Özel DSP Süreçleri Niche Uygulamaları İçin Temeldir

Birçok özel alanda - tıbbi görüntüleme, endüstriyel otomasyon, havacılık telemetri veya yüksek uçlu ses gibi - sinyal işleme talepleri genel amaçlı dijital sinyal işlemcilerinin (DSPs) veya alan programlanabilir kapı dizilerine (FPGA) uygun şekilde teslim edilebilir. Off-the-shelf bileşenleri, büyük pazarlar için tasarlanmıştır ve genellikle güç tüketimi, geçn veya hassas bir tasarım için uzlaşmaya zorlanır. Özel bir DSP işlemcisi, tek bir uygulama için uygun olarak, siparişler elde edebilir.

Uygulama Gereksinimlerine Derin Dive

Tek bir donanım açıklaması dili yazılmadan önce, mühendislik ekibi, hedef ortamının ilgili sinyallerin ayrıntılı bir şekilde anlaşılması gerekir. Bu, "projektif veri" veya "bizim radar verileri" olarak adlandırdığımız anlamına gelir.

Signal Özellikleri ve Hassas Hassasiyet

Giriş sinyallerinin doğası birçok mimari seçeneği dikmektedir. Darband ses uygulamaları için, 16-bit sabit nokta arithmetici yeterli olabilir, ancak radar pul puls veya spektroskopi için 32-bit yüzen nokta veya hatta özel blok özel-floating noktası temsilleri gerekli hale gelebilir. Benzer şekilde, sinyal-to-noise oranı (SNR) gereksinimlerini karşılaştırıldığında, analog-dijit dönüştürücü seçim ve iç gürültü bütçeleme kararları. Özel bir DSP tasarlarken, mühendisler algoritmanın dinamik aralıklarını tam olarak tanımlayan bir sayı tanımlayabilirler.

Gerçek Zamanlı Kıtlar

Gerçek zamanlı işlem DSP uygulamalarının bir göstergesidir.The işlemci her örneği veya çerçevenin sabit bir süre içinde işlendiğini garanti etmelidir veya sistem başarısız olur. Özel donanım burada başarır çünkü tahmin edilemez mühendisler genellikle tüm giriş kalıpları altında sınırlamaları doğrulayabilirler.

Donanım Mimari Tasarım Seçenekleri

Bir sonraki önemli adım, işlemcinin mikroarşizmsini tanımlamaktır. Mimarlık esnekliği, performans, güç ve maliyet dengelemelidir. Aşağıdaki alt bölümler birincil dikkateleri özetler.

İşleme Core Type: Statik vs. programlanabilir

Temel bir karar, belirli bir algoritma için belirli bir algoritma için son derece verimlidir - örneğin, belirli bir sabit sistemden inşa edilen bir FIR filtre ve gecikmeler için - ancak en uygun şekilde tasarlanmış bir beton bloklar ve bazı basit sistemler için tasarlanmıştır.Insight-V with DSP extensions, deployment sonrası algoritmaları güncellemek için esnektir. birçok niş uygulama, belirli bir sistemli bir sistemli tasarım için kullanılabilir.

Memory Hierarchy Design

Bellek bant genişliği genellikle DSP sistemlerinde şişenck. Özel bir tasarım, mühendisler hafıza hiyerarşisini tam olarak veri akışına oturtabilmelerini sağlar. Anahtar kararlar, işlemcinin diğer tarafta olup olmadığınız zaman, doğrudan okuma / yazma için çok fazla kanal anılarının sayısını ve boyutunu içerir: Sağlama uygulamaları için bir SDRAM kontrol cihazı, çift ekran görüntülerin değiştirilmesini tercih eder.

Peripheral Entegrasyon

Özel DSP genellikle sensörler, eylemciler veya veri dönüştürücüleri ile arayüze ihtiyaç duyar. SPI, I2C, I2S, veya yüksek hızlı LVDS transceivers doğrudan bileşen sayımı, yönetim alanı ve geçlik.In niş uygulamalar, standart periferiler özelleştirmeler gerekebilir - örneğin, tam olarak örnekleme oranları ve kanal sayımı destekleyen çok kanallı ses arayüzü, genel bir ses kodu ve kanal sayar.

Güç Yönetimi Teknikleri

Power tüketimi kritik bir kısıtlamadır, özellikle batarya-işlet veya termal olarak sınırlı sistemler için. Özel işlemciler gelişmiş güç yönetimi özelliklerini içerebilir: birden fazla gerilim ve frekans domaini, kullanımsız bir cihaz için saat, çok düşük bir saat frekansında çalışabilir ve geçiş aktivitesini mümkün olduğunca düşük devre dışı bırakabilir ve gerçek zamanlı ses işleme için sabit güç kullanarak sabit devretme gücü kullanarak kullanabilir. Örneğin, görsel bir cihaz için özel DSP, çok düşük bir hızda çalışabilir ve çok düşük bir süre boyunca aktif bir işlem devretebilir.

Donanım Uygulama için Algorithm Optimizasyonu

C veya MATLAB'de bir algoritma yazmak ve sonra “porting”in donanıma nadiren etkili olması gerekir. Bunun yerine, algoritma ve mimari ortak dönüşüm teknikleri tartışır.

Sabit-Point Arithmetic and Word-Length Optimizasyon

DSP'lerin her değişken için sabit noktası temsil ettiği sabit noktalı gösterimi, mühendisler, sinyal kalitesi gibi en az tam ve küçük miktarlar belirlemek için algoritmanın dinamik aralığı ve ölçüm gürültüsünü analiz etmelidir. Multi- aşama algoritmaları için farklı bir kelime uzunluğu kullanılabilir -örneğin, filtrede 24bit orta verilerle yüz yüzen, ancak 16-bit çıkış noktası ile sabitlenebilir.Bu, sinyal kalitesi gibi gelişmiş teknikler azaltır.

Paralellik ve Pipelining

Niche uygulamaları genellikle yüksek aktarım gerektirir. Özel DSPs, paralellik düzeyinin çok fazla kullanımını kullanabilir.Eğitim düzeyinde paralellik, VLIW (çok uzun öğretim kelimesi) her aşamaya kadar birkaç işlem yapan mimarileri ayırır.Daha sık, veri düzeyindeki paralellik, bir şekilde işlevsel birimler tarafından sömürülebilir: örneğin, polifa filtreli bir banka, farklı aşamalarda çalışan 8 paralel sabit boru hattını kullanabilir ve sabit olmayan boru hatlarıyla çalıştırılabilir.

Algoritma Dönüşümleri

Bazen algoritmanın kendisi, FIR filtrelerinin kullanılması için yeniden yapılandırılabilir. Örneğin, bir zaman alanı konvolution into a frequency-domain method using FFT can reduce operations for long filters. Benzer şekilde, dağıtılmış arithmetic for FIR filtreler için çoklu tabloları değiştirmek ve ekers eklemek için daha verimli olabilir, bu da FPGA tabanlı özel tasarımlarda daha verimli olabilir.In adaptive filtreler için, en az-mean-square (LMS) gibi algoritmaların en az ayarlanması gibi.

Geliştirme Araçları ve Diller

Özel bir DSP işlemcisi sağlam bir geliştirme akışı gerektirir.Aslında VHDL veya Verilog'dan bahsetmişken, birçok takım şimdi SystemTelog veya hatta yüksek seviyeli sentez (HLS) C++ veya SystemC. HLS, algoritma geliştiricilerinin daha yüksek bir soyutlama seviyesinde yazmasını sağlar, ancak mühendisler, sistemdeki önerilen mikroarjörün elde etmesini sağlamak için sentez aracı yakından yönlendirmelidir.In doğrulama için, evrensel doğrulama metodolojisi (UVM) karmaşık tasarımları için standarttır.

[FONT:0]Dön kaynak: [Dönetici:0] Derin bir şekilde dijital sinyal işleme mimarisine sahip olmak için, bkz. [FONTD:2).ScienceDirect'un DSP mimarlıklarının genel bakışı).

Doğrulama, doğrulama ve Strategies test

Özel bir DSP genellikle bir güvenlik-kahkadar veya yüksek değerli sistemin kalbidir, egzoz doğrulama planı, kullanım grupları ile işlevsel olarak doğrulama, zamanlama ve güç bütünlüğüne sahip olmalıdır. Formal doğrulama araçları, RTL'nin tüm olası girişleri için davranışını doğrulayabilir - kontrol mantığı için güçlü bir teknik.For datapath-hevya DSPive doğrulama blokları için, sınırlı sayıda embriyoyu kullanarak test etmek için kullanılır.

Across Sıcaklık ve Ger Corners

Niche uygulamaları genellikle aşırılarda çalışır. Özel çipler süreç, gerilim ve sıcaklık köşeleri ile karakterize edilmelidir. Tasarım takımları hafıza ve mantık için inşa edilebilirliği (BIST) ve mantık için, aviyonikler gibi kritik uygulamalar için, işlemcinin test edilmesi için gerekli olan gereklilikleri yerine getirmeleri gerekir.

Bütünleşme, İşsizlik ve Uzun Süreli Destek

Son zorluklar, geleneksel DSP'yi daha büyük sisteme entegre etmeyi ve onu yaşam döngüsüne devam etmeyi içerir. Termal yönetim birincil bir endişedir: küçük bir pakette 10W'yi dağıtan bir işlemci ayrıntılı termal simülasyon ve muhtemelen ısı battı ve dekoupling ve kütüphaneler.Kapalama veya gerilim droop. Yazılım tarafında, bir yazılım geliştirme kitine ihtiyaç duyar.

[FONT:0)Dönemli Kaynak:[Dönetici:0) Kitap [Dönetici Sistemlerinde Dijital Sinyal İşleme[Döneticiler)[Döneticiler) Uygulamalı zorluklara yönelik pratik rehberlik sağlar.

Vaka Çalışmaları: Work DSP'de Özel DSP

Tıbbi Ultrasound Beamform

Bir el ultrasonu geliştirme girişimi, 64 kanal dinamikleri tarafından yapılan özel bir DSP tasarladı ve tüm kanalları dış hafıza şişeleri olmadan paralel olarak işleten bir sistolik mimarisiydi.

Industrial Titreşim İzleme İzleme

Bir fabrika otomasyon şirketi, her bir çekirdekin aynı anda onlarca sensör sinyalini analiz edebilecek bir işlemciye ihtiyaç duyuyordu, gerçek zamanlı FFT'ler ve anomali algılamayı başardı.In-shelf çözümleri çok yavaş veya çok fazla enerji tüketti. Her bir çekirdekin bir dizi sensörlerle birlikte, bir paylaşılan bir bellekle birlikte, FPGA tabanlı bir alternatif üzerinden 20x gelişme oldu.

[FONT:0)Dön kaynağı: [Dönetici uygulamaları için özel DSP tasarımı için daha fazla için, bkz. DSPT:2).Bu gömülü.com makalesi endüstriyel IoT DSP tasarımı).

Ortak Pitfalls ve Them'dan Nasıl Kaçırmak

  • [FONT:0)Rekreksiyon şişeneck'ı göz önünde bulundurun: En hızlı aritik birimler bile veri teslim edilemezse bellek alt sistemini her zaman gerçekçi trafik kalıplarıyla simüle eder.
  • [FONT=0]Dönemli vakaların yeterli doğrulaması: [DSPT:1] DSP algoritmaları sinyal sınırlarında beklenmedik davranışlar sergileyebilir (örneğin, IIR filtrelerde aşırı akış). Aşırılık, frekans ve kombine sinyallerin stresini oluşturan test vakaları oluşturun.
  • [FONT:0)En iyileştirici güç tüketimi: Dinamik güç ölçekleri gerilim meydanında ölçeklenebilir; zamanlama ile tanışma geriliminde hafif bir artış önemli bir güç artışına neden olabilir. Güç algılaması sentez ve analiz gerilim ayarı çip zeminplanda azalır.
  • [FONT:0] Yazılım çabasını görmezden gelir: programlanabilir bir özel DSP, iyi bir araç zincirine sahip olup olmadığını sadece kullanışlıdır.
  • [[Düzzaman:0)Over-customizasyon:[Dönetici:[Dönetici:0)Çok fazla özel özellik eklemek, işlemci kompleksini doğrulama ve belgelendirmek için yapabilir. 80/20 kuralı kullanın: Maliyet için en fayda sağlayan özellikleri uygulayın.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Bir niş uygulama için özel bir DSP işlemcisi geliştirmek zor ama ödüllendirici bir mühendislik çabasıdır. Uygulamanın sinyalleri ve kısıtlamaları, algoritmaların ve mimarisin dikkatli bir şekilde tasarlanması ve doğrulama ve testlere yönelik bir yaklaşım.Bu, temel dikkate değer bir analize, mimari seçimlere, algoritma optimizasyonuna ve ayrıntılılaştırmaya odaklanır - her türlü performansı, gücünü ve entegrasyonuna ve herhangi bir alternatifin entegrasyonuna olanak sağlar.