Optionen für digitale Signalprozessor-ICs für eingebettete Anwendungen

Digitaler Signalprozessor IC auf einem eingebetteten Basisboard.

Ihre Telefongespräche, gestreamte Videos, gestreamte Musik, die Kamera Ihres Smartphones und vieles mehr würden ohne einen digitalen Signalprozessor IC nicht wie vorgesehen funktionieren. In vielen neueren Systemen werden die Algorithmen, die wichtige digitale Signalverarbeitungsaufgaben ausführen, in SoCs integriert, als Software auf einer eingebetteten OS-Instanz ausgeführt oder einfach in die Cloud ausgelagert (z.B. in cloud-verbundenen eingebetteten Systemen). Diese Aufgaben müssen auf Hardwareebene, Softwareebene oder auf beiden definiert werden, und die Auswahl der Komponenten wird die Rechenzeit und die Genauigkeit der Ergebnisse bestimmen.

Digitaler Signalprozessor ICs vs. FPGAs

Anwendungsbereiche wie 5G und Edge Computing bewegen sich weg von FPGAs für Rechenleistung zugunsten von benutzerdefinierten SoCs und spezialisierten digitalen Signalprozessor IC-Komponenten. Das Wachstum in diesem Markt wird bereits ähnlich wie im FPGA-Markt aufgrund der einfacheren Programmierung und größeren Spezialisierung sowie des geringeren Bedarfs an Parallelisierung prognostiziert. Aufgrund dieser Veränderungen in der Marktsituation und den Geräteanforderungen ist es hilfreich, digitale Signalprozessor IC-Optionen mit FPGAs zu vergleichen, da sie dieselben Funktionen ausführen können, jedoch auf unterschiedliche Weise und mit unterschiedlichen Leistungskennzahlen.

Beide Arten von Komponenten können Festkomma- und Gleitkomma-Arithmetikoperationen durchführen, sie haben ähnliche Abmessungen und in einigen Fällen ähnliche Kosten pro Arithmetikoperation. Sie verfügen jedoch über unterschiedliche Funktionssätze, unterschiedliche Programmierlernkurven und völlig unterschiedliche Spezialisierungsniveaus. FPGAs bieten hochgradig anpassbare Programmierung, während DSPs für spezialisierte Signalverarbeitungsanwendungen vorgesehen sind (daher der Name). Nur einige spezialisierte Mixed-Signal-FPGAs enthalten ADC/DAC-Blöcke, während die meisten leistungsstarken DSPs DAC/ADC-Blöcke für die Schnittstelle mit Sensoren und anderen Instrumenten enthalten werden.

Zusammenfassend, wenn Sie einen Prozessor benötigen, der hochgradig anpassbar mit teilbaren Ressourcen, schnellerer Verarbeitungsgeschwindigkeit und signifikanter Parallelisierung bietet, werden Sie schnellere Berechnungen und niedrigere Kosten pro MAC haben, die bessere Wahl ist ein FPGA. Wenn jedoch Geschwindigkeit nicht der kritische Faktor ist und Sie spezifische integrierte Funktionen benötigen, sind Sie mit einem digitalen Signalprozessor IC besser beraten. Bei niedrigeren Takt/MAC-Raten werden Sie schnellere Berechnungen mit ähnlichen Kosten pro MAC wie bei einem FPGA sehen.

Ein digitaler Signalprozessor IC muss über standardisierte Protokolle mit anderen Komponenten verbunden werden.

Benchmarks für digitale Signalprozessor ICs

Es gibt einige wichtige Richtlinien, die bei der Auswahl eines digitalen Signalprozessor ICs zu berücksichtigen sind:

• Multiply-Accumulate (MAC)-Rate: Dies steht im Zusammenhang mit dem folgenden Punkt, hängt aber auch von der Bit-Tiefe für Ihre festen oder Gleitkommaoperationen ab. Dies ist das primäre Benchmark, das verwendet wird, um die Leistung eines digitalen Signalprozessor-ICs zu bewerten.
• Takt-/Befehlsrate: Befehlsraten werden normalerweise in MIPS (Mega-Instruktionen pro Sekunde) gemessen oder als Zykluszeitwert angegeben.
• Leistung gegenüber Benchmark-Algorithmen: Spezifische Messungen der Berechnungszeiten für Benchmark-Algorithmen geben Ihnen einen Maßstab, mit dem Sie Ihre eigenen Algorithmen vergleichen können. Zwei gängige Benchmark-Algorithmen sind Finite-Impulse-Response-Filterung und FFT.
• Zugriff auf integrierte Peripheriegeräte: Diese ICs bieten typischerweise mehrere programmierbare I/Os und Schnittstellen in einem einzigen Paket für die Verbindung mit anderen Komponenten. Achten Sie auf die verfügbaren Signalprotokolle in Ihrem IC.
• Kosten: Einer der Vorteile dieser Komponenten ist ihre höhere Leistung für Signalverarbeitungsaufgaben zu geringeren Kosten im Vergleich zu vergleichbaren MCUs oder FPGAs (siehe oben). Oft gibt es wenig Vorteil, zu viel zu kaufen, es sei denn, Sie benötigen Zugriff auf mehr externe Peripheriegeräte oder Schnittstellen.

Optionen für Hochleistungs-Digital-Signalprozessor-ICs

Diese Optionen bieten schnellere, genauere Berechnungen im Vergleich zu ihren FPGA-Pendants bei ähnlichen Taktraten und ähnlichen Kosten. Die Programmierlernkurve ist ebenfalls einfacher für diese Komponenten, was vielen Designern hilft, neue Produkte schneller in die Produktion zu bringen, als wenn ein FPGA verwendet wird.

Texas Instruments, TMS320C6720BRFP200

Der TMS320C6720BRFP200 von Texas Instruments ist ein kostengünstiger Digital-Signalprozessor-IC, der 32-Bit-Festpunkt-, 32-Bit-Gleitkomma- (Einfachpräzision) oder 64-Bit-Gleitkomma- (Doppelpräzision) Berechnungen unterstützt. Einige ideale Anwendungen für diese Komponente umfassen Hochleistungs-Audiosysteme (z.B. Echtzeiteffekte, Audio-Synthese, Instrumentenmodellierung, Kodierung/Übertragung), medizinische Bildgebung (z.B. 3D-Tomographie und Bildverarbeitung), Biometrie und andere Anwendungen, die spezialisierte Signalverarbeitungsaufgaben erfordern.

Diese Komponente enthält keine ADC/DAC-Blöcke, bietet jedoch 2 SPI- und 2 I2C-Schnittstellen zum Anschluss an externe ADC/DAC-Komponenten. Diese Komponente enthält auch eine Universal Host-Port-Schnittstelle (UHPI), über die ein externer Host-CPU parallel auf Speicher in der Komponente zugreifen kann. Im Gegensatz zu einigen anderen Digital-Signalprozessor-ICs gibt es ein gewisses Maß an Parallelisierung in den Berechnungen:

Bei 350 MHz ist die CPU in der Lage, eine maximale Leistung von 2800 MIPS/2100 MFLOPS zu erbringen, indem sie bis zu acht Befehle (sechs davon sind Gleitkomma-Befehle) parallel in jedem Zyklus ausführt. Die CPU unterstützt nativ 32-Bit-Festpunkt-, 32-Bit-Einfachpräzisions-Gleitkomma- und 64-Bit-Doppelpräzisions-Gleitkomma-Arithmetik [aus dem TMS320C6720BRFP200 Datenblatt]

Funktionsblockdiagramm für den digitalen Signalprozessor-IC TMS320C6720BRFP200. Aus dem TMS320C6720BRFP200 Datenblatt.

Analog Devices, ADSP-21161NCCAZ100

Der ADSP-21161NCCAZ100 von Analog Devices ist ein weiterer digitaler Signalprozessor-IC, der auf Audio-, Video-, Medizin- und Industrieanwendungen abzielt. Dieses BGA-Bauteil bietet viele integrierte Peripheriegeräte, einschließlich 1 Mbit integriertem SRAM, 16 Tx/Rx-Streams über I2S, einen SPI-Bus und eine JTAG-Schnittstelle. Es unterstützt 32-Bit-Festpunkt-, 32-Bit-Fließkomma- (Einfachpräzision) und 40-Bit-Fließkomma- (Erweiterte Präzision) Datenformate mit bis zu 660 MFLOPS.

Als Benchmark-Bewertungsalgorithmus schließt dieses Bauteil eine 1024-Punkt komplexe FFT-Berechnung in nur 92 μs und einen Finite-Impulse-Response-Filter bei 5 ns pro Tap (100 MHz Instruktionsrate) ab. Dies macht den Prozessor ideal für Echtzeit-Audio- und Bildverarbeitungsanwendungen. Berechnungszeiten für wichtige Benchmark-Algorithmen sind unten dargestellt.

Leistung des ADSP-21161NCCAZ100 gegenüber Benchmark-Algorithmen. Aus dem ADSP-21161NCCAZ100 Datenblatt.

Texas Instruments, 66AK2E05XABDA4

Der 66AK2E05XABDA4 digitale Signalprozessor-IC ist teurer als das oben gezeigte TI-Bauteil, bietet jedoch eine viel schnellere Verarbeitungsgeschwindigkeit und Zugang zu vielen weiteren Peripheriegeräten. Er kann auch mit 2 USB 3.0-Schnittstellen und 2 PCIe-Peripheriegeräten verbunden werden. Außerdem bietet er 32x GPIO, 2x UART und 3x SPI-Schnittstellen sowie 1 GBE und 10 GBE Ethernet. Alles basiert auf einem Quad-Core ARM A15 mit 1,4 GHz Taktrate. Für die Verarbeitungsfähigkeiten bietet dieses Bauteil 32-Bit-Festpunkt- (38,4 GMACS/Core @ 1,2 GHz) und Fließkomma- (19,2 GFlops/Core @ 1,2 GHz) Berechnungen. Der 66AK2E05XABDA4 umfasst eine 64-Bit breite, 1,5-V DDR3 SDRAM EMIF-Schnittstelle.

Funktionsblockdiagramm für den digitalen Signalprozessor-IC 66AK2E05XABDA4. Aus dem 66AK2E05XABDA4 Datenblatt.

Wenn Sie nach einem digitalen Signalprozessor-IC suchen, finden Sie alle oben gezeigten Teile und viele andere Optionen auf Octopart. Sie finden dort auch viele Optionen für unterstützende Komponenten für Ihre nächste PCB.

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