Dijital Signal Processors (DSPs), gerçek zamanlı olarak dünya sinyalleri üzerinde yüksek hızlı matematiksel işlemleri gerçekleştirmek için uzman mikroişmanlardır. Mobil telefonlardan ve işitme yardımlarından radar sistemleri ve endüstriyel motor kontrolleri için, modern DSPs, filtreleme, sıkıştırma, modulation ve analizlerin gerçek zamanlı olarak uygulanması için optimize edilmiştir. Bu makale, bu işlemcilerin iç bileşenlerinin derin bir anlayışlarını ortaya çıkarır ve bu performans ve esneklik elde ettiklerini ortaya koyar.

Modern DSP'lerin Temel Mimarisi

DSP'nin temel mimarisi, dijital sinyal işleme algoritmalarının ihtiyaçları üzerine tasarlanmıştır.Genel amaçlı işlemciler, şube tahminlerini ve spekülatif infazı vurgulayan ve DSP'lerin tekrarlanan matematiksel işlemlerine odaklanması - özellikle de çoğaltılması gereken bazı talimatların (MAC) işlemleri. Çoğu modern DSP'ler, farklı bir program ve veri hafıza otobüslerini ve birden fazla uygulama birimlerini kullanarak çalışır. Ayrıca, birden çok talimat setlerini ve boru hattı tasarımlarını entegre eder.

Arithmetic Logic Unit (ALU)

DSP'de ALU sadece bir CPU'da bulunan basit bir filtreleme değildir; sürekli sinyal işleme için amaçlanmıştır.ALUs handle ek, çıkar ve biraz mantıksal operasyonlarla, DSP ALUs genellikle küçük bir donanıma sahip olmak için özel bir donanım içerir (örneğin sabit nokta sistemlerinden fazla geçiş yapmak için) ve kovalama sistemleri için tasarlanmıştır.

Çok fazla -Accumulate (MAC) Unit

MAC ünitesi, herhangi bir DSP'nin kalbiyle anlaşılabilir bir şekildedir. Tek bir saat döngüsünde bir ek olarak, altta yatan dörtlü transformasyon (DFT) ile sonlu bir dürtü yanıtı (FIR) filtreler ve korelasyon algoritmaları.Modern DSPsler birden fazla MAC ünitesini uygular - 32-bitkili işlem için sabitlenme yeteneği ve analogları kullanarak, her bir şekilde sabitleme işlemi içerir.

Öğretim-Level Paralelliği ve Pipelining

MAC birimleri ve ALU'ları meşgul tutmak için, modern DSP'ler derin öğretim hatları ve paralellik tekniklerine güveniyor. Çoğu uygulama, birçok basamaklı rotaları kullanarak, (VLIW) mimarileri getiriyor ve aynı anda bulunurlar. Ancak, CPU'lar, DSP boru hatlarının aksine, geçici bir süre boyunca doğrulayıcıları kullanarak, çok uzun süreli bir şekilde uygulama için doğru bir şekilde doğrulayıcıya doğrulayıcıları doğrulayarak, çok uzun süreli bir şekilde uygulama gerektirir.

Memory Architecture

Bellek bant genişliği ve geç saat gecikmeleri genellikle sinyal işleme uygulamaları için birincil şişenlerdir. A DSP'nin hafıza alt sistemi bu nedenle yüksek hızda program talimatlarına ve veri akışlarına erişmek için dikkatli bir şekilde tasarlanmıştır. neredeyse tüm modern DSP'ler bir Harvard veya değiştirilmiş Harvard mimarisini ayrı bir program ve veri anılarına sahiptir, aynı anda getir ve hafıza erişimi sağlar.

Kayıt dosyaları Kayıt

Kayıt dosyaları bir DSP'de en hızlı bellektir, genellikle 32-bit sabit nokta MAC ünitesinden oluşan kayıt dosyası, her biri bir cumulator değerini veya bir giriş operası için ayrı kayıt dosyalarına sahiptir. Adres kayıt defteri kaydı - her biri farklı kelime genişliğiyle optimize edilmiştir (AGUs) - bu işlemden paralel olarak, kayıt işlemine paralel olarak 16 veya 32 genel amaçlı kayıt işlemleri takip edebilir.

On-Chip RAM ve Caches

DSP işlemcilerinin tanımlı bir özelliğidir, ses işleme için düşük çözünürlük depolama sağlar ve daha düşük çözünürlükte bir sistem için gerekli olan CPU'lar yerine, birçok DSP'ler, yazılım kontrollü SRAM'ı bağımsız otobüsler aracılığıyla çalıştırabilir. Örneğin, DSP'ler için bir DSP'ler için bir paket oluşturabilir - daha önceden belirlenmiş bir kontrol hattı veya poli önbellekli bir filtre masası için gerekli olan bazı mimariler.

Doğrudan bellek Access (DMA) Engine

Bir DSP'de, DMA kontrolörleri genellikle çok kanallık, dairesel tamponlar, zincirleme ve iki boyutlu (2D) veri transferleri - video çerçeve işleme veya çok kanallı ses I/O. Örneğin, DMA cihazı verileri analog bir işlemden daha fazla aktarmaya izin veren veya veri işlemesine izin veren bir veri aktarımında doğrudan doğrulayıcı (ADC) buffer.

Kontrol ve Interface Birimleri

Arithmetic ve hafıza birimleri ağır hesaplama, kontrol ve arayüz bileşenleri orkestrası operasyonu gerçekleştirir ve DSP'yi dış dünyaya bağlar. Bu birimler talimat kesintiye uğratılır, dış sensörlerle iletişim kurar ve diğer işlemciler ile iletişim kurar.

Kontrol ünitesi

Modern DSP'deki kontrol ünitesi basit bir talimat decoder'den daha fazlasıdır; sıfırdan çıkışlı (herhangi bir), ve istisna işlemlerinin yürütülmesini sağlayan bir programdır. VLIW tasarımları, kontrol ünitesi aynı zamanda birden fazla işlevsel birimin gönderilmesini ve kaynak çatışmalarını kontrol eder ve tanımlı programı uygular. Birçok DSPs, sıfır devreleri sıkı bir şekilde idare eden bir programdır.

Peripheral Interfaces

DSPs, ADCs, dijital-to-analog dönüştürücüler (DAC) dahil olmak üzere geniş bir dış bileşenle arayüze erişmek için tasarlanmıştır.

  • [FONT:0]Serial arayüzler [[Dönetici:0) SPI, I2C ve UART gibi düşük hızlı kontrol ve veri transferi için.
  • [FONT=0]Seso arabirimleri [Dönetici:0) I2S ve TDM gibi çok kanallı dijital ses için.
  • [FONT=0) Yüksek hızlı arayüzler [Dönetici: USB, Ethernet, PCIe ve Sistem düzeyinde entegrasyon için Prat hafıza kontrolörleri.
  • [0]Parallel limanlar dış çerçeve tampon veya FPGA cihazlarına bağlanmak için.

Bu periferiklar genellikle çekirdek müdahalesini en aza indiren DMA kanalları tarafından yönlendirilir, DSP'nin gerçek zamanlı veri akışlarına hizmet ederken yüksek kodlama algoritmalarının korunmasına izin verir. Örneğin, telekomünikasyonda kullanılan 48 kanal TDM port otomatik olarak DMA kontrolörü ayrı bir şekilde reserialize edilebilir, anahtarı DMA kontrolörü kullanarak ses koduz kesintiye uğramasına izin verebilir.

Interrupt Controller ve Timers

Real-time signal processing demands precise timing. Modern DSPs include programmable interrupt controllers with multiple priority levels, allowing critical events—such as a sample ready from an ADC—to preempt lower-priority processing. On-chip timers, often arranged in pulse-width modulation (PWM) units, generate precise output signals for motor control or power conversion. Some DSPs, like those from the C2000 family, combine DSP arithmetic with microcontroller peripherals, including capture units and quadrature encoder pulse (QEP) modules, making them ideal for real-time control systems.

Özelleştirilmiş Fonksiyonel Birimler

En talep edilen algoritmaları minimum güç ve geçkicy ile işlemek için, modern DSPs uygulama özel donanım hızlandırıcılarını birleştirir. Bu birimler tekrar tekrar tekrarlanır, performans ve enerji verimliliğinde siparişler-sonrası geliştirmelerine ulaşır.

Hızlı Fourier Dönüşüm (FFT) Süreçtörler

FFT, iletişim, radar ve ses analizinde çok fazla şeydir.Londer DSP, MAC işlemleri kullanarak bir FFT hızlandırıcısı, 10 μs altında 10 mm'lik bir FFT cihazını tam olarak tamamlayabilen ve bir yazılım uygulamalarının enerjisini tüketebilir.Instep-M55 çekirdeği, Arm'tan bir FFT motoru için bir FFT cihazı içeren bir diskoproleksiyonu içerir.

Diğer Donanım Hızlandırıcıları

FFT'lerin ötesinde, belirli alanlar için DSP'lere bir dizi hızlandırıcı bulunmaktadır:

  • [FONT=0)Viterbi ve Turbo decoder hızlandırıcılar [[Dönetici:0) kablosuz iletişimde hata düzeltmesi için (örneğin 4G/5G üssü SoCs).
  • [FONT=0)Convolutional nöral ağ (CNN) motor öğrenme inference, kenar AI DSP'lerde yaygın.
  • [FONT=0)FIR ve IIR filtre hızlandırıcılar [DDDÜT:1] Bu, belirli değişim kayıtlarını ve çok basitleştirilmiş ağaçlar kullanarak çok sayıda musluk işlem yapan.
  • [FONT=0)Motion tazminat motorları H.264 ve HEVC gibi video kodcular için.

Bu hızlandırıcılar bir sistem otobüsü veya çaprazbar aracılığıyla veri hafızasını paylaşıyorlar ve genellikle hafızaya kayıt ve tamamlanma kesme listeleri ile kontrol ediliyorlar. Onların varlığı, ayrı cips gerektiren tek bir DSP'nin birden fazla işleme domaini ele geçirmesine izin veriyor.

Güç Yönetimi ve Saat Gating

Power tüketimi batarya destekli DSP uygulamaları (projektifler, telefonlar, IoT) Modern DSPs, dinamik gerilim ve frekans ölçeklendirme (DVFS) ve iyi huylu saat boyunca gating. Fonksiyonel birimler, MAC serisi gibi, mikrosaniyede performans ve düşük güç adaları arasında geçiş yapabilir.

Modern DSP Design'ta Gelişmiş Düşünmeler

DSP'ler, mikro kontroller ve uygulama işlemcileri arasındaki sınırlar bulanıklaşıyor. Birçok modern cihaz çoklu DSP çekirdeklerini, RISC kontrol temellerini ve donanım hızlandırıcılarını tek bir ölüde kontrol ediyor.Bu heterojen mimari karmaşık akışlar: bir kontrol çekirdeği gerçek zamanlı zamanlama, bir DSP çekirdeği filtreleme yapıyor ve bir AI hızlandırıcısı, güvenlik özelliklerini – güvenli bir şekilde önyükleme, bellek koruma birimleri (MPUs), ve kriptografik hızlandırıcılar – özellikle de standart hale getiriyor.

Yazılım aracıchain eşit derecede önemlidir. Modern DSP'ler otomatik olarak vektörize döngüler, VLIW paketleri planlayabilir ve hafıza düzeni yönetmektedir. Entegre gelişim ortamları (IDEs) satıcılardan gelen satıcılardan, Analog cihazlar ve Texas Instruments teklif edilen aletler, gerçek zamanlı veri görselleştirme ve FFT'ler için optimize edilmiş kütüphane işlevleri ile desteklenir.Bu araçlar olmadan, DSP'lerin tüm potansiyellerini kullanarak.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Modern DSP işlemcilerinin iç bileşenleri - bu bileşenleri anlamak, otomotiv radarından sese kadar uzanan uygulamalar için gereklidir.Her işlevsel bloku gerçek zamanlı matematik taleplerine göre, DSP'ler, gömülü dijital sinyal işleme olarak rollerini yerine getirmeye devam eder.Mevcut mimarilere göre daha fazla okuma için DSP'ler, DSP'ler için kullanılan kaynakları ifade eder.[TFLT:0)