Что такое чип DSP?
Цифровой сигнальный процессор, также известный как чип DSP, представляет собой микропроцессорное устройство, специально предназначенное для обработки цифровых сигналов. Его основное применение — быстрое выполнение в режиме реального времени различных алгоритмов обработки цифровых сигналов.
Как работают микросхемы DSP?
Функция цифрового сигнального процессора использует архитектуру Гарварда, которая разделяет память программы и память данных. Специальный набор инструкций для операций с одним потоком инструкций и несколькими потоками данных (SIMD). Параллельная обработка возможна, но многозадачность не поддерживается. При использовании в хост-среде может использоваться в качестве устройства прямого доступа к памяти (DMA).
Данные получаются от аналого-цифрового преобразователя (ADC), а конечным результатом являются данные, преобразованные в аналоговый сигнал цифро-аналоговым преобразователем (DAC).
Способен выполнять одну или несколько операций умножения и накопления (MAC) за один цикл инструкции. Поэтому в DSP интегрировано несколько блоков умножения и накопления, которые могут выполнять параллельные операции умножения и накопления.
В одном цикле инструкций может быть выполнено несколько чтений из памяти. Поэтому в DSP интегрированы несколько встроенных шин и многопортовые встроенные памяти. Для ускорения операций в процессоре в DSP интегрированы несколько блоков генерации адресов для поддержки циклической адресации и адресации с переворотом битов. Большинство операций в процессоре являются повторяющимися.
Для удобства использования большинство DSP поддерживают эти повторяющиеся операции без написания дополнительных инструкций для повторяющихся операций. Большинство DSP предоставляют несколько последовательных или параллельных интерфейсов ввода-вывода, а также специальные интерфейсы ввода-вывода для обработки специальных данных, что снижает стоимость и улучшает производительность ввода-вывода.
Как выбрать чип DSP?
Исходя из представленной информации, выбор цифрового сигнального процессора осуществляется в соответствии со следующими принципами, которые можно обобщить следующим образом:
1. Формат алгоритма
Алгоритмы с фиксированной запятой имеют меньший динамический диапазон. Например, динамический диапазон 16-разрядного алгоритма с фиксированной запятой составляет всего 96 дБ, что приводит к проблемам переполнения, но имеет низкую стоимость и низкое энергопотребление. Поэтому большинство DSP являются фиксированными, около 67%. Арифметика с плавающей запятой имеет большой динамический диапазон, например, 32-разрядная арифметика с плавающей запятой, которая имеет динамический диапазон 1536 дБ. Скорость обработки намного выше, чем у алгоритмов с фиксированной запятой, а ширина шины шире, чем у алгоритмов с фиксированной запятой. Программирование проще, но стоимость выше, а энергопотребление больше. Цифровые сигнальные процессоры с плавающей запятой в основном используются в высокотехнологичных продуктах.
2. Ширина данных
Все DSP с плавающей запятой имеют 32-разрядную ширину, в то время как DSP с фиксированной запятой в основном имеют 16-разрядную ширину, но также и 24-разрядную, например, серия DSP563xx от Motorola и серия ZR3800 от Zoran (обе 20-разрядные). Ширина данных напрямую влияет на размер микросхемы DSP, количество выводов корпуса и емкость периферийной памяти, а значит, напрямую влияет на стоимость DSP.
3. Скорость бега
При выборе DSP наиболее важным фактором является скорость. Скорость DSP обычно определяется временем выполнения командных циклов, но она также зависит от времени вычисления основных функций, таких как FIR- или IIR-фильтры. Некоторые DSP используют структуру с очень большим командным словом (VLIW), которая позволяет выполнять несколько команд за один цикл. Это тесно связано с рабочей частотой тактового генератора.
4. Структура памяти
Структура памяти (включая структуру шины) оказывает большое влияние на производительность DSP. С одной стороны, разные методы имеют разную скорость чтения данных и инструкций при выполнении операций. Чтение одной инструкции и двух фрагментов данных за один цикл инструкции для быстрой операции MAC. Структура может представлять собой многопортовую память, отдельную память для инструкций и данных или буфер инструкций. С другой стороны, структура памяти также включает в себя размер памяти, поддерживаемой на кристалле и вне кристалла. Большинство DSP с фиксированной запятой ориентированы на рынок встраиваемых систем, поэтому их память небольшая. Хотя некоторые DSP с плавающей запятой имеют меньший объем памяти на кристалле, они требуют большей периферийной памяти, например, TMS320C30 от TI.
5. Потребление энергии
Многие DSP используются в портативных устройствах, таких как мобильные телефоны, КПК и портативные аудиоплееры. Энергопотребление является одним из основных факторов, которые необходимо учитывать при разработке этих продуктов. Многие производители процессоров снизили рабочее напряжение (например, до 3,3 В, 2,5 В, 1,8 В) и добавили функции управления напряжением питания, такие как «спящий режим», который отключает большую часть питания, когда устройство не используется, а также неиспользуемое периферийное оборудование. Снижение энергопотребления.
6. Простота программирования
Объектами применения DSP являются в основном инженеры-техники и инженеры. Ранние цифровые сигнальные процессоры программировались на языке ассемблера, а более поздние продукты могли быть написаны на языке C, но они должны были компилироваться в исходные программы на языке ассемблера с помощью компилятора C и оптимизироваться для сокращения времени вычислений. Поставщики DSP часто предоставляют инструменты разработки. Но продукты DSP разных компаний сильно различаются по программированию программного обеспечения. Поэтому пользователи должны выбирать инструмент разработки, с которым они более знакомы. К этим инструментам относятся программные инструменты, такие как программы на языке ассемблера, компоновщики, симуляторы, отладчики, компиляторы, библиотеки кода, операционные системы реального времени и т. д., а также аппаратные инструменты, такие как платы разработчика, эмуляторы и т. д.
7. Цена
Стоимость также является важным фактором при массовом производстве. Упаковка устройства также влияет на стоимость чипа. Упаковка с решеткой (PGA) дороже, чем пластиковая упаковка PQFP и TQEP.
8. Поддержка нескольких процессоров
Если требуются особенно быстрые вычисления, можно использовать несколько процессоров, работающих параллельно. В этом случае важную роль могут играть внутренние соединения каждого процессора. ADSP-2106x от Analog Devices предоставляет специальное оборудование. Он имеет двунаправленную адресную шину и шину данных и работает с шестью двунаправленными шинами. До шести процессоров легко подключить в систему через общую внешнюю шину.
