Варианты микросхем цифровой обработки сигналов для встраиваемых приложений

Микросхема цифрового сигнального процессора на встроенной базовой плате.

Ваши телефонные разговоры, потоковое видео, потоковая музыка, камера смартфона и многое другое не работали бы как задумано без микросхемы цифрового сигнального процессора. Во многих новых системах алгоритмы, выполняющие важные задачи цифровой обработки сигналов, интегрируются в SoC, выполняются как программное обеспечение на экземпляре встроенной ОС или просто переносятся в облако (например, в облачно-подключенных встроенных системах). Эти задачи необходимо определять на уровне аппаратного обеспечения, программного обеспечения или на обоих уровнях, а выбор компонентов будет определять время вычислений и точность результатов.

Микросхемы цифрового сигнального процессора против FPGA

Области применения, такие как 5G и edge computing, отходят от использования FPGA в пользу пользовательских SoC и специализированных компонентов микросхем цифрового сигнального процессора. Рост на этом рынке уже предполагается на уровне аналогичном рынку FPGA благодаря простоте программирования, большей специализации и меньшей потребности в параллелизации. Из-за этих изменений в ландшафте рынка и требованиях к устройствам полезно сравнить опции микросхем цифрового сигнального процессора с FPGA, поскольку они могут выполнять одни и те же функции, но разными способами и с разными показателями производительности.

Оба типа компонентов могут выполнять операции с фиксированной и плавающей точкой, они имеют схожие размеры и схожую стоимость за арифметическую операцию в некоторых случаях. Однако они имеют разные наборы функций, разные кривые обучения программированию и совершенно разные уровни специализации. FPGA предоставляют высоко настраиваемое программирование, в то время как DSP предназначены для специализированных приложений обработки сигналов (отсюда и название). Только некоторые специализированные смешанные FPGA включают блоки АЦП/ЦАП, в то время как большинство высокопроизводительных DSP будут включать блоки ЦАП/АЦП для взаимодействия с датчиками и другими приборами.

Подводя итог, когда вам нужен процессор, который обеспечивает высокую настраиваемость с общими ресурсами, более быструю скорость обработки и значительную параллелизацию, вы получите более быстрые вычисления и меньшую стоимость за MAC, лучшим выбором будет FPGA. Однако, если скорость не является критическим фактором, и вам нужны конкретные интегрированные функции, лучше использовать микросхему цифрового сигнального процессора. При более низких частотах тактового сигнала/MAC вы увидите более быстрые вычисления с аналогичной стоимостью за MAC, как у FPGA.

Микросхема цифрового сигнального процессора должна взаимодействовать с другими компонентами по стандартным протоколам.

Бенчмарки микросхем цифрового сигнального процессора

Существуют некоторые важные рекомендации, которые следует учитывать при выборе микросхемы цифрового сигнального процессора:

• Скорость операции умножения-накопления (MAC): Это связано с предыдущим пунктом, но также зависит от глубины бит для ваших операций с фиксированной или плавающей точкой. Это основной показатель, используемый для оценки производительности микросхемы цифрового сигнального процессора.
• Частота тактов/инструкций: Обычно измеряется в MIPS (мега-инструкций в секунду) или как значение времени цикла.
• Производительность по сравнению с эталонными алгоритмами: Конкретные измерения времени вычислений для эталонных алгоритмов дают вам базу для сравнения с вашими собственными алгоритмами. Два распространенных эталонных алгоритма - это фильтрация с конечной импульсной характеристикой и БПФ.
• Доступ к интегрированным периферийным устройствам: Эти микросхемы обычно предлагают несколько программируемых входов/выходов и интерфейсов в одном пакете для взаимодействия с другими компонентами. Обратите внимание на доступные в вашей микросхеме протоколы сигнализации.
• Стоимость: одно из преимуществ этих компонентов - их более высокая производительность для задач обработки сигналов при более низкой стоимости по сравнению с аналогичными МКУ или ПЛИС (см. выше). Часто мало преимуществ в покупке более дорогих моделей, если вам не нужен доступ к большему количеству внешних периферийных устройств или интерфейсов.

Варианты микросхем цифрового сигнального процессора высокой производительности

Эти варианты обеспечивают более быстрые и точные вычисления по сравнению с их аналогами на ПЛИС при аналогичных тактовых частотах и схожей стоимости. Кривая обучения программированию также проще для этих компонентов, что помогает многим разработчикам быстрее выводить новые продукты на рынок, чем при использовании ПЛИС.

Texas Instruments, TMS320C6720BRFP200

TMS320C6720BRFP200 от Texas Instruments - это микросхема цифрового сигнального процессора низкой стоимости, поддерживающая 32-битные вычисления с фиксированной точкой, 32-битные вычисления с плавающей точкой (одинарная точность) или 64-битные вычисления с плавающей точкой (двойная точность). Некоторые идеальные приложения для этого компонента включают высокопроизводительные аудиосистемы (например, эффекты в реальном времени, синтез звука, моделирование инструментов, кодирование/вещание), медицинскую визуализацию (например, 3D томографию и обработку изображений), биометрию и другие приложения, требующие специализированных задач обработки сигналов.

Этот компонент не включает в себя блоки АЦП/ЦАП, хотя он содержит 2 интерфейса SPI и 2 интерфейса I2C для подключения к внешним компонентам АЦП/ЦАП. Этот компонент также включает универсальный интерфейс порта хоста (UHPI), где внешний хост-CPU может получать доступ к памяти компонента параллельно. В отличие от некоторых других микросхем цифрового сигнального процессора, здесь присутствует некоторый уровень параллелизации вычислений:

При 350 МГц, процессор способен обеспечить максимальную производительность 2800 MIPS/2100 MFLOPS, выполняя до восьми инструкций (шесть из которых являются инструкциями с плавающей точкой) параллельно в каждом цикле. Процессор нативно поддерживает 32-битные вычисления с фиксированной точкой, 32-битные вычисления с одинарной точностью с плавающей точкой и 64-битные вычисления с двойной точностью с плавающей точкой [из технического описания TMS320C6720BRFP200]

Функциональная схема цифрового сигнального процессора TMS320C6720BRFP200. Из даташита TMS320C6720BRFP200.

Analog Devices, ADSP-21161NCCAZ100

ADSP-21161NCCAZ100 от Analog Devices - это ещё один цифровой сигнальный процессор, предназначенный для аудио, видео, медицинских и промышленных приложений. Этот компонент в корпусе BGA предлагает множество интегрированных периферийных устройств, включая 1 Мбит интегрированного SRAM, 16 потоков Tx/Rx через I2S, шину SPI и интерфейс JTAG. Он поддерживает 32-битные фиксированные точки, 32-битные плавающие точки (одинарная точность) и 40-битные плавающие точки (расширенная точность) форматы данных со скоростью до 660 MFLOPS.

В качестве алгоритма оценки производительности этот компонент выполняет расчёт комплексного FFT на 1024 точки всего за 92 мкс и фильтр конечной импульсной характеристики за 5 нс на кран (100 МГц частота инструкций). Это делает процессор идеальным для приложений обработки аудио и изображений в реальном времени. Времена расчёта для важных алгоритмов оценки производительности показаны ниже.

Производительность ADSP-21161NCCAZ100 против эталонных алгоритмов. Из даташита ADSP-21161NCCAZ100.

Texas Instruments, 66AK2E05XABDA4

66AK2E05XABDA4 цифровой сигнальный процессор стоит дороже, чем компонент TI, показанный выше, но он обеспечивает гораздо более высокую скорость обработки и доступ к гораздо большему количеству периферийных устройств. Он также может взаимодействовать с 2 интерфейсами USB 3.0 и 2 периферийными устройствами PCIe. Кроме того, он предоставляет 32x GPIO, 2x UART и 3x SPI интерфейсы, а также 1 GBE и 10 GBE Ethernet. Всё это построено на четырёхъядерном ARM A15 с тактовой частотой 1,4 ГГц. Для возможностей обработки этот компонент предоставляет 32-битные фиксированные точки (38,4 GMACS/Core @ 1,2 ГГц) и плавающие точки (19,2 GFlops/Core @ 1,2 ГГц) вычисления. 66AK2E05XABDA4 включает один 64-битный широкий, 1,5-В DDR3 SDRAM EMIF интерфейс.

Функциональная схема цифрового сигнального процессора 66AK2E05XABDA4. Из даташита 66AK2E05XABDA4.

Когда вы ищете цифровой сигнальный процессор, вы найдете все показанные выше детали и множество других вариантов на Octopart. Также вы найдете множество вариантов поддерживающих компонентов для вашей следующей печатной платы.

Чтобы быть в курсе наших последних статей, подпишитесь на нашу рассылку.