Opções de IC de Processador de Sinal Digital para Aplicações Embarcadas

Circuito integrado de processador de sinal digital em uma placa base embutida.

Suas conversas telefônicas, vídeos em streaming, música em streaming, câmera de smartphone e muito mais não funcionariam conforme projetado sem um circuito integrado de processador de sinal digital. Em muitos sistemas mais novos, os algoritmos que executam tarefas importantes de processamento de sinal digital estão sendo integrados em SoCs, sendo executados como software em uma instância de OS embutido, ou simplesmente transferidos para a nuvem (por exemplo, em sistemas embutidos conectados à nuvem). Essas tarefas precisam ser definidas no nível de hardware, no nível de software, ou em ambos, e a seleção de componentes ditará o tempo de computação e a precisão dos resultados.

Processadores de Sinal Digital ICs vs. FPGAs

Áreas de aplicação como 5G e computação de borda estão se afastando dos FPGAs para poder de processamento em favor de SoCs personalizados e componentes de processador de sinal digital especializados. O crescimento neste mercado já está projetado para crescer a taxas semelhantes às do mercado de FPGA graças à facilidade de programação e maior especialização, e menor necessidade de paralelização. Devido a essas mudanças na paisagem do mercado e requisitos dos dispositivos, ajuda comparar as opções de processador de sinal digital IC com FPGAs, pois eles podem realizar as mesmas funções, mas de maneiras diferentes e com diferentes métricas de desempenho.

Ambos os tipos de componentes podem realizar operações aritméticas de ponto fixo e ponto flutuante, eles têm pegadas semelhantes e custo similar por operação aritmética em alguns casos. No entanto, eles têm conjuntos de recursos diferentes, curvas de aprendizado de programação diferentes e níveis completamente diferentes de especialização. FPGAs oferecem programação altamente personalizável, enquanto DSPs são destinados a aplicações de processamento de sinal especializadas (daí o nome). Apenas alguns FPGAs mistos especializados incluem blocos ADC/DAC, enquanto a maioria dos DSPs de alto desempenho incluirá blocos DAC/ADC para interface com sensores e outros instrumentos.

Para resumir, quando você precisa de um processador que oferece alta personalização com recursos compartilháveis, velocidade de processamento mais rápida e paralelização significativa, você terá cálculos mais rápidos e menor custo por MAC, a escolha melhor é um FPGA. No entanto, se a velocidade não for o fator crítico, e você precisar de recursos integrados específicos, você estará melhor usando um circuito integrado de processador de sinal digital. Em taxas de clock/MAC mais baixas, você verá cálculos mais rápidos com custo por MAC semelhante ao de um FPGA.

Um circuito integrado de processador de sinal digital precisará se interfacear com outros componentes por meio de protocolos padrão.

Benchmarks de Processador de Sinal Digital IC

Existem algumas diretrizes importantes a considerar ao selecionar um circuito integrado de processador de sinal digital:

• Taxa de multiplicação-acumulação (MAC): Isso está relacionado ao ponto seguinte, mas também depende da profundidade de bits para suas operações de ponto fixo ou flutuante. Este é o principal benchmark usado para avaliar o desempenho de um circuito integrado de processador de sinal digital.
• Taxa de Clock/Instrução: As taxas de instrução são normalmente medidas em MIPS (milhões de instruções por segundo) ou como um valor de tempo de ciclo.
• Desempenho contra algoritmos de referência: Medidas específicas dos tempos de cálculo para algoritmos de referência fornecem um benchmark com o qual comparar seus próprios algoritmos. Dois algoritmos de referência comuns são filtragem de resposta ao impulso finito e FFT.
• Acesso a periféricos integrados: Esses ICs normalmente oferecem múltiplas I/Os programáveis e interfaces em um único pacote para interação com outros componentes. Preste atenção aos protocolos de sinalização disponíveis no seu IC.
• Custo: uma das vantagens desses componentes é o seu desempenho superior para tarefas de processamento de sinal com custo inferior ao de MCUs ou FPGAs comparáveis (veja acima). Muitas vezes, há pouca vantagem em comprar mais do que o necessário, a menos que você precise de acesso a mais periféricos ou interfaces externas.

Opções de IC de Processador de Sinal Digital de Alto Desempenho

Estas opções fornecem cálculos mais rápidos e precisos em comparação com seus equivalentes em FPGA em taxas de clock similares e com custo similar. A curva de aprendizado de programação também é mais fácil para esses componentes, o que ajuda muitos designers a colocar novos produtos em produção mais rapidamente do que quando um FPGA é usado.

Texas Instruments, TMS320C6720BRFP200

O TMS320C6720BRFP200 da Texas Instruments é um IC de processador de sinal digital de baixo custo que suporta computações de ponto fixo de 32 bits, ponto flutuante de 32 bits (precisão simples) ou ponto flutuante de 64 bits (precisão dupla). Algumas aplicações ideais para este componente incluem sistemas de áudio de alto desempenho (por exemplo, efeitos em tempo real, síntese de áudio, modelagem de instrumentos, codificação/transmissão), imagem médica (por exemplo, tomografia 3D e processamento de imagem), biometria e outras aplicações que requerem tarefas de processamento de sinal especializadas.

Este componente não inclui blocos ADC/DAC, embora inclua 2 interfaces SPI e 2 I2C para conexão com componentes externos de ADC/DAC. Este componente também inclui uma Interface Universal de Porta de Host (UHPI), onde um CPU host externo pode acessar memórias no componente em paralelo. Ao contrário de alguns outros ICs de processador de sinal digital, há algum nível de paralelização nos cálculos:

A 350 MHz, a CPU é capaz de um desempenho máximo de 2800 MIPS/2100 MFLOPS executando até oito instruções (seis das quais são instruções de ponto flutuante) em paralelo a cada ciclo. A CPU suporta nativamente aritmética de ponto fixo de 32 bits, ponto flutuante de precisão simples de 32 bits e ponto flutuante de precisão dupla de 64 bits [do datasheet do TMS320C6720BRFP200]

Diagrama de blocos funcionais para o processador de sinal digital IC TMS320C6720BRFP200. Do datasheet do TMS320C6720BRFP200.

Analog Devices, ADSP-21161NCCAZ100

O ADSP-21161NCCAZ100 da Analog Devices é outro processador de sinal digital IC que visa aplicações de áudio, vídeo, médicas e industriais. Este componente BGA oferece muitos mais periféricos integrados, incluindo 1 Mbit de SRAM integrada, 16 fluxos Tx/Rx via I2S, um barramento SPI e uma interface JTAG. Ele suporta formatos de dados de ponto fixo de 32 bits, ponto flutuante de 32 bits (precisão simples) e ponto flutuante de 40 bits (precisão estendida) a até 660 MFLOPS.

Como um algoritmo de avaliação de referência, este componente completa um cálculo FFT complexo de 1024 pontos em apenas 92 μs e um filtro de resposta ao impulso finito a 5 ns por toque (taxa de instrução de 100 MHz). Isso torna o processador ideal para aplicações de processamento de áudio e imagem em tempo real. Os tempos de cálculo para algoritmos de referência importantes são mostrados abaixo.

Desempenho do ADSP-21161NCCAZ100 contra algoritmos de referência. Do datasheet do ADSP-21161NCCAZ100.

Texas Instruments, 66AK2E05XABDA4

O 66AK2E05XABDA4 processador de sinal digital IC tem um custo mais alto que o componente da TI mostrado acima, mas oferece uma velocidade de processamento muito mais rápida e acesso a muitos mais periféricos. Ele também pode se interfacear com 2 interfaces USB 3.0 e 2 periféricos PCIe. Além disso, fornece 32x GPIO, 2x UART e 3x interfaces SPI, bem como 1 GBE e 10 GBE Ethernet. Tudo é construído em um quad-core ARM A15 com taxa de clock de 1.4 GHz. Para capacidades de processamento, este componente fornece cálculos de ponto fixo de 32 bits (38.4 GMACS/Core @ 1.2 GHz) e ponto flutuante (19.2 GFlops/Core @ 1.2 GHz). O 66AK2E05XABDA4 inclui uma interface EMIF DDR3 SDRAM de 64 bits e 1,5-V.

Diagrama de blocos funcionais para o processador de sinal digital IC 66AK2E05XABDA4. Do datasheet do 66AK2E05XABDA4.

Quando você está procurando por um processador de sinal digital IC, você encontrará todas as peças mostradas acima e muitas outras opções em Octopart. Você também encontrará muitas opções de componentes de suporte para sua próxima PCB.

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