Options de circuits intégrés de processeur de signal numérique pour applications embarquées

Circuit intégré de processeur de signal numérique sur une carte de base embarquée.

Vos conversations téléphoniques, vidéos en streaming, musique en streaming, appareil photo de smartphone, et bien plus encore ne fonctionneraient pas comme prévu sans un circuit intégré de processeur de signal numérique. Dans de nombreux systèmes plus récents, les algorithmes qui exécutent des tâches importantes de traitement du signal numérique sont intégrés dans des SoCs, exécutés comme logiciel sur une instance de système d'exploitation embarqué, ou simplement délégués au cloud (par exemple, dans des systèmes embarqués connectés au cloud). Ces tâches doivent être définies au niveau matériel, logiciel, ou les deux, et la sélection des composants dictera le temps de calcul et la précision des résultats.

Processeurs de signal numérique IC vs. FPGAs

Des domaines d'application comme la 5G et l'informatique en périphérie se détournent des FPGAs pour la puissance de traitement au profit de SoCs personnalisés et de composants de processeur de signal numérique spécialisés. La croissance sur ce marché est déjà projetée à des taux similaires à ceux du marché des FPGA grâce à la facilité de programmation, une plus grande spécialisation, et moins de besoin de parallélisation. En raison de ces changements dans le paysage du marché et des exigences des dispositifs, il est utile de comparer les options de processeur de signal numérique IC avec les FPGAs car ils peuvent remplir les mêmes fonctions, mais de manières différentes et avec différents indicateurs de performance.

Les deux types de composants peuvent effectuer des opérations arithmétiques à point fixe et à virgule flottante, ils ont des empreintes similaires, et un coût par opération arithmétique similaire dans certains cas. Cependant, ils ont des ensembles de fonctionnalités différents, des courbes d'apprentissage de programmation différentes, et des niveaux de spécialisation complètement différents. Les FPGAs offrent une programmation hautement personnalisable, tandis que les DSPs sont destinés à des applications de traitement de signal spécialisées (d'où le nom). Seuls certains FPGAs mixtes spécialisés incluent des blocs ADC/DAC, tandis que la plupart des DSPs haute performance incluront des blocs DAC/ADC pour l'interface avec des capteurs et d'autres instruments.

Pour résumer, lorsque vous avez besoin d'un processeur qui offre une personnalisation élevée avec des ressources partageables, une vitesse de traitement plus rapide, et une parallélisation significative, vous aurez des calculs plus rapides et un coût inférieur par MAC, le meilleur choix est un FPGA. Cependant, si la vitesse n'est pas le facteur critique, et que vous avez besoin de fonctionnalités intégrées spécifiques, vous serez mieux avec un circuit intégré de processeur de signal numérique. À des taux d'horloge/MAC plus bas, vous verrez des calculs plus rapides avec un coût par MAC similaire à celui d'un FPGA.

Un circuit intégré de processeur de signal numérique devra s'interfacer avec d'autres composants via des protocoles standards.

Benchmarks de processeur de signal numérique IC

Il y a quelques lignes directrices importantes à considérer lors de la sélection d'un circuit intégré de processeur de signal numérique :

• Taux de multiplication-accumulation (MAC) : Cela est lié au point suivant, mais cela dépend également de la profondeur de bit pour vos opérations à point fixe ou flottant. C'est le principal critère utilisé pour évaluer la performance d'un processeur de signal numérique IC.
• Taux d'horloge/instruction : Les taux d'instruction sont normalement mesurés en MIPS (mega-instructions par seconde) ou comme une valeur de temps de cycle.
• Performance par rapport aux algorithmes de référence : Des mesures spécifiques des temps de calcul pour les algorithmes de référence vous donnent un étalon avec lequel comparer vos propres algorithmes. Deux algorithmes de référence courants sont le filtrage à réponse impulsionnelle finie et la FFT.
• Accès aux périphériques intégrés : Ces IC offrent généralement de multiples E/S programmables et interfaces dans un seul paquet pour l'interfaçage avec d'autres composants. Faites attention aux protocoles de signalisation disponibles dans votre IC.
• Coût : l'un des avantages de ces composants est leur performance supérieure pour les tâches de traitement de signal avec un coût inférieur à celui des MCU ou FPGA comparables (voir ci-dessus). Il y a souvent peu d'avantage à suracheter à moins que vous n'ayez besoin d'accès à plus de périphériques ou interfaces externes.

Options de processeur de signal numérique à haute performance

Ces options fournissent des calculs plus rapides et plus précis par rapport à leurs homologues FPGA à des taux d'horloge similaires et avec un coût similaire. La courbe d'apprentissage de la programmation est également plus facile pour ces composants, ce qui aide de nombreux concepteurs à mettre de nouveaux produits en production plus rapidement que lorsqu'un FPGA est utilisé.

Texas Instruments, TMS320C6720BRFP200

Le TMS320C6720BRFP200 de Texas Instruments est un processeur de signal numérique à faible coût qui prend en charge les calculs à point fixe 32 bits, à point flottant 32 bits (précision simple) ou à point flottant 64 bits (double précision). Certaines applications idéales pour ce composant incluent les systèmes audio haute performance (par exemple, effets en temps réel, synthèse audio, modélisation d'instruments, codage/diffusion), l'imagerie médicale (par exemple, tomographie 3D et traitement d'image), la biométrie et d'autres applications nécessitant des tâches de traitement de signal spécialisées.

Ce composant n'inclut pas de blocs ADC/DAC, bien qu'il inclue 2 interfaces SPI et 2 I2C pour se connecter à des composants ADC/DAC externes. Ce composant inclut également une Interface de Port Hôte Universelle (UHPI), où un CPU hôte externe peut accéder aux mémoires sur le composant en parallèle. Contrairement à certains autres processeurs de signal numérique IC, il existe un certain niveau de parallélisation dans les calculs :

À 350 MHz, le CPU est capable d'une performance maximale de 2800 MIPS/2100 MFLOPS en exécutant jusqu'à huit instructions (dont six sont des instructions à virgule flottante) en parallèle chaque cycle. Le CPU prend en charge nativement l'arithmétique à point fixe 32 bits, à virgule flottante de précision simple 32 bits et à virgule flottante de double précision 64 bits [d'après la fiche technique du TMS320C6720BRFP200]

Diagramme fonctionnel du bloc pour le processeur de signal numérique IC TMS320C6720BRFP200. Extrait de la fiche technique TMS320C6720BRFP200.

Analog Devices, ADSP-21161NCCAZ100

Le ADSP-21161NCCAZ100 d'Analog Devices est un autre processeur de signal numérique IC qui cible les applications audio, vidéo, médicales et industrielles. Ce composant BGA offre de nombreux périphériques intégrés supplémentaires, incluant 1 Mbit de SRAM intégrée, 16 flux Tx/Rx via I2S, un bus SPI et une interface JTAG. Il prend en charge les formats de données à point fixe 32 bits, à virgule flottante 32 bits (précision simple) et à virgule flottante 40 bits (précision étendue) jusqu'à 660 MFLOPS.

Comme algorithme d'évaluation de référence, ce composant réalise un calcul FFT complexe de 1024 points en seulement 92 μs et un filtre à réponse impulsionnelle finie à 5 ns par tapotement (taux d'instruction de 100 MHz). Cela rend le processeur idéal pour les applications de traitement audio et d'image en temps réel. Les temps de calcul pour les algorithmes de référence importants sont indiqués ci-dessous.

Performance de l'ADSP-21161NCCAZ100 contre les algorithmes de référence. Extrait de la fiche technique ADSP-21161NCCAZ100.

Texas Instruments, 66AK2E05XABDA4

Le processeur de signal numérique IC 66AK2E05XABDA4 a un coût plus élevé que le composant TI présenté ci-dessus, mais il offre une vitesse de traitement beaucoup plus rapide et l'accès à de nombreux périphériques supplémentaires. Il peut également se connecter à 2 interfaces USB 3.0 et 2 périphériques PCIe. Il fournit également 32x GPIO, 2x UART et 3x interfaces SPI, ainsi que 1 GBE et 10 GBE Ethernet. Tout est construit sur un quad-core ARM A15 avec une fréquence d'horloge de 1.4 GHz. Pour les capacités de traitement, ce composant fournit des calculs à point fixe 32 bits (38.4 GMACS/Core @ 1.2 GHz) et à virgule flottante (19.2 GFlops/Core @ 1.2 GHz). Le 66AK2E05XABDA4 inclut une interface EMIF DDR3 SDRAM large de 64 bits et de 1.5 V.

Diagramme fonctionnel du bloc pour le processeur de signal numérique IC 66AK2E05XABDA4. Extrait de la fiche technique 66AK2E05XABDA4.

Lorsque vous recherchez un processeur de signal numérique IC, vous trouverez toutes les pièces présentées ci-dessus et bien d'autres options sur Octopart. Vous trouverez également de nombreuses options pour les composants de support pour votre prochain PCB.

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