1. DSP: n kehityshistoria
Informatisoitumisen perusta on digitalisointi. Yksi digitalisoinnin ydinteknologioista on digitaalinen signaalinkäsittely. DSP-laitteiden on suoritettava digitaalisen signaalinkäsittelyn tehtävä suurelta osin. DSP-tekniikasta on tullut huipputeknologia, johon ihmiset kiinnittävät yhä enemmän huomiota ja kehittyvät nopeasti. DSP voi tarkoittaa digitaalista signaaliprosessoria (digitaalinen signaaliprosessori) tai digitaalista signaalinkäsittelyä (digitaalinen signaalinkäsittely). Jälkimmäinen on teoreettinen tekniikka, ja edellinen on muutettava todelliseksi tuotteeksi. Näiden kahden yhdistelmästä tulee keino ratkaista tietty käytännön ongelma ja toteuttaa tietty ohjelma, nimittäin digitaalinen signaalinkäsittelyratkaisu (DSPS). Tämä artikkeli keskittyy DSP-digitaalisen signaaliprosessorin ensimmäiseen tulkintaan. DSP on oma prosessori, joka suorittaa nopean reaaliaikaisen prosessoinnin analogisen signaalin muuntamisen jälkeen digitaaliseksi signaaliksi. Sen prosessointinopeus on 10-50 kertaa nopeampi kuin nopein prosessori. Nykypäivän digitaalisella aikakaudella DSP: stä on tullut peruslaite viestinnän, tietokoneiden ja kulutuselektroniikan aloilla. Teollisuuden sisäpiiriläiset ennustavat, että DSP on tulevaisuudessa nopeimmin kasvava elektroninen tuote integroiduissa piireissä, ja siitä tulee ratkaiseva tekijä elektroniikkatuotteiden päivityksessä.
Ennen DSP: n tuloa digitaalisen signaalinkäsittelyn pystyi suorittamaan vain MPU (mikroprosessori). MPU: n matalampi prosessointinopeus ei kuitenkaan pysty täyttämään nopeiden reaaliaikaisten vaatimuksia. Siksi joku ehdotti 1970-luvulla DSP: n teoria- ja algoritmipohjaa. Ja DSP pysyy vain oppikirjassa, jopa kehitetty DSP-järjestelmä koostuu erillisistä komponenteista, ja sen soveltamisala on rajoitettu sotilas- ja ilmailualalle.
Laajan mittakaavan integroidun piiriteknologian kehittyessä syntyi maailman ensimmäinen DSP-siru vuonna 1982. Tämä DSP-laite on valmistettu mikroniprosessin NMOS-tekniikasta. Vaikka virrankulutus ja koko ovat hieman suurempia, laskentanopeus on kymmeniä kertoja nopeampi kuin MPU, ja sitä käytetään laajalti puhesynteesissä ja koodekissa. DSP-sirujen tulo on iso askel eteenpäin DSP-sovellusjärjestelmille laaja-alaisista järjestelmistä pienoiskoossa. CMOS-tekniikan kehittyessä ja kehittyessä syntyi toisen sukupolven CMOS-tekniikkaan perustuvat DSP-sirut, ja sen tallennuskapasiteetti ja laskennanopeus kaksinkertaistettiin, ja siitä tuli puhekäsittelyn ja kuvalaitteiston käsittelytekniikan perusta. 1980-luvun lopulla kolmannen sukupolven DSP-siru tuli ulos, ja laskennanopeutta parannettiin edelleen, ja sen sovellusalaa laajennettiin asteittain viestinnän ja tietokoneiden aloille.
DSP kehittyi nopeimmin 1990-luvulla, ja neljäs ja viides sukupolvi DSP-laitteita ilmestyi peräkkäin. Nykyinen DSP kuuluu viidenteen sukupolveen tuotteita. Neljänteen sukupolveen verrattuna sillä on korkeampi järjestelmän integraatiotaso, joka integroi DSP-ytimen ja oheislaitteet yhdelle sirulle. Tämä erittäin integroitu DSP-siru ei ainoastaan näytä kykyjään viestinnän ja tietokoneiden alalla, vaan tunkeutuu vähitellen ihmisten päivittäiseen kulutukseen. Näkymät ovat erittäin lupaavat.
2. DSP: n ominaisuudet ja edut
1. Laitteiston ominaisuudet
(1) DSP kuuluu Modified Harvard -arkkitehtuuriin, eli sillä on kaksi sisäistä väylää: tietoväylä ja ohjelmaväylä. Ohjelma ja datan tallennustila on erotettu toisistaan, kullakin on itsenäinen osoiteväylä ja tietoväylä, ja haku ja lukeminen voidaan suorittaa samanaikaisesti. Tällä hetkellä se on saavuttanut 9 miljardia liukulaskutoimitusta sekunnissa (9000MFLOPS).
(2) Käytä virtaviivaisia toimintoja. Kunkin käskyn suorittaminen on jaettu useaan vaiheeseen, kuten käskyjen nouto, dekoodaus, nouto ja suoritus, jotka vastaavasti suorittavat useat sirun toiminnalliset yksiköt. Se vastaa useiden käskyjen rinnakkaista suorittamista, mikä parantaa huomattavasti laskennanopeutta.
(3) Riippumaton laitteistokerroin. Kertolaskuohjeet suoritetaan yhdessä jaksossa, mikä optimoi suuren määrän toistuvia kertoja algoritmeissa, kuten konvoluutio, digitaalinen suodatus, FFT, korrelaatio ja matriisitoiminnot.
(4) Pyöreä osoite (pyöreä osoite), bittikäänteinen (bittikäänteinen) ja muut erityisohjeet parantavat suuresti osoitteen-, lajittelu- ja laskentanopeutta toiminnoissa, kuten FFT ja konvoluutio. 1024 pisteen FFT-aika on jo alle 1μs.
(5) Riippumaton DMA-väylä ja ohjain. On olemassa yksi tai useampia itsenäisten DMA-väylien ryhmiä, jotka toimivat rinnakkain suorittimen ohjelman ja tietoväylän kanssa. DMA-nopeus on saavuttanut yli 800 Mt / s vaikuttamatta suorittimen työhön.
(6) Monen prosessorin käyttöliittymä. Useille prosessoreille on kätevää työskennellä rinnakkain tai sarjassa käsittelynopeuden lisäämiseksi.
(7) JTAG (Joint Test Action Group) -testiliitäntä (IEEE 1149 -standardirajapinta). Se on kätevä DSP: n online-simulointiin ja virheenkorjaukseen multi-DSP -olosuhteissa.
2. Ohjelmiston ominaisuudet
(1) Välitön osoittaminen: Operandi on välitön arvo, joka saadaan suoraan käskystä. Esimerkki: MOV A, @ 0x16; lähetä vakio 0x16 rekisteriin A.
(2) Suora osoite: Esimerkiksi TI: n TMS320-sarjan siru jakaa datamuistin 512 sivulle, joista jokaisessa on 128 sanaa. Määritä tietosivun osoitin DP (Data Pointer), käytä 9-bittistä osoittamaan tietosivulle ja lisää sivulle 7-bittinen offsetosoite muodostaaksesi 16-bittisen dataosoitteen. Tämä auttaa nopeuttamaan osoitenopeutta.
(3) Epäsuora osoite: ① 8 apurekisteriä, yksi apurekisterin osoitin nimeää apurekisterin aritmeettisen yksikön 16-bittiselle allekirjoittamattomalle numerotoiminnalle, määrittää uuden osoitteen ja lataa yhden apurekistereistä. ② Kahdeksan apurekisterin sisältö on melko joustavaa, ja ne voidaan ladata, lisätä tai vähentää välittömistä tiedoista; ne voidaan ladata datamuistista; niitä voidaan käyttää myös joihinkin indeksoituihin osoitteisiin. ③Käänteisen asennon takia voidaan toteuttaa bittikäänteinen osoite.
(4) Ainutlaatuinen kertolaskuohje: Esimerkki: MAC X0, Y0, AX: (R0) +, X0 Y: (R4) + N4, YO Tämä komento käskee DSP56300: Kerro numerot rekistereissä X0 ja Y0 ja lisää tulos Acc A, lataa rekisterin R0 osoittama muistiosoitteen arvo rekisteriin X0, lataa rekisterin R4 osoittama Y-muistiosoitteen arvo rekisteriin Y0 ja lisää 1 R0: n arvoon ja lisää rekisterin arvo N4 - R4.
Digitaaliseen signaalinkäsittelyyn perustuvan DSP-järjestelmän edut verrattuna perinteiseen analogiseen signaalinkäsittelyjärjestelmään:
(1) Käyttöliittymä on yksinkertainen ja kätevä. Digitaalisen signaalin yksinkertaisista sähköisistä ominaisuuksista johtuen se on helppo toteuttaa laitteistoliittymässä, kun erilaiset DSP-järjestelmät on kytketty toisiinsa. Tietovirran käyttöliittymässä jokaisen järjestelmän on noudatettava vain tiettyä vakioprotokollaa.
(2) Tarkka ja hyvä vakaus. Digitaaliseen signaalinkäsittelyyn vaikuttaa vain kaksoisvirhe ja rajoitettu sanan pituus, eikä prosessointiprosessi aiheuta muita ääniä, joten sillä on korkeampi signaali-kohinasuhde. Lisäksi komponenttiparametrien suorituskyky vaikuttaa suuresti analogisen järjestelmän suorituskykyyn, kun taas digitaalinen järjestelmä on periaatteessa muuttumaton, joten digitaalinen järjestelmä on helpompaa testaamiseen, virheenkorjaukseen ja massatuotantoon.
(3) Kätevä ohjelmointi ja monimutkaisten algoritmien helppo toteutus. DSP-järjestelmässä DSP-siru tarjoaa nopean tietojenkäsittelyalustan, ja järjestelmän toiminnot riippuvat ohjelmisto-ohjelmoinnista. Kun se yhdistetään nykyaikaiseen signaalinkäsittelyteoriaan ja laskennalliseen matematiikkaan, se voi toteuttaa monimutkaisia digitaalisia signaalinkäsittelytoimintoja.
(4) Kätevä integrointi. Nykyaikaiset DSP-sirut integroivat DSP-ytimen ja sen oheispiirit yhteen siruun. Tämä rakenne helpottaa kannettavien ja erittäin integroitujen digitaalisten tuotteiden suunnittelua.
Lisäksi nykyaikaiset DSP-sirut, jotka ovat ohjelmoitavia erittäin suuria integroituja piirejä (VLSI), toteuttavat digitaalisia signaalinkäsittelytoimintoja ladattavien ohjelmistojen ja laiteohjelmistojen avulla. Tavallisten mikroprosessorien laskenta- ja ohjaustoimintojen lisäksi DSP-sirut ovat myös tehneet suuria parannuksia prosessorirakenteessa, käskyjärjestelmässä ja käskyjen virtaussuunnittelussa suurta tiedonsiirtonopeutta ja reaaliaikaista digitaalista signaalinkäsittelyä varten intensiivisillä numeerisilla laskelmilla.
3. DSP: n kohtaamat ongelmat ja haasteet
Kypsyvällä DSP: llä on vielä monia parannettavia alueita, mutta sillä on myös monia haasteita.
(1) Kuinka järjestää tietovirta järkevästi siten, että se voidaan suorittaa sujuvasti ilman ristiriitoja DSP: n suoritusyksiköiden välillä, on edelleen tärkeä ongelma, jota DSP-kehittäjät kohtaavat. Suunnittelun monimutkaisuuden takia, kun algoritmia kartoitetaan DSP-spesifiseen kohdelaitteistoon, korkean tason ohjelmointikieliä ei voida vielä käyttää, on käytettävä kokoonpanokieliä ja erittäin selkeä käsitys laitteen rinnakkaisesta suoritusmekanismista . Ja tämä kokoonpanokielelle rajoitettu ohjelmointisuunnittelu on pullonkaula ohjelmistokehityksen tehokkuuden parantamiseksi.
(2) Rinnakkaisrakenteissa on edelleen ongelmia. Suuremman läpäisykyvyn saavuttamiseksi on tarpeen käsitellä enemmän databittejä tietyssä aikayksikössä. VLIW-tekniikka edustaa komentotason rinnakkaisuutta. Superskalaarirakenne ja superputkirakenne yrittävät myös saada enemmän ohjeita yhdellä käskyjaksolla. Tietotason rinnakkaisuutta edustavat laajemmat datasanat, vektorisointi ja tietovirran rakenteet. Koska datasanan leveys on suurempi, kukin käskyjaksokäsky voi käsitellä enemmän dataa, mikä lisää jokaisessa kellojaksossa käsiteltävien databittien määrää. Tehtävä- tai tapahtumatason rinnakkaisuus heijastuu moniajo-, monisäikeinen- ja moniprosessorimalleissa. Näiden rakenteiden odotetaan lisäävän tietojenkäsittelyn läpimenoa, mutta lisääntyneen datan ja käskyjen leveyden ja siitä johtuvan tietojenkäsittelyn läpäisyn kasvun on maksettava tietty hinta. Kun koodin tiheys ja datan leveys vastaavat sovellusta, ne voivat auttaa, mutta kun datasanan leveys ei ole sama kuin prosessori, ne voivat sen sijaan aiheuttaa paljon ongelmia.
(3) Suuri määrä käytettävissä olevia sirun välimuistit ovat yhä tärkeämpiä järjestelmän kokonaistehon kannalta, koska tavalliset muistiväylät ja liitännät eivät enää voi tukea järjestelmän kunkin MAC: n gigatavun tiedonsiirtonopeutta. Suuresta ongelmasta on tulossa myös se, voiko muu järjestelmä olla yhteensopiva nopeiden prosessorien kanssa. Kaksois-MAC-prosessori, jossa on 2 ALU-yksikköä, voi vaatia 4 datasanaa kellosykliä kohti tai yli 4 gigatavua tietoa sekunnissa. sana.
(4) DSP: n kehityksen kohtaamat haasteet heijastuvat myös suorittimen nopeuden nopeaan kasvuun ja hintojen jatkuvaan laskuun. DSP-valmistajilla on kaksi vaihtoehtoa, joista toinen on nopeuttaa DSP: n kehitystä ja toinen on vetäytyä kilpailusta. Jokaisen valmistajan on siirryttävä hajautetusta investoinnista yksikkösijoitukseen ja perustettava tuotteet, joiden pääkehitys on DSPS, eli integroitava kaikki tekniikat ja kaikki tuotteet DSP: hen.
4. DSP: n kehityssuunta ja näkymät
DSP täyttää jatkuvasti ihmisten jatkuvasti kasvavat vaatimukset kehitystielellään ja kehittyy vähitellen personoinnin ja alhaisen virrankulutuksen suuntaan. DSP: n kehitysnäkymät ovat erittäin vaikuttavat.
(1) DSP: n järjestelmätason integrointi on trendi
DSP-sirujen koon pienentäminen on aina DSP-tekniikan kehityksen suunta. Suurin osa nykyisistä DSP: istä perustuu RISC-rakenteeseen (supistettu käskyjoukon laskenta). Tämän rakenteen etuja ovat pieni koko, pieni virrankulutus ja korkea suorituskyky. Useat DSP-valmistajat ovat ottaneet käyttöön uusia prosesseja DSP-ytimien parantamiseksi ja integroimalla useita DSP-ytimiä, MPU-ytimiä, erityisiä prosessointiyksiköitä, oheispiirien piirilevyjä ja tallennusyksiköitä yhdelle sirulle DSP-järjestelmätason integroituiksi piireiksi.
(2) Ohjelmoitava DSP on johtava tuote
Ohjelmoitava DSP tarjoaa valmistajille suuren joustavuuden. Valmistajat voivat kehittää erilaisia tuotesarjoja eri malleilla samalla DSP-alustalla vastaamaan eri käyttäjien tarpeita. Samanaikaisesti ohjelmoitava DSP tarjoaa myös hyvän tavan käyttäjille päivittää helposti.
(3) Kiinteän pisteen DSP on valtavirta
Teoriassa, vaikka liukulukuisella DSP: llä on suurempi dynaaminen alue kuin kiinteän pisteen DSP: llä ja se soveltuu paremmin DSP-sovelluksiin, kiinteän pisteen aritmeettisilla DSP-laitteilla on halvemmat kustannukset, pienemmät muistivaatimukset ja pienempi virrankulutus. . Siksi kiinteän pisteen aritmeettiset ohjelmoitavat DSP-laitteet ovat edelleen markkinoilla vallitsevia tuotteita. Tilastojen mukaan suurin osa tällä hetkellä myydyistä DSP-laitteista on 16-bittisiä kiinteän pisteen ohjelmoitavia DSP-laitteita, ja osuuden odotetaan kasvavan asteittain tulevaisuudessa.
(4) Tavoitteena on suurempi laskennanopeus
Tällä hetkellä yleinen DSP-toimintanopeus on 100MIPS, eli se voi käyttää 100 miljoonaa käskyä sekunnissa. Elektroniikkalaitteiden räätälöinnin ja räätälöinnin vuoksi DSP: n on pyrittävä suurempiin ja nopeampiin laskennanopeuksiin pysyäkseen elektronisten laitteiden päivitysvauhdissa. DSP-toimintanopeuden kasvu riippuu lähinnä uudesta tekniikasta sirurakenteen parantamiseksi. Tällä hetkellä DSP-laitteet käyttävät enimmäkseen 0.5 μm ～ 0.35 μm CMOS-tekniikkaa. CMOS: n kehityssuunnan mukaan on täysin mahdollista, että DSP: n toimintanopeutta voidaan nostaa 100 kertaa (1600GIPS: iin).
5. loppuhuomautukset
DSP: n lisääntyvä soveltaminen eri aloilla on ajanut itse DSP: n kehitystä. Sen käyttö 3C-aloilla (tietoliikenne, tietokoneet, kuluttajat) on ollut 90% nykyisistä DSP-markkinaosuuksista, mikä osoittaa, että DSP: llä on valtava potentiaali muilla aloilla. . Tulevaisuuden kehityksessä se ilmestyy useilla aloilla suorituskyvyn parantamiseksi.
