Цифровой сигнальный процессор

Цифровой сигнальный процессор (англ. Digital signal processor, DSP; сигнальный микропроцессор, СМП; процессор цифровых сигналов, ПЦС) — специализированный микропроцессор, предназначенный для цифровой обработки сигналов (обычно в реальном масштабе времени).

 

Рис. Установленный на поверхность печатной платы современный ЦСП с BGA выводами

Архитектура сигнальных процессоров, по сравнению с микропроцессорами настольных компьютеров, имеет некоторые особенности:

· Гарвардская архитектура (разделение памяти команд и данных), как правило модифицированная;

· Большинство сигнальных процессоров имеют встроенную оперативную память, из которой может осуществляться выборка нескольких машинных слов одновременно. Нередко встроено сразу несколько видов оперативной памяти, например, в силу Гарвардской архитектуры бывает отдельная память для инструкций и отдельная - для данных.

· Некоторые сигнальные процессоры обладают одним или даже несколькими встроенными постоянными запоминающими устройствами с наиболее употребительными подпрограммами, таблицами и т.п..

· Аппаратное ускорение сложных вычислительных инструкций, то есть быстрое выполнение операций, характерных для цифровой обработки сигналов, например, операция «умножение с накоплением» (MAC) (Y: = X + A × B) обычно исполняется за один такт.

По сравнению с микроконтроллерами, ограниченный набор периферийных устройств — впрочем, существуют «переходные» чипы, сочетающие в себе свойства DSP и широкую периферию микроконтроллеров.

 

Области применения

· Коммуникационное оборудование:

· Уплотнение каналов передачи данных;

· Кодирование аудио- и видеопотоков;

· Системы гидро- и радиолокации;

· Распознавание речи и изображений;

· Речевые и музыкальные синтезаторы;

· Анализаторы спектра;

· Управление технологическими процессами;

· Другие области, где необходима быстродействующая обработка сигналов, в том числе в реальном времени.

 

До 1980 года несколько компаний выпустили устройства, которые можно считать предшественниками ЦСП. Так, в 1978 Intel выпускает «процессор аналоговых сигналов» 2120. В его состав входили АЦП, ЦАП и процессор обработки цифровых данных, однако аппаратная функция умножения отсутствовала. В 1979 AMI выпускает S2811 — периферийное устройство, управляемое основным процессором компьютера. Оба изделия не достигли успеха на рынке.

Основную историю ЦСП принято отсчитывать от 1979—1980 годов, когда Bell Labs представила первый однокристальный ЦСП Mac 4, а также на «IEEE International Solid-State Circuits Conference '80» были показаны µMPD7720 компании NEC и DSP1 компании AT& T, которые, однако, не получили широкого распространения. Стандартом де-факто стал выпущенный чуть позже кристалл TMS32010 фирмы Texas Instruments, по многим параметрам и удачным техническим решениям превосходящий изделия конкурентов

Благодаря прогрессу в полупроводниковых технологиях, в этот период были выпущены изделия, имеющие расширенные функции по сравнению с первым поколениям.

Третье поколение ЦСП принято связывать с началом выпуска изделий, реализующих арифметику с плавающей запятой.

 

Четвёртое поколение ЦСП характеризуется значительным расширением наборов команд, созданием VLIW и суперскалярных процессоров. Заметно возросли тактовые частоты. Так, например, время выполнения команды MAC (Y: = X + A × B) удалось сократить до 3 нс.

 

Лучшие современные ЦСП можно характеризовать следующими параметрами:

· Тактовая частота — 1 ГГц и выше;

· Многоядерность;

· Наличие двухуровневого кеша;

· Встроенные многоканальные контроллеры прямого доступа к памяти;

· Быстродействие порядка нескольких тысяч MIPS и MFLOPS;

· Выполнение до 8 параллельных инструкций за такт;

· Совместимость со стандартными шинами (PCI и др.)

4.5 Программи́ руемая логи́ ческая интегра́ льная схе́ ма

 

Программи́ руемая логи́ ческая интегра́ льная схе́ ма (ПЛИС, англ. programmable logic device, PLD) — электронный компонент, используемый для создания цифровых интегральных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования (проектирования). Для программирования используются отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках Verilog, VHDL. Альтернативой ПЛИС являются заказные БИС (большие интегральные схемы), которые при мелкосерийном и единичном производстве существенно дороже, и компьютеры (микроконтроллеры), которые из-за программного способа реализации алгоритмов медленнее ПЛИС.

Рис. CPLD ПЛИС Altera MAX

Некоторые производители ПЛИС предлагают процессоры для своих ПЛИС, которые могут быть модифицированы под конкретную задачу, а затем встроены в ПЛИС, тем самым уменьшив место на печатной плате и упростив разработку для самой ПЛИС.

Широко используется для построения различных по сложности и возможностям цифровых устройств.

 

Рис. Архитектура устройства LatticeXP

 

Это приложения, где необходимо большое количество портов ввода-вывода (бывают ПЛИС с более чем 1000 выводов («пинов»)), цифровая обработка сигнала (ЦОС), цифровая видео-аудио аппаратура, высокоскоростная передача данных, криптография, проектирование ASIC, в качестве мостов (коммутаторов) между системами с различной логикой и напряжением питания, реализация нейрочипов.

Основные современные типы ПЛИС

CPLD (англ. complex programmable logic device — сложные программируемые логические устройства) содержат относительно крупные программируемые логические блоки — макроячейки (англ. macrocells), соединённые с внешними выводами и внутренними шинами. Функциональность CPLD кодируется в энергонезависимой памяти, поэтому нет необходимости их перепрограммировать при включении.

FPGA (англ. field-programmable gate array) содержат блоки умножения - суммирования (DSP), которые широко применяются при обработке сигналов, а также логические элементы (как правило на базе таблиц перекодировки (таблиц истинности)) и их блоки коммутации. FPGA обычно используются для обработки сигналов, имеют больше логических элементов и более гибкую архитектуру, чем CPLD. Программа для FPGA хранится в распределённой памяти, которая может быть выполнена как на основе энергозависимых ячеек статического ОЗУ (подобные микросхемы производят, например, фирмы Xilinx и Altera) - в этом случае программа не сохраняется при исчезновении электропитания микросхемы, так и на основе энергонезависимых ячеек Flash-памяти или перемычек antifuse (такие микросхемы производит фирма Actel и Lattice Semiconductor) - в этих случаях программа сохраняется при исчезновении электропитания. Если программа хранится в энергозависимой памяти, то при каждом включении питания микросхемы необходимо заново конфигурировать её при помощи начального загрузчика, который может быть встроен и в саму FPGA. Альтернативой ПЛИС FPGA являются более медленные цифровые процессоры обработки сигналов. FPGA применяются также, как ускорители универсальных процессоров в суперкомпьютерах (например: Cray -XD1, SGI - Проект RASC).

 

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться: