Opzioni di IC per processori di segnali digitali per applicazioni embedded

Circuito integrato per elaborazione segnali digitali su una scheda base embedded.

Le tue conversazioni telefoniche, i video in streaming, la musica in streaming, la fotocamera dello smartphone e molto altro non funzionerebbero come previsto senza un circuito integrato per l'elaborazione dei segnali digitali. In molti sistemi più recenti, gli algoritmi che eseguono importanti compiti di elaborazione dei segnali digitali sono integrati in SoC, eseguiti come software su un'istanza di sistema operativo embedded o semplicemente trasferiti al cloud (ad esempio, in sistemi embedded connessi al cloud). Questi compiti devono essere definiti a livello hardware, software o entrambi, e la selezione dei componenti determinerà il tempo di calcolo e l'accuratezza dei risultati.

Circuiti integrati per l'elaborazione dei segnali digitali vs. FPGA

Settori applicativi come il 5G e l'edge computing si stanno allontanando dagli FPGA per la potenza di elaborazione a favore di SoC personalizzati e componenti specializzati per l'elaborazione dei segnali digitali. La crescita in questo mercato è già proiettata a crescere a ritmi simili a quelli del mercato FPGA grazie alla facilità di programmazione, maggiore specializzazione e minore necessità di parallelizzazione. A causa di questi cambiamenti nel panorama di mercato e nei requisiti dei dispositivi, è utile confrontare le opzioni di circuiti integrati per l'elaborazione dei segnali digitali con gli FPGA poiché possono svolgere le stesse funzioni, ma in modi diversi e con metriche di prestazione diverse.

Entrambi i tipi di componenti possono eseguire operazioni aritmetiche a punto fisso e a virgola mobile, hanno impronte simili e costi simili per operazione aritmetica in alcuni casi. Tuttavia, hanno set di funzionalità diversi, curve di apprendimento della programmazione diverse e livelli completamente diversi di specializzazione. Gli FPGA offrono una programmazione altamente personalizzabile, mentre i DSP sono destinati a applicazioni di elaborazione dei segnali specializzate (da qui il nome). Solo alcuni FPGA misti specializzati includono blocchi ADC/DAC, mentre la maggior parte dei DSP ad alte prestazioni includerà blocchi DAC/ADC per l'interfacciamento con sensori e altri strumenti.

Per riassumere, quando hai bisogno di un processore che offre risorse altamente personalizzabili con risorse condivisibili, velocità di elaborazione più rapida e significativa parallelizzazione, avrai calcoli più veloci e un costo inferiore per MAC, la scelta migliore è un FPGA. Tuttavia, se la velocità non è il fattore critico e hai bisogno di funzionalità integrate specifiche, faresti meglio a utilizzare un circuito integrato per l'elaborazione dei segnali digitali. A velocità di clock/MAC inferiori, vedrai calcoli più veloci con un costo per MAC simile a quello di un FPGA.

Un circuito integrato per l'elaborazione dei segnali digitali dovrà interfacciarsi con altri componenti tramite protocolli standard.

Benchmark dei circuiti integrati per l'elaborazione dei segnali digitali

Ci sono alcune linee guida importanti da considerare quando si seleziona un circuito integrato per l'elaborazione dei segnali digitali:

• Velocità di moltiplicazione-accumulo (MAC): Questo è correlato al punto seguente, ma dipende anche dalla profondità di bit per le tue operazioni a punto fisso o flottante. Questo è il principale benchmark utilizzato per valutare le prestazioni di un circuito integrato per elaborazione di segnali digitali.
• Velocità di clock/istruzione: Le velocità di istruzione sono normalmente misurate in MIPS (mega-istruzioni al secondo) o come un valore di tempo di ciclo.
• Prestazioni rispetto agli algoritmi di benchmark: Misure specifiche dei tempi di calcolo per algoritmi di benchmark ti forniscono un benchmark con cui confrontare i tuoi algoritmi. Due algoritmi di benchmark comuni sono il filtraggio a risposta impulsiva finita e la FFT.
• Accesso ai periferici integrati: Questi circuiti integrati offrono tipicamente molteplici I/O programmabili e interfacce in un unico pacchetto per l'interfacciamento con altri componenti. Presta attenzione ai protocolli di segnalazione disponibili nel tuo circuito integrato.
• Costo: uno dei vantaggi di questi componenti è la loro maggiore prestazione per compiti di elaborazione dei segnali con un costo inferiore rispetto a MCU o FPGA comparabili (vedi sopra). Spesso non vi è grande vantaggio nell'acquistare in eccesso a meno che non sia necessario l'accesso a più periferiche o interfacce esterne.

Opzioni di circuiti integrati per elaborazione di segnali digitali ad alte prestazioni

Queste opzioni forniscono calcoli più veloci e accurati rispetto ai loro corrispettivi in FPGA a velocità di clock simili e con costi simili. Anche la curva di apprendimento della programmazione è più semplice per questi componenti, il che aiuta molti progettisti a portare nuovi prodotti in produzione più rapidamente rispetto all'uso di un FPGA.

Texas Instruments, TMS320C6720BRFP200

Il TMS320C6720BRFP200 di Texas Instruments è un circuito integrato per elaborazione di segnali digitali a basso costo che supporta calcoli a 32 bit a punto fisso, 32 bit a punto flottante (precisione singola) o 64 bit a punto flottante (doppia precisione). Alcune applicazioni ideali per questo componente includono sistemi audio ad alte prestazioni (ad es., effetti in tempo reale, sintesi audio, modellazione di strumenti, codifica/diffusione), imaging medico (ad es., tomografia 3D ed elaborazione di immagini), biometria e altre applicazioni che richiedono compiti di elaborazione di segnali specializzati.

Questo componente non include blocchi ADC/DAC, sebbene includa 2 interfacce SPI e 2 I2C per collegarsi a componenti esterni ADC/DAC. Questo componente include anche un'interfaccia universale per porta host (UHPI), dove un CPU host esterno può accedere alle memorie sul componente in parallelo. A differenza di alcuni altri circuiti integrati per elaborazione di segnali digitali, esiste un certo livello di parallelizzazione nei calcoli:

A 350 MHz, la CPU è capace di una prestazione massima di 2800 MIPS/2100 MFLOPS eseguendo fino a otto istruzioni (sei delle quali sono istruzioni a punto flottante) in parallelo ogni ciclo. La CPU supporta nativamente l'aritmetica a 32 bit a punto fisso, a 32 bit a punto flottante di precisione singola e a 64 bit a punto flottante di doppia precisione [dal datasheet del TMS320C6720BRFP200]

Diagramma funzionale del blocco del processore di segnali digitali IC TMS320C6720BRFP200. Dal datasheet TMS320C6720BRFP200.

Analog Devices, ADSP-21161NCCAZ100

L'ADSP-21161NCCAZ100 di Analog Devices è un altro processore di segnali digitali IC che si rivolge ad applicazioni audio, video, mediche e industriali. Questo componente BGA offre molti più periferici integrati, inclusi 1 Mbit di SRAM integrata, 16 flussi Tx/Rx tramite I2S, un bus SPI e un'interfaccia JTAG. Supporta formati di dati a 32 bit a punto fisso, a 32 bit in virgola mobile (precisione singola) e a 40 bit in virgola mobile (precisione estesa) fino a 660 MFLOPS.

Come algoritmo di valutazione di riferimento, questo componente completa un calcolo FFT complesso di 1024 punti in soli 92 μs e un filtro a risposta impulsiva finita a 5 ns per tap (tasso di istruzione di 100 MHz). Questo rende il processore ideale per applicazioni di elaborazione audio e immagini in tempo reale. I tempi di calcolo per importanti algoritmi di riferimento sono mostrati di seguito.

Prestazioni dell'ADSP-21161NCCAZ100 contro algoritmi di riferimento. Dal datasheet ADSP-21161NCCAZ100.

Texas Instruments, 66AK2E05XABDA4

Il processore di segnali digitali IC 66AK2E05XABDA4 ha un costo superiore rispetto al componente TI mostrato sopra, ma offre una velocità di elaborazione molto più elevata e l'accesso a molti più periferici. Può anche interfacciarsi con 2 interfacce USB 3.0 e 2 periferiche PCIe. Offre inoltre 32x GPIO, 2x UART e 3x interfacce SPI, così come 1 GBE e 10 GBE Ethernet. Tutto è costruito su un quad-core ARM A15 con frequenza di clock di 1.4 GHz. Per le capacità di elaborazione, questo componente fornisce calcoli a 32 bit a punto fisso (38.4 GMACS/Core @ 1.2 GHz) e in virgola mobile (19.2 GFlops/Core @ 1.2 GHz). Il 66AK2E05XABDA4 include un'interfaccia EMIF DDR3 SDRAM a 64 bit larga e 1.5-V.

Diagramma funzionale del blocco del processore di segnali digitali IC 66AK2E05XABDA4. Dal datasheet 66AK2E05XABDA4.

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