Các Tùy chọn IC Bộ xử lý Tín hiệu Số cho Ứng dụng Nhúng

Vi mạch xử lý tín hiệu số trên một bo mạch nhúng.

Cuộc trò chuyện qua điện thoại, video phát trực tuyến, nhạc phát trực tuyến, camera điện thoại thông minh, và nhiều hơn nữa sẽ không hoạt động như thiết kế nếu không có vi mạch xử lý tín hiệu số. Trong nhiều hệ thống mới hơn, các thuật toán chạy các nhiệm vụ xử lý tín hiệu số quan trọng đang được tích hợp vào SoCs, được chạy như phần mềm trên một phiên bản OS nhúng, hoặc đơn giản là được chuyển giao cho đám mây (ví dụ, trong các hệ thống nhúng kết nối đám mây). Những nhiệm vụ này cần được định nghĩa ở cấp độ phần cứng, phần mềm, hoặc cả hai, và lựa chọn thành phần sẽ quyết định thời gian tính toán và độ chính xác của kết quả.

Vi mạch xử lý tín hiệu số so với FPGAs

Các lĩnh vực ứng dụng như 5G và tính toán biên đang chuyển từ FPGAs sang sức mạnh xử lý của SoCs tùy chỉnh và các thành phần vi mạch xử lý tín hiệu số chuyên biệt. Sự tăng trưởng trong thị trường này đã được dự báo sẽ tăng trưởng với tốc độ tương tự như thị trường FPGA nhờ vào sự dễ dàng trong lập trình và sự chuyên biệt hóa lớn hơn, và ít nhu cầu về song song hóa. Do những thay đổi trong cảnh quan thị trường và yêu cầu của thiết bị, việc so sánh các lựa chọn vi mạch xử lý tín hiệu số với FPGAs giúp ích vì chúng có thể thực hiện cùng một chức năng, nhưng theo các cách khác nhau và với các chỉ số hiệu suất khác nhau.

Cả hai loại thành phần đều có thể thực hiện các phép toán số học điểm cố định và điểm nổi, chúng có kích thước tương tự, và chi phí tương tự cho mỗi phép toán số học trong một số trường hợp. Tuy nhiên, chúng có các bộ tính năng khác nhau, đường cong học lập trình khác nhau, và hoàn toàn khác biệt về mức độ chuyên biệt. FPGAs cung cấp khả năng lập trình tùy chỉnh cao, trong khi DSPs được dành cho các ứng dụng xử lý tín hiệu chuyên biệt (do đó có tên). Chỉ một số FPGAs chuyên biệt về tín hiệu hỗn hợp bao gồm các khối ADC/DAC, trong khi hầu hết các DSPs hiệu suất cao sẽ bao gồm các khối DAC/ADC để kết nối với cảm biến và các thiết bị khác.

Tóm lại, khi bạn cần một bộ xử lý cung cấp khả năng tùy chỉnh cao với nguồn lực có thể chia sẻ, tốc độ xử lý nhanh hơn, và độ song song hóa đáng kể, bạn sẽ có các tính toán nhanh hơn và chi phí thấp hơn cho mỗi MAC, lựa chọn tốt hơn là FPGA. Tuy nhiên, nếu tốc độ không phải là yếu tố quan trọng, và bạn cần các tính năng tích hợp cụ thể, bạn sẽ tốt hơn khi sử dụng vi mạch xử lý tín hiệu số. Với tốc độ đồng hồ/MAC thấp hơn, bạn sẽ thấy các tính toán nhanh hơn với chi phí tương tự cho mỗi MAC như một FPGA.

Vi mạch xử lý tín hiệu số sẽ cần giao tiếp với các thành phần khác thông qua các giao thức tiêu chuẩn.

Điểm chuẩn của Vi mạch xử lý tín hiệu số

Có một số hướng dẫn quan trọng cần xem xét khi lựa chọn vi mạch xử lý tín hiệu số:

• Tốc độ nhân tích lũy (MAC): Điều này liên quan đến điểm sau, nhưng cũng phụ thuộc vào độ sâu bit cho các thao tác số cố định hoặc số dấu phẩy động của bạn. Đây là tiêu chuẩn chính được sử dụng để đánh giá hiệu suất của một IC xử lý tín hiệu số.
• Tốc độ Đồng hồ/Lệnh: Tốc độ lệnh thường được đo bằng MIPS (mega-lệnh mỗi giây) hoặc dưới dạng giá trị thời gian chu kỳ.
• Hiệu suất so với các thuật toán chuẩn: Các phép đo cụ thể về thời gian tính toán cho các thuật toán chuẩn cung cấp cho bạn một tiêu chuẩn để so sánh với các thuật toán của riêng bạn. Hai thuật toán chuẩn phổ biến là lọc phản ứng xung hữu hạn và FFT.
• Truy cập vào các ngoại vi tích hợp: Các IC này thường cung cấp nhiều I/O và giao diện lập trình được trên một gói duy nhất để kết nối với các thành phần khác. Hãy chú ý đến các giao thức tín hiệu có sẵn trong IC của bạn.
• Chi phí: một trong những lợi ích của các thành phần này là hiệu suất cao hơn cho các nhiệm vụ xử lý tín hiệu với chi phí thấp hơn so với các MCU hoặc FPGA tương đương (xem ở trên). Thường không có nhiều lợi ích khi mua quá mức trừ khi bạn cần truy cập vào nhiều ngoại vi hoặc giao diện bên ngoài hơn.

Các Tùy chọn IC Xử lý Tín hiệu Số Hiệu suất Cao

Các tùy chọn này cung cấp tính toán nhanh hơn, chính xác hơn so với các đối tác FPGA của chúng với tốc độ đồng hồ tương tự và chi phí tương tự. Đường cong học lập trình cũng dễ dàng hơn cho các thành phần này, giúp nhiều nhà thiết kế đưa sản phẩm mới vào sản xuất nhanh hơn so với khi sử dụng FPGA.

Texas Instruments, TMS320C6720BRFP200

TMS320C6720BRFP200 từ Texas Instruments là một IC xử lý tín hiệu số giá rẻ hỗ trợ tính toán 32-bit số cố định, 32-bit số dấu phẩy động (độ chính xác đơn), hoặc 64-bit số dấu phẩy động (độ chính xác kép). Một số ứng dụng lý tưởng cho thành phần này bao gồm hệ thống âm thanh hiệu suất cao (ví dụ, hiệu ứng thời gian thực, tổng hợp âm thanh, mô hình hóa nhạc cụ, mã hóa/phát sóng), hình ảnh y tế (ví dụ, chụp cắt lớp 3D và xử lý hình ảnh), sinh trắc học, và các ứng dụng khác yêu cầu các nhiệm vụ xử lý tín hiệu chuyên biệt.

Thành phần này không bao gồm các khối ADC/DAC, mặc dù nó bao gồm 2 giao diện SPI và 2 giao diện I2C để kết nối với các thành phần ADC/DAC bên ngoài. Thành phần này cũng bao gồm một Giao diện Universal Host-Port (UHPI), nơi một CPU chủ bên ngoài có thể truy cập vào bộ nhớ trên thành phần một cách song song. Không giống như một số IC xử lý tín hiệu số khác, có một số mức độ song song hóa trong các phép tính:

Ở 350 MHz, CPU có khả năng hiệu suất tối đa là 2800 MIPS/2100 MFLOPS bằng cách thực hiện tối đa tám lệnh (sáu trong số đó là lệnh số dấu phẩy động) mỗi chu kỳ một cách song song. CPU hỗ trợ tự nhiên số cố định 32-bit, số dấu phẩy động độ chính xác đơn 32-bit, và số dấu phẩy động độ chính xác kép 64-bit [từ bảng dữ liệu TMS320C6720BRFP200]

Sơ đồ khối chức năng cho IC xử lý tín hiệu số TMS320C6720BRFP200. Từ bảng dữ liệu TMS320C6720BRFP200.

Analog Devices, ADSP-21161NCCAZ100

ADSP-21161NCCAZ100 từ Analog Devices là một IC xử lý tín hiệu số khác nhắm đến các ứng dụng âm thanh, video, y tế và công nghiệp. Thành phần BGA này cung cấp nhiều ngoại vi tích hợp hơn, bao gồm 1 Mbit SRAM tích hợp, 16 luồng Tx/Rx qua I2S, một bus SPI và giao diện JTAG. Nó hỗ trợ các định dạng dữ liệu điểm cố định 32-bit, điểm nổi 32-bit (độ chính xác đơn), và điểm nổi 40-bit (độ chính xác mở rộng) với tốc độ lên đến 660 MFLOPS.

Là một thuật toán đánh giá chuẩn, thành phần này hoàn thành tính toán FFT phức hợp 1024 điểm chỉ trong 92 μs và bộ lọc phản hồi xung hữu hạn tại 5 ns mỗi vòi (tốc độ chỉ thị 100 MHz). Điều này làm cho bộ xử lý này lý tưởng cho các ứng dụng xử lý âm thanh và hình ảnh thời gian thực. Thời gian tính toán cho các thuật toán đánh giá quan trọng được hiển thị dưới đây.

Hiệu suất của ADSP-21161NCCAZ100 đối với các thuật toán đánh giá chuẩn. Từ bảng dữ liệu ADSP-21161NCCAZ100.

Texas Instruments, 66AK2E05XABDA4

66AK2E05XABDA4 IC xử lý tín hiệu số có giá cao hơn so với thành phần TI được hiển thị ở trên, nhưng nó cung cấp tốc độ xử lý nhanh hơn và truy cập vào nhiều ngoại vi hơn. Nó cũng có thể kết nối với 2 giao diện USB 3.0 và 2 ngoại vi PCIe. Nó cũng cung cấp 32x GPIO, 2x UART và 3x giao diện SPI, cũng như 1 GBE và 10 GBE Ethernet. Mọi thứ đều được xây dựng trên một bộ vi xử lý ARM A15 bốn nhân với tốc độ đồng hồ 1.4 GHz. Về khả năng xử lý, thành phần này cung cấp các tính toán điểm cố định 32-bit (38.4 GMACS/Core @ 1.2 GHz) và điểm nổi (19.2 GFlops/Core @ 1.2 GHz). 66AK2E05XABDA4 bao gồm một giao diện EMIF DDR3 SDRAM rộng 64-bit, 1.5-V.

Sơ đồ khối chức năng cho IC xử lý tín hiệu số 66AK2E05XABDA4. Từ bảng dữ liệu 66AK2E05XABDA4.

Khi bạn đang tìm kiếm một IC xử lý tín hiệu số, bạn sẽ tìm thấy tất cả các bộ phận được hiển thị ở trên và nhiều lựa chọn khác trên Octopart. Bạn cũng sẽ tìm thấy nhiều lựa chọn cho các thành phần hỗ trợ cho PCB tiếp theo của bạn.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.