מעבדי אותות דיגיטליים (DSPs) הם מיקרומעבדים מיוחדים המונדסים עבור חישובים נומרניים במהירות גבוהה - עמוד השדרה של עיבוד אודיו מודרני, תקשורת, בקרה תעשייתית וניתוח תמונה. בלב בחירת DSP הוא החלטה ארכיטקטונית בסיסית: נקודת קבע מול נקודת מפנה צף נקודה.זה טופסי בחירה, צריכת חשמל, פיתוח, ובסופו של דבר את יכולת המעבד עבור יישום ספציפי של משימות עיבוד דיגיטליות.

סקירה של נקודות קבועות ו- Floating-point Representations

הן נקודות קבועות והן נקודות צף DSPs נועדו לבצע פעולות אופטימיזציה על מספרים אמיתיים, אבל הם מקודמים את המספרים האלה באופן שונה.הקורס משפיע ישירות על מהירות חישובית, יעילות אנרגיה, טווח דינמי ודיוק.

נקודת פתיחה אריתמטית

DSPs קבוע מייצג מספרים באמצעות מספר מוגדר מראש של ביטים עבור החלקים integer ושברירי.לדוגמה, פורמט Q15 משתמש 1 bit ו 15 סיביות חלקיים, המספק טווח של בערך 1 עד 0.9999 עם החלטה של 1/32768. כי הנקודה דה-cimal הוא קבוע, פעולות כמו תוספת וכפל יכול להתבצע עם מינימום של מעבדים קבועים לעתים קרובות:

  • (ב) [15] אין צורך בחומרה של היערכות, צמצום ספירת השער וכוח.
  • (ב) תזמון ארוך-הטווח:0) תזמון תזמון של 1FLT (ה) הוראות מבצעות מחזורי שעונים צפויים, קריטי ללולאות בקרה בזמן אמת.
  • (FLT:0) לזיכרון זיכרון של זיכרון זיכרון זיכרון של זיכרון (FLT:1) - רוחב מילה קטנה יותר (לעתים קרובות 16 סיביות או 24bit) בהשוואה לפורמטים של 32 סיביות או 64 סיביות.

עם זאת, נקודות קבועות מטילות מגבלות.מתכנתים חייבים לקבוע במדויק ערכים כדי להימנע מזרימה או מתחת לזרימה, תהליך המכונה FLT:0Q-format ManagementFLT:1 זה מוסיף מאמץ פיתוח ויכול להציג שגיאות קוונטיות אם הסקאלה אינה מטופלת בדיוק.

נקודת מפנה אריתמטימט

DSPs נקודת המוצא להשתמש בייצוג אנלוגי לרישום מדעי: סימן, מטריסה (או סימן), ומקדם. תקן IEEE 754 מגדיר פורמטים משותפים כמו חד-חשיבות יחיד (bit) וכפל-precision (64-bit) לשעבר מאפשר נקודת המחוד החנית ל"float", מתן מגוון דינמי עצום.

  • (FLT:0)Wide דינמי טווחFLT:1 - חד-חשיבות יכול לייצג מספרים מ -1.2×10-38 ל- 3.4×1038, תוך מחיקת חששות מעליות/ברמות באלגוריתמים רבים.
  • (בתרגום חופשי:0) בנורמליזציה של ה- 1 (FLT:0) – חומרה מטפלת באופן אוטומטי בסקאלה, צמצום מורכבות התכנות.
  • (FLT:0) דיוקמירפלימ"ל:1 - 24bit Mantissa בתשואות חד-חשיבות של 7.2 ספרות דינאמית של דיוק, מספיק עבור רוב משימות עיבוד אותות.

מעבדי נקודת המוצא הם בדרך כלל יקרים יותר, צורכים יותר כוח, ויש להם טביעת רגל סיליקון גדולה יותר מאשר עמיתיהם הקבועים.הם גם נוטים להיות מעט איטי יותר מהירויות שעון עבור תהליך נתון עקב המורכבות של יחידת ההיגיון האנתרופולוגית (ALU).

ביצועים והשוואה יעילה

ביצועים ב-DSPs נמדדים לא רק על ידי מהירות שעון גולמי, אלא על ידי FLT:0 בזמן אמת באמצעותputFLT:1 של פעולות סיבולת, צריכת חשמל לפעולה, ועלות ברמת המערכת.

מהירות וכוח

באופן מסורתי DSPs לבצע פעולות מרובות-קומדיות (MAC) - הליבה של אלגוריתמים DSP רבים - במחזור אחד עם דוכנים צינורות מינימליים Hz. כי חומרה חד-נקודות קבוע היא פשוטה יותר, אותה תהליך הטכנולוגיה יכול להשיג תדרי שעון גבוהים יותר וניתוק כוח נמוך יותר.לדוגמה, משפחת TMS320C55x של טקסס פועלת בתדרים של עד 400 M בעוד שפחות 0.1W5 ניגודיות, כמו ALS267 כוח גדול יותר, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, משפחת TMS320x של חברת DS320x של טקסס מכשירים שפועלת יותר מאשר M2, פועלת באופן משמעותי יותר מאשר M2C55x של מערכת ההפעלה באופן משמעותי יותר מאשר M2, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, יותר מאשר M2R.

כאשר השוואת ביצועים על בסיס משימה-ל-משימה, נקודת הצף דורשת לעתים קרובות פחות פעולות כי זה מבטל את הסקאלה ולהפחית את ספירת הזיהומים עבור אלגוריתמים הרהטיביים.עם זאת, העלות לשיתוף פעולה גבוהה יותר. עבור יישומים עם טווח דינמי מתון ונתונים ממונעים היטב (למשל, אודיו, זיהוי, בקרה מוטורית), גישה קבועה יכולה לצאת החוצה מזווית צף במהירות ויעילות (Fexating) לעומת "Fextexerx" (pexing 1)," (pexerx) לעומת "Fexating" (pexerx) לעומת "Fextextextexating" (pexating" (pexerx) לעומת "Fexing), "Fexerects) לעומת DAx" (pextextextextexating" (Fexerected) לעומת DAx" (pexating) לעומת DAx) לעומת DAx) לעומת DAx" (Dupx) לעומת DAx, זיהוי, זיהוי, זיהוי, זיהוי, זיהוי, זיהוי, זיהוי, זיהוי, זיהוי, זיהוי, בקרה מוטורי, זיהוי, בקרה מוטורי, בקרה מוטורי, בקרה מנוע), בקרת מנוע), בקרת מנוע

עלויות ומורכבות

נדל"ן הסיליקון מתורגמת ישירות לייצור עלויות. יחידה MAC קבועה תופסת בערך שליש עד מחצית מהשטח של יחידה MAC בעלת ערך צף באותו תהליך.עבור אלקטרוניקה צרכנית בנפח גבוה, ההבדל יכול למזער את האיזון לכיוון קבוע נקודה.בנוסף, שימוש בפס רוחב פס חיצוני נמוך עם 16 סיביות קבוע נתונים, עוד צמצום עלויות מערכת LTF:0(Alog, 101Dpoint) לעומת 10Dpoint קבוע, לעומת 10:1-Fpoint, 10.

עם זאת, עלות הפיתוח יש לשקול גם.תכנות נקודתיות להפחית את הזמן שהוצא על ניתוח מדרגים ומספריים, פוטנציאל להפחית את עלויות הנדסת תוכנה ואת זמן לשוק. עבור רמות נמוכות, מערכות בעלות ערך גבוה (דמיית רפואית, הגנה רפואית, כלי מדעי), את פרמיה החומרה של נקודת צף עשוי להיות מוצדק על ידי מחזורי פיתוח מהירים יותר.

המונחים: Dynamic Range

עדיפות מתייחסת לגרנות שבה ניתן לייצג מספר, בעוד טווח דינמי מתאר את ההיקף בין המספרים החיוביים הקטנים והגדולים ביותר.מעבדים של נקודות קבועות יש טווח דינמי קבוע שנקבע על ידי רוחב המילה: מספר קבוע של 16 סיביות יש טווח דינמי של כ-96 dB (20B26).

בפועל, יישומים רבים DSP אינם דורשים טווח דינמי קיצוני.לדוגמה, אודיו 16 סיביות (96 dB) מספיק עבור רוב מערכות אודיו הצרכנים.verse, מערכת מכ"ם כי חייב לעבד אותות מקוד חזק לצד חזרה קלה עשוי צריך את טווח 1,523 dB של חד-משמעית חד-משמעית כדי למנוע אלגוריתם של קידוד או אלגוריתמים עם השפעה. כאשר כרוכים תוספת מוצלחת, כגון FIR שגיאות פילטרים באופן אוטומטי.

ראוי לציין כי (FLT:0)הקדמה אינה שווה דיוקFelo1 (מערכת קבועה עם דרוג מנוהל בקפידה יכול להשיג דיוק דומה לנקודת צף עבור אלגוריתם נתון, בתנאי שהמידע נשאר בטווח הדינמי הנבחר.

שיקולים

בחירת בין נקודת קבוע ונקודת צף בסופו של דבר תלויה בדרישות התחום הספציפיות.כאן, אנו בודקים כמה אזורי יישום נפוצים.

אודיו ותהליכי קול

אותות אודיו באופן חד-משמעי יש טווח דינמי מוגבל (בדרך כלל 60-100 dB למוסיקה) מערכות אודיו מקצועיות רבות להשתמש מעבדים קבועים 24bit כדי להתאים את יחס האות-ל-לא-מס של ממירים.עבור עיבוד אפקטים, השווה ודחיסה, נקודה קבועה היא עלות-תועלת ויעילות כוח.עם זאת, כאשר אלגוריתמים מורכבים כמו התאמת predistortion דיגיטלית או מודל אקוסטי נחוץ, הם לעתים קרובות לצפות ציוד כדי למנוע גמישות קונסולת.

תקשורת Wireless

מעבדי בסיס ב-Wi-Fi Process Modulations כמו QPSK, QAM, שלDM ו-Productrum. אלגוריתמים אלה פועלים במספרים מורכבים ומעורבים פעולות רבות עם רמות אותות משתנות רמות אותות קבועות של מדד קבוע הוא דומיננטי בבסיסים בנפח גבוה של SoCs בגלל מגבלות עלות וכוח.

בקרה תעשייתית

בקרת מוטורס, מופנים ואלקטרוניקה כוח מסתמכים על לולאות בזמן אמתיות ⁇ -point DSPs כמו TMS320F283F235 הם כלולים בכוננים תעשייתיים כי הם משלבים תגובה מהירה להפריע, דור PWM, ויחידות מינימליות של ttency. 32SP - הנוכחי, מתח, בשפע, הם בשפע היטב, ולא דורשים לטווח דינמי קיצוני, אבל לעתים רחוקות יש צורך ב- pex-Dpoints (Dpoint) עם אופציונלית, אך ורק 16 נקודות בקרה).

צילום ווידאו עיבוד

פיקסלים תמונה מיוצגים בדרך כלל כ- 8- או 10bit integers (קודמת נקודה) עבור פעולות פשוטות כגון סינון, דחיסה, דחיסה, DSPs (או ארכיטקטורות קבועות קבועות) הם יעילים.אבל ניתוח וידאו מתקדם מעורב למידה ממוחשבת-אנליזה כולל למידה ממוחשבת - לדוגמה, גילוי באמצעות רשתות עצביות מתקדמות - דורש לעתים קרובות הכשרה גבוהה יותר במהלך ראייה רבה יותר (NT-upicial) כמו בדיקות חישוביות קבועות, כגון בדיקות הדמיה, כגון בדיקות חישוביות.

ניסיון פיתוח

(תוכנית ו- Toolchain משפיעות על ההחלטה.DSPs קבועות בדרך כלל דורשים מפתחים להשתמש בספריות מיוחדות (למשל, Q-format מתמטיקה, טיפול בסתירה) ולנהל סוגי נתונים באופן ידני. ספקים רבים מספקים תמיכה קבועה ב- C/C++ באמצעות יצירת אלגוריתמים מתקדמים, אך פיזור בעיות על גדות יכול להיות זמן-מקצוץ.

בנוסף, DSPs מודרניים צף כוללים לעתים קרובות היקפי משולבים (USB, Ethernet, LCD בקרים) כי לפשט שילוב מערכת. מעבדים קבועים נוטים להיות יותר מיוחדים, לפעמים דורש מרכיבים חיצוניים לחיבוריות. הערכה מעמיקה של העלות הכוללת של המערכת (Hardware + תוכנה) הוא חיוני.

התפקיד של המעבדים ההיברידיים

באמצעות עיצוב DSP טשטש את הקו בין נקודת קבוע ונקודת צף. כמה מכשירים, כגון אנליג מכשירים Blackfin+ המשפחה, משלב הליבה של נקודת קבוע עם תמיכה חומרה אופציונלית עבור פעולות צף חד-משמעיות צף. אחרים, כמו רבים מעבדי ARM Cortex-M, כוללים יחידה חד-כיבית יחיד צף (F) לצד קבוצה קבועה של אל-נקודת זמן המאפשרת פתרונות אוטומטיים להורדת לחץ גבוה ל-עצמים של מעבדי-לקטים רבים, תוך כדי להציע פתרונות מדויקים ביותר עבור מעבדי-טווח יחיד-טווח יחיד-מחדשניים עבור אלגוריתם יחיד-מחדשניים עבור אלגוריתם ניקוי מאובטחים-לקטמיים-לקטמיים-מחדשניים עבור אלגוריתם יחיד-מחדשניים, כולל יחידה בודד-מחדשניים-מספקים-מספקית-מחדש-מחדשניים-מחדש-מחדש-מחדש-מחדשניים-מחדשניים עבור יחידת כוח-מחדשניים-מספקית-מחדש-מחדש-מחדשניים עבור אלגוריתם יחיד-מחדשניים עבור יחידת כוח-מחדשניים עבור יחידת כוח-מחדשניים עבור אלגוריתם יחיד-מחדשניים-מחדש-מ

איך לעשות את הבחירה

בחירת ארכיטקטורת DSP אופטימלית דורש הערכה שיטתית של מגבלות יישום.עקוב אחר השלבים הבאים:

  1. (FLT:0) מאפיינים של אותות דהרמה 1FLT) - קביעת טווח דינמי ויחס אות-לא-אין הנדרש על ידי הקצה הקדמי האנלוגי והאלגוריתמים.אם הנתונים לעולם לא יעלו על טווח 80-100 dB, נקודת ציון קבועה היא סבירה.
  2. (FLT:0) Characterize פעולות אופטימיזציה של ⁇ FLT:1, לספור את מספר ה- MACs לשנייה (MIPS/MFLOPS), הדיוק הנדרש, ואת ההשפעה של שגיאות קוונטיות.
  3. (FLT:0) תקציבי החשמל של אסאסספסה 1IR) עבור מכשירים מופעלים סוללות, נקודת קבוע מציעה בדרך כלל יתרון של 3-10x באנרגיה עבור Mac. השתמש בגליונות נתונים של ספקים כדי להעריך כוח פעיל.
  4. (FLT:0) משאבי פיתוח יקרי ערך 1 (FLT:1), אם הצוות יש ניסיון עמוק בנקודת זמן קבועה ותקציב חומרה הדוק, ניתן להעדיף את נקודת-הטווח המהיר או אלגוריתמים מורכבים, נקודת צף מפחיתה את הסיכון.
  5. (FLT:0)Consider Future מדרגabilityFLT:1 - תקני אלחוטי, קודים אודיו ואלגוריתמי עיבוד תמונה מתפתחים.מערכות של Floating-point קלות יותר להסתגל לדרישות משתנות ללא עיצוב חומרה.
  6. (FLT:0)Prototype הןFLT:1 - השתמש בלוחות הערכה (למשל, TI Deca Series, Analog מכשירים EZ-KIT Lite) כדי לבדוק ביצועים בזמן אמת וצריכת חשמל עם קוד היישום בפועל שלך.

לבסוף, תוצאות של שאלון של מקורות מכובדים.ה-BDTI DSP Core Benchmarks מספקות מדדים סטנדרטיים המשווים את נקודות הציון הקבועות והביצועים הצפים באדריכלות שונות:0(N) "כיצד לבחור מעבד DSP Using Benchmarks" 2021)FLT:1.

מסקנה

קבוע-point ומעבדי DSP צפים כל נישות נפרדות ב-Escookie עיבוד אותות. ארכיטקטורות קבועות עומס לספק יעילות עלות ללא תחרות, צריכת חשמל נמוכה, ומהירות ⁇ סטית עבור יישומים בשפע, גבוה כרכים כגון בקרה תעשייתית, אודיו צרכני, ו- סמן סלולרי, דרישות חישוביות.