em tempo real para cálculos de decodificação de fala, e os requisitos do protocolo de design se tornaram o padrão internacional mais básico.
Controle industrial
No campo do controle industrial, os robôs industriais são amplamente utilizados, e os requisitos de desempenho para os sistemas de controle de robôs estão ficando cada vez mais exigentes. O sistema de controle do robô gera muitos dados e processamento de cálculos enquanto completa uma ação, e um DSP de alto desempenho pode ser usado aqui. Após a aplicação do DSP ao sistema de controle do robô, ele aproveita ao máximo suas características de velocidade de computação em tempo real, para que o sistema do robô possa lidar rapidamente com os problemas. À medida que a velocidade dos chips de sinal digital DSP continua a aumentar, é fácil formar uma rede de processamento paralelo no sistema, melhorando significativamente o sistema de controle. O desempenho permitiu que o sistema do robô fosse desenvolvido de forma mais ampla.
Instrumentos
Os ricos recursos on-chip do DSP podem simplificar significativamente o circuito de hardware dos instrumentos e realizar o design SOC dos instrumentos. A precisão e a velocidade de medição dos instrumentos são indicadores importantes. O uso de chips DSP para desenvolver produtos pode melhorar significativamente esses dois indicadores. Por exemplo, o TMS320F2810 da TI possui um núcleo de CPU de 32 bits eficiente, conversor A/D de 12 bits, memória rica no chip e sistema de comando flexível, construindo uma ampla plataforma para instrumentos de alta precisão. Os instrumentos de alta precisão se tornaram uma importante aplicação do DSP e estão em um período de rápida disseminação, o que promoverá a inovação tecnológica no setor.
Setor automotivo
O crescente desenvolvimento de sistemas eletrônicos automotivos, como a instalação de radares infravermelhos e de ondas milimétricas, exigirá o uso de DSPs para análise. Atualmente, há cada vez mais carros, e os sistemas anticolisão se tornaram um tema de pesquisa muito importante. Além disso, os dados de imagem capturados pela câmera precisam ser processados pelo DSP antes de serem exibidos no sistema de direção para referência do motorista.
Campo militar
O baixo consumo de energia, o tamanho reduzido e a velocidade de resposta em tempo real do DSP são particularmente necessários em armas e equipamentos. Por exemplo, os mísseis ar-ar aerotransportados são equipados com detectores infravermelhos e processadores de sinal DSP correspondentes em um volume limitado para completar o bloqueio e rastreamento automático do alvo. As miras visuais equipadas em caças avançados e os instrumentos de baixa luminosidade montados em capacetes usados pelo pessoal de infantaria requerem a tecnologia DSP para realizar a filtragem e o aprimoramento de imagens, bem como a busca e captura inteligente de alvos. A tecnologia DSP também é usada no processamento de sinais digitais de radar, como controle automático de artilharia, mísseis de cruzeiro, aeronaves de alerta antecipado e antenas de matriz faseada.
DSP de ponto fixo e DSP de ponto flutuante
Em geral, os processadores DSP de ponto fixo têm as características de velocidade rápida, baixo consumo de energia e preço baixo; enquanto os processadores DSP de ponto flutuante têm cálculos precisos, grande faixa dinâmica, velocidade rápida, programação fácil, alto consumo de energia e preço alto.
Faixa dinâmica
De uma perspectiva macro, o DSP de ponto flutuante tem uma faixa dinâmica muito maior do que o DSP de ponto fixo. Na aritmética de ponto fixo, os programadores devem sempre prestar atenção à ocorrência de estouro. Para evitar o estouro, eles devem continuar a realizar o escalonamento de deslocamento ou realizar o truncamento. O primeiro consome muito tempo e espaço, enquanto o segundo traz uma perda de precisão. Por outro lado, o DSP de operação de ponto flutuante expande a faixa dinâmica, melhora a precisão, economiza tempo de operação e espaço de armazenamento, reduzindo significativamente as verificações de escala, deslocamento e estouro.
Hardware
De uma perspectiva puramente técnica, a diferença entre ponto fixo e ponto flutuante reside principalmente em dois aspectos, nomeadamente hardware e software. A diferença de hardware provém do facto de o processador DSP de ponto flutuante ter um multiplicador de ponto flutuante/inteiro, uma unidade lógica aritmética ALU de inteiro/ponto flutuante, um registo adequado para armazenar resultados de ponto flutuante de precisão alargada, etc.
software
Vejamos as diferenças no desenvolvimento de software. Isso inclui principalmente as características e precauções da programação DSP de ponto flutuante; operações de dimensionamento, deslocamento e detecção de estouro do DSP de ponto fixo ao realizar operações de ponto flutuante. Ao comparar dois números de ponto flutuante, nunca use o operador "==" para determinar a igualdade. Mesmo ao comparar dois números idênticos, ainda pode haver diferenças sutis. Mesmo definir exatamente 0 não é muito seguro. Embora exista uma representação de 0 na linguagem C, nunca escreva esse código (x==0), mas sim (fabs(x) < TINY), onde TINY é definido como um valor muito pequeno, ou seja, o erro de arredondamento do formato de ponto flutuante do processador.
