Лічбавая апрацоўка сігналаў (DSP) - гэта новы прадмет, які ахоплівае мноства дысцыплін і шырока выкарыстоўваецца ў многіх галінах. З 1960-х гадоў з хуткім развіццём камп'ютэрных і інфармацыйных тэхналогій узнікла і хутка развівалася тэхналогія лічбавай апрацоўкі сігналаў. У апошнія два дзесяцігоддзі лічбавая апрацоўка сігналаў шырока выкарыстоўваецца ў сувязі і іншых галінах.
Лічбавая апрацоўка сігналаў - гэта выкарыстанне камп'ютараў або спецыяльнага абсталявання для апрацоўкі для збору, пераўтварэння, фільтрацыі, ацэнкі, паляпшэння, сціску і ідэнтыфікацыі сігналаў у лічбавай форме для атрымання формы сігналу, якая адпавядае патрэбам людзей. Лічбавая апрацоўка сігналаў распрацавана вакол тэорыі, рэалізацыі і прымянення лічбавай апрацоўкі сігналаў. Тэарэтычнае развіццё лічбавай апрацоўкі сігналаў спрыяла развіццю прыкладанняў для лічбавай апрацоўкі сігналаў. І наадварот, прымяненне лічбавай апрацоўкі сігналаў спрыяла ўдасканаленню тэорыі лічбавай апрацоўкі сігналаў. Рэалізацыя лічбавай апрацоўкі сігналаў з'яўляецца мостам паміж тэорыяй і прымяненнем
Лічбавая апрацоўка сігналаў заснавана на многіх дысцыплінах, і сфера яе прымянення вельмі шырокая. Напрыклад, у галіне матэматыкі вылічэнне, верагоднасць і статыстыка, выпадковыя працэсы і лікавы аналіз з'яўляюцца асноўнымі інструментамі для лічбавай апрацоўкі сігналаў і цесна звязаны з тэорыяй сетак, сігналамі і сістэмамі, кібернетыкай, тэорыяй сувязі і дыягностыкай няспраўнасцей. Некаторыя новыя дысцыпліны, такія як штучны інтэлект, распазнаванне вобразаў, нейронавыя сеткі і г.д., неаддзельныя ад лічбавай апрацоўкі сігналаў. Можна сказаць, што лічбавая апрацоўка сігналаў бярэ ў якасці тэарэтычнай асновы многія класічныя тэарэтычныя сістэмы і ў той жа час робіць сябе тэарэтычнай асновай шэрагу новых дысцыплін.
Метады рэалізацыі лічбавай апрацоўкі сігналаў у агульным выглядзе наступныя:
(1) Рэалізацыя з дапамогай праграмнага забеспячэння (напрыклад, Fortran, мова C) на камп'ютары агульнага прызначэння (напрыклад, ПК);
(2) Дадаць спецыяльны паскораны працэсар да камп'ютэрнай сістэмы агульнага прызначэння;
(3) Ён рэалізаваны адначыпавым мікракампутарам агульнага прызначэння (напрыклад, MCS-51, серыя 96 і інш.). Гэты метад можа быць выкарыстаны для некаторай менш складанай лічбавай апрацоўкі сігналаў, напрыклад, лічбавага кіравання і г.д.;
(4) Рэалізуйце з агульным праграмуемым чыпам DSP. У параўнанні з адначыпавымі мікракампутарамі мікрасхемы DSP маюць праграмныя і апаратныя рэсурсы, больш прыдатныя для лічбавай апрацоўкі сігналаў, і могуць выкарыстоўвацца для складаных алгарытмаў лічбавай апрацоўкі сігналаў;
(5) Рэалізуйце з дапамогай спецыяльнага чыпа DSP. У некаторых асаблівых выпадках неабходная хуткасць апрацоўкі сігналу надзвычай высокая, чаго цяжка дасягнуць з дапамогай чыпаў DSP агульнага прызначэння, такіх як чыпы DSP, прызначаныя для FFT, лічбавай фільтрацыі, згортвання і звязаных з імі алгарытмаў. Гэты чып інтэгруе адпаведныя алгарытмы апрацоўкі сігналаў. Чып рэалізаваны апаратна без праграмавання.
Сярод вышэйпералічаных метадаў недахопам першага з'яўляецца тое, што ён больш павольны і можа звычайна выкарыстоўвацца для мадэлявання алгарытмаў DSP; другі і пяты метады вельмі спецыфічныя і іх прымяненне моцна абмежавана. Другі спосаб таксама нязручны для самастойнай працы сістэмы; трэці спосаб падыходзіць толькі для рэалізацыі простых алгарытмаў DSP; толькі чацвёрты спосаб адкрывае новыя магчымасці прымянення лічбавай апрацоўкі сігналаў
Хоць тэорыя лічбавай апрацоўкі сігналаў хутка развівалася, да 1980-х гадоў з-за абмежаванасці метадаў рэалізацыі тэорыя лічбавай апрацоўкі сігналаў не атрымала шырокага прымянення. Толькі пасля нараджэння першай у свеце адначыпавай праграмуемай мікрасхемы DSP у канцы 1970-х і пачатку 1980-х гадоў вынікі тэарэтычных даследаванняў атрымалі шырокае прымяненне ў недарагіх практычных сістэмах і спрыялі распрацоўцы новых тэорый і абласцей прымянення. Без перабольшання можна сказаць, што нараджэнне і распрацоўка чыпаў DSP адыграла вельмі важную ролю ў тэхналагічным развіцці камунікацый, кампутараў, кіравання і іншых галінах за апошнія 20 гадоў.
У сістэме DSP уваходны сігнал можа мець розныя формы. Напрыклад, гэта можа быць галасавы сігнал, які выводзіцца з мікрафона, або мадуляваны сігнал дадзеных з тэлефоннай лініі, або сігнал выявы камеры, які кадзіруецца і перадаецца па лічбавай лініі сувязі або захоўваецца ў камп'ютары.
Уваходны сігнал спачатку падвяргаецца абмежаванай паласе фільтрацыі і выбарцы, а затым выконваецца аналагава-лічбавае (аналагава-лічбавае) пераўтварэнне для пераўтварэння сігналу ў лічбавы паток бітаў. Згодна з тэарэмай Найквіста аб выбарцы, для таго, каб гарантаваць, што інфармацыя не будзе страчана, частата выбаркі павінна быць як мінімум у два разы большай за самую высокую частату ўваходнага сігналу з абмежаваным дыяпазонам.
Уваход мікрасхемы DSP - гэта лічбавы сігнал, выражаны ў форме выбаркі, атрыманай пасля аналагава-цыфравага пераўтварэння. Мікрасхема DSP выконвае пэўную форму апрацоўкі ўваходнага лічбавага сігналу, напрыклад, серыю аперацый множання і назапашвання (MAC). Лічбавая апрацоўка з'яўляецца ключом да DSP, які моцна адрозніваецца ад іншых сістэм (напрыклад, сістэм тэлефоннай камутацыі). У сістэме камутацыі роля працэсара заключаецца ў выкананні выбару маршрутызацыі, і ён не змяняе ўваходныя даныя. Такім чынам, хоць абедзве з'яўляюцца сістэмамі рэальнага часу, іх абмежаванні рэальнага часу даволі розныя. Нарэшце, апрацаваныя лічбавыя выбаркі пераўтвараюцца ў аналагавыя шляхам пераўтварэння D/A (лічба ў аналагавы), а затым выконваюцца інтэрпаляцыя і згладжвальная фільтрацыя для атрымання бесперапынных аналагавых сігналаў.
Трэба адзначыць, што прыведзеная вышэй мадэль сістэмы DSP з'яўляецца тыповай мадэллю, але не ўсе сістэмы DSP павінны мець усе кампаненты ў мадэлі. Напрыклад, сістэма распазнавання голасу - гэта не бесперапынны сігнал на выхадзе, а вынік распазнавання, напрыклад, лічбы, тэкст і г.д.; некаторыя ўваходныя сігналы з'яўляюцца лічбавымі сігналамі (напрыклад, CD Compact Disk), таму няма неабходнасці выконваць аналагава-лічбавае пераўтварэнне.
Сістэма лічбавай апрацоўкі сігналаў заснавана на лічбавай апрацоўцы сігналаў, таму мае ўсе перавагі лічбавай апрацоўкі:
(1) Зручны інтэрфейс. Сістэмы DSP сумяшчальныя з іншымі сістэмамі або прыладамі на аснове сучасных лічбавых тэхналогій. Значна прасцей узаемадзейнічаць з такімі сістэмамі для рэалізацыі пэўных функцый, чым з аналагавымі сістэмамі для ўзаемадзеяння з гэтымі сістэмамі;
(2) Лёгка праграмаваць. Праграмуемы чып DSP у сістэме DSP дазваляе дызайнерам гнутка і зручна мадыфікаваць і абнаўляць праграмнае забеспячэнне ў працэсе распрацоўкі;
(3) Добрая стабільнасць. Сістэма DSP заснавана на лічбавай апрацоўцы, менш схільная ўздзеянню тэмпературы навакольнага асяроддзя і шуму і мае высокую надзейнасць;
(4) Высокая дакладнасць. 16-бітная лічбавая сістэма можа дасягаць дакладнасці 10^(-5);
(5) Добрая паўтаральнасць. Прадукцыйнасць аналагавай сістэмы ў значнай ступені залежыць ад змены прадукцыйнасці параметраў кампанентаў, у той час як лічбавая сістэма ў асноўным не ўплывае, таму лічбавая сістэма зручная для тэсціравання, адладкі і масавай вытворчасці;
(6) Зручная інтэграцыя. Лічбавыя кампаненты ў сістэме DSP высока стандартызаваны, што спрыяе шырокамаштабнай інтэграцыі.
Безумоўна, лічбавая апрацоўка сігналаў мае і пэўныя недахопы. Напрыклад, для простых задач апрацоўкі сігналаў, такіх як тэлефонны інтэрфейс з аналагавай лініяй камутатара, выкарыстанне DSP павялічыць кошт. Высокая хуткасць тактавага сігналу ў сістэме DSP можа выклікаць такія праблемы, як высокачашчынныя перашкоды і ўцечка электрамагнітнага поля, а сістэма DSP спажывае шмат энергіі. Акрамя таго, тэхналогія D SP хутка абнаўляецца, патрабуе шмат матэматычных ведаў, а інструменты распрацоўкі і адладкі не ідэальныя.
Нягледзячы на тое, што сістэма DSP мае некаторыя недахопы, яе выдатныя перавагі зрабілі яе ўсё больш і больш шырока выкарыстоўванай у многіх галінах, такіх як сувязь, голас, выява, радар, біямедыцына, прамысловае кіраванне і прыборы.
Увогуле, не існуе добрага фармальнага метаду праектавання сістэм DSP.
Перш чым распрацоўваць сістэму DSP, вы павінны спачатку вызначыць паказчыкі прадукцыйнасці сістэмы і патрабаванні да апрацоўкі сігналаў у адпаведнасці з мэтамі прыкладной сістэмы, якія звычайна можна апісаць дыяграмамі патоку даных, паслядоўнасцю матэматычных аперацый, фармальнымі сімваламі або натуральнай мовай.
Другі крок - мадэляванне мовы высокага ўзроўню ў адпаведнасці з патрабаваннямі сістэмы. Наогул кажучы, каб дасягнуць канчатковай мэты сістэмы, уваходны сігнал павінен быць належным чынам апрацаваны, і розныя метады апрацоўкі прывядуць да рознай прадукцыйнасці сістэмы. Каб атрымаць лепшую прадукцыйнасць сістэмы, вы павінны вызначыць лепшую на гэтым этапе. Метадам апрацоўкі з'яўляецца алгарытм лічбавай апрацоўкі сігналу (Алгарытм), таму гэты этап таксама называюць этапам мадэлявання алгарытму. Напрыклад, алгарытм кадавання сціску маўлення прызначаны для атрымання найлепшага сінтэзаванага маўлення пры пэўнай ступені сціску. Уваходныя даныя, якія выкарыстоўваюцца для мадэлявання алгарытму, атрымліваюцца шляхам збору фактычных сігналаў і звычайна захоўваюцца ў выглядзе файла даных у выглядзе кампутарнага файла. Напрыклад, галасавы сігнал, які выкарыстоўваецца пры мадэляванні алгарытму кадавання сціску голасу, фактычна збіраецца і захоўваецца ў выглядзе файла галасавых даных у выглядзе камп'ютэрнага файла. Уваходныя даныя, якія выкарыстоўваюцца ў мадэляванні некаторых алгарытмаў, неабавязкова павінны быць фактычна сабранымі данымі сігналу. Пакуль можна праверыць выканальнасць алгарытму, можна таксама ўводзіць гіпатэтычныя даныя.
Пасля завяршэння другога этапу наступным крокам з'яўляецца распрацоўка сістэмы DSP у рэжыме рэальнага часу. Праектаванне сістэмы DSP у рэжыме рэальнага часу ўключае праектаванне апаратнага і праграмнага забеспячэння. Дызайн апаратнага забеспячэння павінен спачатку выбраць адпаведны чып DSP у адпаведнасці з памерам вылічэнняў сістэмы, патрабаваннямі да дакладнасці вылічэнняў, абмежаваннямі кошту сістэмы, а таксама патрабаваннямі да аб'ёму і энергаспажывання. Затым распрацуйце перыферыйную схему і іншыя схемы мікрасхемы DSP. Дызайн і праграмаванне праграмнага забеспячэння ў асноўным заснаваны на сістэмных патрабаваннях і абраным чыпе DSP для напісання адпаведнай праграмы зборкі DSP. Калі сістэма мае невялікі аб'ём вылічэнняў і падтрымліваецца кампілятарам мовы высокага ўзроўню, яе таксама можна запраграмаваць на мове высокага ўзроўню (напрыклад, на мове Сі). Паколькі эфектыўнасць існуючых кампілятараў моў высокага ўзроўню не такая эфектыўная, як эфектыўнасць ручнога напісання мовы асэмблера, змешаны метад праграмавання мовы высокага ўзроўню і мовы асэмблера часта выкарыстоўваецца ў рэальных прыкладных сістэмах. Спосаб напісання заключаецца ў напісанні асэмблерам, у той час як мова высокага ўзроўню выкарыстоўваецца там, дзе аб'ём вылічэнняў невялікі. Выкарыстанне гэтага метаду дазваляе не толькі скараціць цыкл распрацоўкі праграмнага забеспячэння, палепшыць чытальнасць і мабільнасць праграмы, але і задаволіць патрабаванні працы сістэмы ў рэжыме рэальнага часу.
Пасля завяршэння распрацоўкі апаратнага і праграмнага забеспячэння DSP неабходна правесці адладку апаратнага і праграмнага забеспячэння. Для адладкі праграмнага забеспячэння звычайна выкарыстоўваюцца сродкі распрацоўкі DSP, такія як сімулятары праграмнага забеспячэння, сістэмы распрацоўкі DSP або эмулятары. Пры адладцы алгарытмаў DSP звычайна выкарыстоўваецца метад параўнання вынікаў у рэальным часе і вынікаў мадэлявання. Калі ўваходныя дадзеныя праграмы рэальнага часу і праграмы мадэлявання аднолькавыя, выхад абедзвюх павінен быць аднолькавым. Іншае праграмнае забеспячэнне прыкладной сістэмы можа быць адладжана ў адпаведнасці з рэальнай сітуацыяй. Адладка абсталявання звычайна выкарыстоўвае апаратны эмулятар для адладкі. Калі адпаведнага апаратнага эмулятара няма і апаратная сістэма не вельмі складаная, яе таксама можна адладзіць з дапамогай агульных сродкаў.
Пасля асобнай адладкі праграмнага і апаратнага забеспячэння сістэмы праграмнае забеспячэнне можна аддзяліць ад сістэмы распрацоўкі і запусціць непасрэдна ў сістэме прыкладанняў. Вядома, распрацоўка сістэмы DSP, асабліва распрацоўка праграмнага забеспячэння, - гэта працэс, які трэба паўтарыць. Нягледзячы на тое, што прадукцыйнасць сістэмы рэальнага часу можна ў асноўным даведацца з дапамогай мадэлявання алгарытмаў, насамрэч асяроддзе мадэлявання не можа цалкам адпавядаць асяроддзю сістэмы рэальнага часу. Пры пераносе алгарытму мадэлявання ў сістэму рэальнага часу неабходна ўлічваць, ці можа алгарытм працаваць у рэжыме рэальнага часу. Калі вылічальная складанасць алгарытму занадта вялікая для працы на апаратным забеспячэнні ў рэжыме рэальнага часу, алгарытм павінен быць перагледжаны або спрошчаны.
Мікрасхема DSP, таксама вядомая як лічбавы сігнальны працэсар, - гэта мікрапрацэсар, асабліва прыдатны для лічбавай апрацоўкі сігналаў. Яго асноўнае прымяненне - хуткая рэалізацыя розных алгарытмаў лічбавай апрацоўкі сігналаў у рэжыме рэальнага часу. У адпаведнасці з патрабаваннямі лічбавай апрацоўкі сігналаў мікрасхемы DSP звычайна маюць наступныя асноўныя характарыстыкі:
(1) Адно множанне і адно складанне могуць быць завершаны ў адным цыкле інструкцый;
(2) Прастора праграмы і дадзеных падзеленыя, і інструкцыі і дадзеныя могуць быць даступныя адначасова;
(3) У чыпе ёсць хуткая аператыўная памяць, да якой звычайна можна атрымаць доступ адначасова ў двух блоках праз незалежныя шыны даных;
(4) Падтрымка апаратнага забеспячэння з нізкімі накладнымі выдаткамі або без цыкла і скачка;
(5) Хуткая апрацоўка перапыненняў і падтрымка апаратнага ўводу-вываду;
(6) Некалькі апаратных генератараў адрасоў, якія працуюць у адным цыкле;
(7) Некалькі аперацый могуць быць выкананы паралельна;
(8) Падтрымка працы канвеера, так што такія аперацыі, як выбарка, дэкадаванне і выкананне, могуць выконвацца з перакрыццем.
Вядома, у параўнанні з мікрапрацэсарамі агульнага прызначэння, іншыя функцыі агульнага прызначэння мікрасхем DSP адносна слабыя.
Распрацоўка мікрасхем DSP
Першым у свеце адначыпавым чыпам DSP павінен стаць S2811, выпушчаны AMI у 1978 годзе. Камерцыйная праграмуемая прылада 2920, выпушчаная Intel у 1979 годзе, стала важнай вяхой у развіцці чыпаў DSP. Ні адзін з чыпаў не мае множніка за адзін цыкл, неабходнага для сучасных чыпаў DSP. У 1980 годзе μP D7720, прадстаўлены японскай карпарацыяй NEC, быў першым камерцыйным чыпам DSP з множнікам.
Пасля гэтага самымі паспяховымі чыпамі DSP стала серыя прадуктаў ад Texas Instruments (TI). TI паспяхова выпусціла свой чып DSP першага пакалення TMS32010 і яго серыйныя прадукты TMS32011, TMS320C10/C14/C15/C16/C17 у 1982 годзе, а затым паслядоўна прадставіла чып DSP другога пакалення TMS32020, TMS320C25/C26/C28 і чып DSP трэцяга пакалення TMS320 30C31/C32/C320, мікрасхема DSP чацвёртага пакалення TMS40C44/C320, мікрасхема DSP пятага пакалення TMS5C54X/C320X, палепшаная мікрасхема DSP другога пакалення TMS2C320XX, высокапрадукцыйная мікрасхема DSP TMS8C320X з інтэграцыяй некалькіх мікрасхем DSP І ў цяперашні час самая хуткая мікрасхема DSP шостага пакалення TMS62C67 X/C320X і г.д. TI абагульняе часта выкарыстоўваюцца мікрасхемы DSP на тры серыі, а менавіта: серыю TMS2000C320 (уключаючы TMS2C2X/C320XX), серыю TMS5000C320 (уключаючы TMS5C54X/C55X/C320X) і серыю TMS6000C320 (TMS62C67X/C50X). Сёння серыя прадуктаў DSP TI стала самымі ўплывовымі чыпамі DSP у свеце. TI таксама стала найбуйнейшым у свеце пастаўшчыком мікрасхем DSP, і яе доля на рынку DSP складае амаль XNUMX% сусветнай долі.
Першай, хто выкарыстаў тэхналогію CMOS для вытворчасці чыпаў DSP з плаваючай кропкай, была японская кампанія Hitachi, якая прадставіла чыпы DSP з плаваючай кропкай у 1982 г. У 1983 г. MB8764, выпушчаны Fujitsu, Японія, меў цыкл інструкцый 120 нс і падвойныя ўнутраныя шыны, што зрабіла вялікі скачок у прапускной здольнасці апрацоўкі. Першым высокапрадукцыйным чыпам DSP з плаваючай кропкай павінен стаць DSP32, выпушчаны AT&T у 1984 годзе.
У параўнанні з іншымі кампаніямі Motorola адносна позна выпускае чыпы DSP. У 1986 годзе кампанія прадставіла працэсар MC56001 з фіксаванай кропкай. У 1990 годзе ён прадставіў чып DSP з плаваючай кропкай MC96002, сумяшчальны з фарматам IEEE з плаваючай кропкай.
Кампанія American Analog Devices (скарочана Analog Devices, AD) таксама займае пэўную долю на рынку чыпаў DSP і паслядоўна прадставіла серыю чыпаў DSP са сваімі характарыстыкамі. Яе мікрасхемы DSP з фіксаванай кропкай ўключаюць ADSP2101/2103/2105, ASDP2111/2115, ADSP2161/2162/2164 і ADSP2171/2181, мікрасхемы DSP з плаваючай кропкай ўключаюць ADSP21000/21020, ADSP21060/21062 і г.д. З 1980 г. DSP мікрасхемы развіваліся не па днях, а па гадзінах, і мікрасхемы DSP сталі выкарыстоўвацца ўсё больш шырока. З пункту гледжання хуткасці вылічэнняў, час MAC (адно множанне і адно складанне) быў скарочаны з 400 нс (напрыклад, TMS32010) у пачатку 1980-х гадоў да менш чым 10 нс (напрыклад, TMS320C54X, TMS320C62X/67X і г.д.), а магутнасць апрацоўкі была павялічана ў некалькі разоў. Ключавыя кампаненты памнажальніка ўнутры чыпа DSP знізіліся з прыкладна 40% плошчы ў 1980 годзе да менш чым 5%, а аб'ём аператыўнай памяці на чыпе павялічыўся больш чым на парадак. З пункту гледжання вытворчага працэсу, 4 мкм быў прыняты ў 1980 годзе
Працэс N-канальны MOS (NMOS) звычайна прыняты, але цяпер звычайна выкарыстоўваецца працэс субмікроннай (Micron) CMOS. Колькасць кантактаў мікрасхемы DSP павялічылася з максімум 64 у 1980 годзе да больш чым 200 цяпер. Павелічэнне колькасці кантактаў азначае павелічэнне структурнай гнуткасці, напрыклад, пашырэнне знешняй памяці і сувязі паміж працэсарамі. Акрамя таго, распрацоўка чыпаў DSP значна знізіла кошт, аб'ём, вагу і энергаспажыванне сістэм DSP. Табліца 1.1 з'яўляецца параўнальнай табліцай чыпаў TI DSP у 1982, 1992 і 1999 гадах. Табліца 1.2 змяшчае некаторыя даныя рэпрэзентатыўных чыпаў ад асноўных пастаўшчыкоў чыпаў DSP у свеце.
Мікрасхемы DSP можна класіфікаваць наступнымі трыма спосабамі.
1. Паводле асноўных прыкмет
Гэта класіфікуецца ў залежнасці ад працоўнага гадзінніка і тыпу інструкцый чыпа DSP. Калі пры любой тактавай частаце ў пэўным дыяпазоне тактавай частоты чып DSP можа працаваць нармальна, за выключэннем змены хуткасці вылічэнняў, пагаршэння прадукцыйнасці не адбываецца. Гэты тып чыпа DSP звычайна называюць статычным чыпам DSP. Напрыклад, чып DSP японскай OKI Electric Company, чып серыі TMS320C2XX кампаніі TI належаць да гэтай катэгорыі.
Калі ёсць дзве ці больш мікрасхемы DSP, іх наборы інструкцый і адпаведныя машынныя кантактныя структуры машыннага кода сумяшчальныя адна з адной, то гэты тып мікрасхемы DSP называецца паслядоўнай мікрасхемай DSP. Напрыклад, TMS320C54X ад TI Злучаных Штатаў трапляе ў гэтую катэгорыю.
2. Паводле фармату даных
Гэта класіфікуецца ў адпаведнасці з працоўным фарматам дадзеных мікрасхемы DSP. Мікрасхемы DSP, дадзеныя якіх працуюць у фармаце з фіксаванай кропкай, называюцца чыпамі DSP з фіксаванай кропкай, напрыклад, серыі TMS320C1X/C2X, TMS320C2XX/C5X, TMS320C54X/C62XX, серыі ADSP21XX ад AD, DSP16/16A ад AT&T і MC56000 ад Motolora. Мікрасхемы DSP з плаваючай кропкай, якія працуюць у фармаце з плаваючай кропкай, называюцца чыпамі DSP з плаваючай кропкай, такія як TMS320C3X/C4X/C8X ад TI, серыя ADSP21XXX ад AD, DSP32/32C ад AT&T, MC96002 ад Motolora і г.д.
Фарматы з плаваючай кропкай, якія выкарыстоўваюцца рознымі чыпамі DSP з плаваючай кропкай, не зусім аднолькавыя. Некаторыя мікрасхемы DSP выкарыстоўваюць карыстальніцкія фарматы з плаваючай кропкай, такія як TMS320C3X, у той час як некаторыя мікрасхемы DSP выкарыстоўваюць стандартныя фарматы з плаваючай кропкай IEEE, такія як MC96002 Motorola, MB86232 FUJITSU і ZR35325 ZORAN і г.д.
3. Паводле прызначэння
У адпаведнасці з прызначэннем DSP яго можна падзяліць на чып DSP агульнага прызначэння і чып DSP спецыяльнага прызначэння. Мікрасхемы DSP агульнага прызначэння падыходзяць для звычайных прыкладанняў DSP. Напрыклад, серыя чыпаў DSP кампаніі TI - гэта чыпы DSP агульнага прызначэння. Спецыяльны чып DSP прызначаны для пэўных аперацый DSP і больш падыходзіць для спецыяльных аперацый, такіх як лічбавая фільтрацыя, згортка і БПФ. Напрыклад, DSP56200 ад Motorola, ZR34881 ад Zoran, IMSA100 ад Inmos і г.д. адносяцца да спецыяльных чыпаў DSP.
У гэтай кнізе ў асноўным разглядаюцца мікрасхемы DSP агульнага прызначэння.
Выбар дызайну чыпа DSP Прыкладная сістэма DSP, выбар чыпа DSP з'яўляецца вельмі важным звяном. Толькі пасля выбару мікрасхемы DSP можна далей распрацоўваць перыферыйныя схемы і іншыя схемы сістэмы. Увогуле, выбар чыпа DSP павінен вызначацца ў адпаведнасці з рэальнымі патрэбамі прыкладной сістэмы. Розныя прыкладныя сістэмы DSP маюць розныя выбары мікрасхем DSP з-за розных выпадкаў і мэтаў прымянення. Наогул кажучы, пры выбары мікрасхемы DSP варта ўлічваць наступныя фактары.
1. Хуткасць працы мікрасхемы DSP.
Хуткасць працы з'яўляецца адным з найважнейшых паказчыкаў прадукцыйнасці чыпаў DSP, а таксама з'яўляецца важным фактарам, які неабходна ўлічваць пры выбары чыпаў DSP. Хуткасць вылічэнняў чыпаў DSP можна вымераць наступнымі паказчыкамі прадукцыйнасці:
(1) Цыкл інструкцыі: час, неабходны для выканання інструкцыі, звычайна ў нс (нанасекундах). Напрыклад, цыкл інструкцый TMS320LC549-80 пры асноўнай частаце 80 МГц складае 12.5 нс;
(2) Час MAC: час аднаго множання плюс адно складанне. Большасць чыпаў DSP могуць выконваць аперацыі множання і складання за адзін цыкл інструкцый. Напрыклад, час MAC TMS320LC549-80 складае 12.5 нс;
(3) Час выканання БПФ: час, неабходны для выканання праграмы БПФ з N-кропкай. Паколькі аперацыі, якія ўдзельнічаюць у аперацыі БПФ, вельмі рэпрэзентатыўныя ў лічбавай апрацоўцы сігналаў, час працы БПФ часта выкарыстоўваецца ў якасці індыкатара для вымярэння вылічальнай магутнасці мікрасхемы DSP;
(4) MIPS: гэта значыць мільёны інструкцый выконваюцца ў секунду. Напрыклад, магутнасць апрацоўкі TMS320LC549-80 складае 80 MIPS, гэта значыць 80 мільёнаў каманд можа быць выканана ў секунду;
(5) MOPS: Гэта значыць, мільёны аперацый выконваюцца ў секунду. Напрыклад, вылічальная магутнасць TMS320C40 складае 275 MOPS;
(6) MFLOPS: гэта значыць мільёны аперацый з плаваючай коскай выконваюцца ў секунду. Напрыклад, магутнасць апрацоўкі TMS320C31 пры асноўнай частаце 40 МГц складае 40 MFLOPS;
(7) BOPS: Гэта значыць, адзін мільярд аперацый выконваецца ў секунду. Напрыклад, магутнасць апрацоўкі TMS320C80 складае 2 BOPS.
2. Кошт чыпаў DSP.
Кошт чыпа DSP таксама з'яўляецца важным фактарам, які трэба ўлічваць пры выбары чыпа DSP. Пры выкарыстанні дарагога чыпа DSP нават пры высокай прадукцыйнасці дыяпазон яго прымянення, асабліва для грамадзянскай прадукцыі, будзе дакладна абмежаваны. Такім чынам, у адпаведнасці з рэальным прымяненнем сістэмы неабходна вызначыць даступны чып DSP. Вядома, з-за хуткага развіцця чыпаў DSP цана на чыпы DSP мае тэндэнцыю да адносна хуткага падзення. Таму на стадыі распрацоўкі абраны крыху больш дарагі чып DSP. Калі сістэма была распрацавана, яе цана магла знізіцца ўдвая ці больш.
3. Апаратныя рэсурсы мікрасхемы DSP.
Апаратныя рэсурсы, якія прадастаўляюцца рознымі чыпамі DSP, адрозніваюцца, напрыклад, аб'ём аператыўнай і ROM-памяці на чыпе, знешняе пашырэнне праграм і прасторы даных, інтэрфейс шыны, інтэрфейс уводу/вываду і г. д. Нават калі гэта тая ж серыя чыпаў DSP (напрыклад, серыя TMS320C54X ад TI), розныя чыпы DSP гэтай серыі маюць розныя ўнутраныя апаратныя рэсурсы і могуць адаптавацца да розных патрэб.
4. Арыфметычная дакладнасць мікрасхемы DSP.
Даўжыня слова агульных мікрасхем DSP з фіксаванай кропкай складае 16 біт, такіх як серыя TMS320. Але некаторыя кампаніі маюць 24-бітныя мікрасхемы з фіксаванай кропкай, напрыклад, MC56001 Motorola. Даўжыня слова мікрасхемы з плаваючай кропкай звычайна складае 32 біта, а акумулятара - 40 бітаў.
5. Сродкі распрацоўкі мікрасхем DSP.
У працэсе распрацоўкі сістэмы DSP інструменты распрацоўкі незаменныя. Без падтрымкі сродкаў распрацоўкі практычна немагчыма распрацаваць складаную сістэму DSP. Пры наяўнасці падтрымкі магутных інструментаў распрацоўкі, такіх як падтрымка мовы C, час распрацоўкі будзе значна скарочаны. Такім чынам, пры выбары чыпа DSP неабходна звярнуць увагу на падтрымку сродкаў яго распрацоўкі, уключаючы сродкі распрацоўкі праграмнага і апаратнага забеспячэння.
6. Энергаспажыванне мікрасхемы DSP.
У некаторых праграмах DSP энергаспажыванне таксама з'яўляецца праблемай, якая патрабуе асаблівай увагі. Напрыклад, да партатыўных прылад DSP, партатыўных прылад і прылад DSP для палявых прымянення прад'яўляюцца асаблівыя патрабаванні да энергаспажывання. У цяперашні час шырока выкарыстоўваюцца маламагутныя высакахуткасныя чыпы DSP з харчаваннем ад 3.3 В.
7. іншае.
У дадатак да вышэйпералічаных фактараў пры выбары чыпа DSP таксама варта ўлічваць форму ўпакоўкі, стандарты якасці, даступнасць, жыццёвы цыкл і г. д. Некаторыя чыпы DSP могуць мець некалькі формаў упакоўкі, напрыклад DIP, PGA, PLCC і PQFP. Для некаторых сістэм DSP могуць спатрэбіцца стандарты прамысловага або ваеннага ўзроўню. Пры выбары трэба звярнуць увагу на тое, ці ёсць у абранага чыпа аналагічны прадукт прамысловага або ваеннага класа. Калі распрацаваная сістэма DSP з'яўляецца не проста эксперыментальнай сістэмай, але мае патрэбу ў масавай вытворчасці і можа мець жыццёвы цыкл у некалькі гадоў ці нават больш за дзесяць гадоў, тады вам трэба разгледзець пытанне аб пастаўцы абранага чыпа DSP і ці мае ён такі ж ці нават большы жыццёвы цыкл і гэтак далей.
Сярод вышэйзгаданых шматлікіх фактараў, увогуле кажучы, цана мікрасхемы DSP з фіксаванай кропкай таннейшая, энергаспажыванне ніжэйшае, але дакладнасць разліку крыху ніжэйшая. Перавагамі мікрасхем DSP з плаваючай кропкай з'яўляюцца высокая дакладнасць працы і зручнасць праграмавання і адладкі на мове Сі, але яны некалькі даражэй і спажываюць больш энергіі. Напрыклад, серыя TMS320C2XX/C54X ад TI - гэта чыпы DSP з фіксаванай кропкай, галоўнымі характарыстыкамі якіх з'яўляюцца нізкае энергаспажыванне і нізкі кошт. TMS320C3X/C4X/C67X - гэта мікрасхема DSP з плаваючай кропкай з высокай арыфметычнай дакладнасцю, зручным праграмаваннем на мове C і кароткім цыклам распрацоўкі, але ў той жа час яе кошт і энергаспажыванне адносна высокія.
Вылічальная нагрузка прыкладной сістэмы DSP з'яўляецца асновай для вызначэння выбару чыпа DSP з вылічальнай магутнасцю. Калі аб'ём вылічэнняў невялікі, вы можаце выбраць чып DSP з меншай вылічальнай магутнасцю, што можа знізіць кошт сістэмы. Наадварот, сістэма DSP з вялікім аб'ёмам вылічэнняў павінна выбраць мікрасхему DSP з высокай здольнасцю да апрацоўкі. Калі магчымасці апрацоўкі чыпа DSP не адпавядаюць сістэмным патрабаванням, ён павінен выкарыстоўваць некалькі чыпаў DSP для паралельнай апрацоўкі. Такім чынам, як вызначыць колькасць разлікаў сістэмы DSP, каб выбраць чып DSP? Давайце разгледзім два выпадкі ніжэй.
1. Апрацоўка ўзору
Так званая апрацоўка кропкі выбаркі заключаецца ў тым, што алгарытм DSP запускае адзін раз для кожнай кропкі выбаркі ўваходу. Гэта ў выпадку з лічбавай фільтрацыяй. У лічбавых фільтрах звычайна неабходна разлічыць адзін раз для кожнай уваходнай кропкі выбаркі. Напрыклад, адаптыўны FIR-фільтр з 256 адводамі з выкарыстаннем алгарытму LMS, пры ўмове, што разлік кожнага адводу патрабуе 3 цыклаў MAC, разлік з 256 адводамі патрабуе 256×3=768 цыклаў MAC. Калі частата дыскрэтызацыі складае 8 кГц, гэта значыць інтэрвал паміж выбаркамі складае 125 мс, а цыкл MAC чыпа DSP складае 200 нс, 768 цыклаў MAC патрабуюць 153.6 мс, што, відавочна, не можа быць апрацавана ў рэжыме рэальнага часу, і трэба выбраць больш хуткасны чып DSP. Табліца 1.3 паказвае патрабаванні да апрацоўкі дзвюх палос сігналу на трох чыпах DSP. Цыклы MAC трох чыпаў DSP складаюць 200 нс, 50 нс і 25 нс адпаведна. З табліцы відаць, што дзве апошнія чыпы DSP могуць быць рэалізаваны ў рэжыме рэальнага часу для прымянення дыялогавага пояса. Для аўдыёпрыкладанняў толькі трэці чып DSP можа апрацоўваць у рэжыме рэальнага часу. Вядома, у гэтым прыкладзе ніякія іншыя разлікі не разглядаюцца.
2. Апрацоўка па кадрах Некаторыя алгарытмы апрацоўкі лічбавага сігналу не выконваюць адзін цыкл для кожнай уваходнай выбаркі, а паўтараюць адзін раз кожны пэўны прамежак часу (звычайна званы кадрам). Напрыклад, алгарытм кадавання маўлення з сярэдняй і нізкай хуткасцю звычайна займае 10 мс або 20 мс у якасці кадра, а алгарытм кадавання маўлення выконвае цыкл кожныя 10 мс або 20 мс. Такім чынам, пры выбары мікрасхемы DSP вы павінны параўнаць магутнасць апрацоўкі мікрасхемы DSP у кадры з разліковай колькасцю алгарытму DSP. Выкажам здагадку, што цыкл інструкцый чыпа DSP роўны p (ns), а час аднаго кадра роўны Dt
(Ns), то максімальная колькасць вылічэнняў, якую мікрасхема DSP можа забяспечыць у адным кадры, - гэта інструкцыі Dt/p. Напрыклад, цыкл інструкцый TMS320LC549-80 складае 12.5 нс, і калі даўжыня кадра роўная 20 мс, максімальная колькасць аперацый, якую TMS320LC549-80 можа забяспечыць у адным кадры, складае 1.6 мільёна інструкцый. Такім чынам, пакуль колькасць вылічэнняў алгарытму кадавання маўлення не перавышае 1.6 мільёна інструкцый, яго можна запускаць у рэжыме рэальнага часу на TMS320LC549-80.
Прымяненне чыпа DSP
З моманту нараджэння чыпаў DSP у канцы 1970-х - пачатку 1980-х чыпы DSP хутка развіваліся. Хуткае развіццё чыпаў DSP выйграла ад развіцця тэхналогіі інтэгральных схем, з аднаго боку, і вялізнага рынку, з другога. За апошнія 20 гадоў мікрасхемы DSP шырока выкарыстоўваліся ў многіх галінах, такіх як апрацоўка сігналаў, сувязь і радар. У цяперашні час цана на чыпы DSP становіцца ўсё ніжэй і ніжэй, а суадносіны прадукцыйнасці і кошту павялічваюцца з кожным днём, што мае велізарны патэнцыял прымянення. Асноўныя вобласці прымянення мікрасхем DSP:
(1) Апрацоўка сігналу, такая як лічбавая фільтрацыя, адаптыўная фільтрацыя, хуткае пераўтварэнне Фур'е, разлік карэляцыі, спектральны аналіз, згортка, супадзенне з шаблонам, аконнае афармленне, генерацыя сігналу і г.д.;
(2) Сувязь - напрыклад, мадэм, адаптыўнае выраўноўванне, шыфраванне даных, сціск даных, падаўленне рэха, мультыплексаванне, факс, сувязь з пашыраным спектрам, кадаванне з карэкцыяй памылак, відэатэлефон і г.д.;
(3) Голас, напрыклад, кадаванне голасу, сінтэз голасу, распазнаванне голасу, паляпшэнне голасу, ідэнтыфікацыя дынаміка, пацвярджэнне дынаміка, галасавая пошта, захоўванне галасы і г.д.;
(4) Графіка/малюнкі, такія як апрацоўка двухмернай і трохмернай графікі, сцісканне і перадача выявы, паляпшэнне выявы, анімацыя, зрок робата і г.д.;
(5) Ваенныя - такія як канфідэнцыяльная сувязь, апрацоўка радараў, апрацоўка гідралакатара, навігацыя, навядзенне ракет і г.д.;
(6) Прыборы і вымяральнікі, такія як спектральны аналіз, генерацыя функцый, фазавая аўтападстройка, апрацоўка сейсмічных дадзеных і г.д.;
(7) Аўтаматычнае кіраванне, такое як кіраванне рухавіком, галасавое кіраванне, аўтаматычнае кіраванне, кіраванне робатам, кіраванне дыскам і г.д.;
(8) Медыцынскае лячэнне - напрыклад, слыхавыя апараты, ультрагукавое абсталяванне, дыягнастычныя прылады, маніторынг пацыентаў і г.д.;
(9) Бытавая тэхніка - напрыклад, аўдыя высокай дакладнасці, сінтэз музыкі, кантроль тону, цацкі і гульні, лічбавыя тэлефоны/тэлевізары і г.д.
З пастаянным паляпшэннем суадносін прадукцыйнасці і цаны чыпаў DSP можна прадбачыць, што чыпы DSP будуць больш шырока выкарыстоўвацца ў большай колькасці абласцей.
Наш іншы прадукт:
