сигнальный процессор что это
Руководство новичка по цифровой обработке сигналов (DSP)
Этот документ описывает основные концепции цифровой обработки сигналов (DSP), а также содержит разнообразные ссылки на источники более детальной информации.
Что такое DSP?
Цифровые сигнальные процессоры (DSP, Digital Signal Processors) принимают на вход предварительно оцифрованные физические сигналы, например, звук, видеоизображение, показания температуры, давления и положения, и производят над ними математические манипуляции. Внутренняя структура цифровых сигнальных процессоров специально разрабатывается таким образом, чтобы они могли очень быстро выполнять такие математические функции, как “сложение”, “вычитание”, “умножение” и “деление”.
Сигналы необходимо обработать так, чтобы информация, которую они содержат, могла быть отображена графически, проанализирована или преобразована в полезный сигнал иного типа. В реальном мире обнаружение сигналов, соответствующих физическим явлениям, таким как звук, свет, температура или давление, и манипуляции ими осуществляется аналоговыми компонентами. Затем, аналого-цифровой преобразователь берет реальный сигнал и преобразовывает его в цифровой формат в виде последовательности нулей и единиц. На данном этапе в процесс вступает цифровой сигнальный процессор, который осуществляет сбор оцифрованной информации и ее обработку. Далее он выдает оцифрованную информацию обратно в реальный мир для дальнейшего использования. Выдача информации осуществляется одним из двух способов – в цифровом или в аналоговом формате. Во втором случае оцифрованный сигнал пропускается через цифро-аналоговый преобразователь. Все эти действия выполняются на очень высокой скорости.
Для иллюстрации этой концепции рассмотрим приведенную ниже блок-схему, на которой показано, как цифровой сигнальный процессор используется в составе MP3 аудиоплеера. В фазе записи аналоговый звуковой сигнал поступает в систему от приемника или иного источника. Этот аналоговый сигнал преобразовывается в цифровой сигнал при помощи аналого-цифрового преобразователя и передается в цифровой сигнальный процессор. Цифровой сигнальный процессор выполняет кодирование в формат MP3 и сохраняет файл в память. В фазе воспроизведения файл извлекается из памяти, декодируется цифровым сигнальным процессором и преобразовывается при помощи цифро-аналогового преобразователя обратно в аналоговый сигнал, который может быть воспроизведен в акустической системе. В более сложном примере цифровой сигнальный процессор может выполнять дополнительные функции, например, регулировку громкости, частотную компенсацию и обеспечение интерфейса пользователя.
Информация, формируемая цифровым сигнальным процессором, может быть использована компьютером, например, для управления системами безопасности, телефонами, домашними кинотеатрами или сжатием видеоизображений. Сигналы могут подвергаться сжатию (компрессии) для более быстрой и эффективной передачи из одного места в другое (например, в системах телеконференций для передачи речи и видеоизображений по телефонным линиям). Сигналы также могут подвергаться дополнительной обработке для повышения их качества или предоставления информации, которая изначально недоступна для восприятия человеком (например, в задачах эхокомпенсации в мобильных телефонах или компьютерного улучшения качества изображений). Физические сигналы могут обрабатываться и в аналоговой форме, однако цифровая обработка обеспечивает повышенное качество и быстродействие.
Поскольку цифровой сигнальный процессор является программируемым, он может быть использован в самых разнообразных задачах. При создании проекта вы можете написать собственное программное обеспечение или использовать программное обеспечение, обеспечиваемое компанией Analog Devices или сторонними компаниями.
Более подробную информацию о преимуществах применения цифровых сигнальных процессоров при обработке сигналов реального мира вы можете найти, прочитав первую часть статьи Цифровая обработка сигналов 101 – Вводный курс в проектирование систем цифровой обработки сигналов, которая называется “Зачем нужен цифровой сигнальный процессор?”
Что находится внутри цифрового сигнального процессора (DSP)?
Цифровой сигнальный процессор включает в себя следующие ключевые компоненты:
Рекомендуемая литература
Для получения подробной информации о процессорах и прецизионных аналоговых микроконтроллерах компании Analog Devices мы предлагаем вам ознакомиться со следующими ресурсами:
Цифровая обработка сигналов – это сложный предмет, и он способен ошеломить даже наиболее опытных профессионалов в области цифровых сигнальных процессоров. Здесь мы дали лишь краткий обзор, но компания Analog Devices также предлагает дополнительные ресурсы, содержащие более подробную информацию о цифровой обработке сигналов:
Практические занятия по цифровым сигнальным процессорам являются быстрым и эффективным способом ознакомиться с применением цифровых сигнальных процессоров компании Analog Devices. Они позволят вам овладеть уверенными практическими навыками работы с цифровыми сигнальными процессорами Analog Devices через курс лекций и практических упражнений. Расписание и информацию о регистрации вы можете найти на странице Обучение и разработка.
Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, в то время как другие являются дополнительными и нужны лишь для функциональных действий. Мы собираем данные для улучшения наших продуктов и услуг. Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы обеспечить максимальную функциональность, которую может предоставить наш сайт. Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть подробные сведения о файлах cookie. Узнайте больше о политике конфиденциальности.
Используемые нами файлы cookie можно классифицировать следующим образом:
Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library
Персональные инструменты
DSP (Digital Signal Processor)
Реальный масштаб времени (реальное время работы, Real Time Scale) – это такой режим работы устройства, при котором регистрация и арифметическая обработка (а при необходимости и анализ, визуализация, сохранение, систематизация, синтез и передача по каналам связи) данных производится без потерь информации, поступающей от ее источника
Содержание
Описание
Цель DSP
Цель DSP состоит в том, чтобы обычно измерять, фильтровать и/или сжимать непрерывные реальные аналоговые сигналы. Большинство микропроцессоров общего назначения могут также успешно выполнить алгоритмы цифровой обработки сигналов, но у выделенного DSP обычно есть лучшая степень эффективности, таким образом, они более подходят в портативных устройствах, таких как мобильные телефоны, из-за ограничений потребляемой мощности. DSP часто использует специальную архитектуру памяти, которая в состоянии выбрать многократные данные и/или инструкции одновременно.
Цифровая обработка
Алгоритмы цифровой обработки сигналов обычно требуют быстрое выполнение большого количество математических операций и неоднократность на ряде выборок данных. Сигналы (возможно, от аудио или видео) постоянно преобразовываются из аналогового в цифровой сигнал, используются в цифровой форме, и затем преобразовываются назад в аналоговую форму. У многих приложений DSP есть ограничения на задержку; т.е. для системы, чтобы функционировать, операция DSP должна быть завершена в некотором установленном времени и задержана, обработка не жизнеспособна.
Преимущества DSP
Большинство микропроцессоров общего назначения и операционных систем могут успешно выполнить алгоритмы DSP, но не подходят для использования в портативных устройствах, таких как мобильные телефоны из-за ограничений эффективности питания. А специализированный, цифровой сигнальный процессор, однако, имеет тенденцию предоставлять решение меньшей стоимости, с лучшей производительностью, более низкой задержкой и без необходимости специализированного охлаждения или больших батарей.
Архитектура
Архитектура и ее особенности
Архитектура ЦСП имеет ряд особенностей, в отличии от микропроцессоров общего применения. Она заключается в максимальном ускорении выполнения однотипных задач по цифровой обработке сигналов (поиск сигналов, преобразование Фурье и т.п.). В математике такие задачи приводятся к более простым по правилу «разделяй и властвуй». В нашем случае таким типом подзадач является поэлементное произведение элементов многокомпонентных векторов действительных чисел(это числа, которые могут быть записаны в виде конечной или бесконечной (периодической или непериодической) десятичной дроби.) и последующему суммированию результатов произведения.
Исходя из этого, процессоры специально оптимизируют под определенные операции(в нашем случае под перемножение и суммирование). В следствии чего растет производительность и быстродействие. Первоочередно ЦСП направлены на многократное умножение с очень быстрым расчетом адресов перемножаемых элементов массивов:
Однако архитектура изменялась из-за ограниченности аппаратных ресурсов первых ЦСП. Память делилась на независимые сегменты, детерминированная работа команд(время выполнения известно) дала начало планированию работы в реальном времени, из-за маленького конвейера несанкционированные переходы происходят гораздо быстрее чем в универсальных, редкий набор регистров и инструкций.
Архитектура программного обеспечения
Цифровые сигнальные процессоры иногда используют жестко фиксированное по времени кодирование, чтобы упростить аппаратные средства и эффективность кодирования умножения. Многократные арифметические модули могут потребовать, чтобы архитектура памяти поддерживала несколько выполнений за командный цикл. Специальные средства управления циклом, такие как архитектурная поддержка выполнения нескольких командных слов в очень трудном цикле, без издержек для вызовов команды или тестирования выхода.
Аппаратная архитектура
Архитектура памяти
DSP обычно оптимизируется под потоковую передачу данных и использует специальную архитектуру памяти, которая в состоянии выбрать многократные данные и/или инструкции одновременно, такие как Гарвардская архитектура или измененная архитектура фон Неймана, которые используют отдельную программу и памяти данных (иногда даже параллельный доступ на многократных шинах данных).
Адресация и виртуальная память
DSPS часто использует многозадачные операционные системы, но не имеет никакой поддержки виртуальной памяти или защиты. Операционные системы, которые используют виртуальную память, требуют большего количества времени для переключения среди процессов, которое увеличивает задержку.
Примеры: TMS320Cхххх, ADSP-21XX
Особенности ЦСП
Характерные особенности ЦСП (DSP):
Основные параметры ЦСП
Основные параметры ЦСП:
Сферы применения
Выделяют достаточно много сфер применения ЦСП.
Сферы применения DSP:
Зачастую, это сферы, где необходима быстродействующая обработка каких либо сигналов (информации).
История
В 1976г. году Ричард Уиггинс предложил концепцию «Speak & Spell» Полу Бредлову, Ларри Брантингхаму, и Джину Францу в научно-исследовательском центре Texas Instruments (Даллас). Два года спустя, в 1978г., они создали первую «Speak & Spell» с технологической главной центральной частью, являющейся TMS5100, как первый цифровой сигнальный процессор отрасли. Это также влекло другие этапы, будучи первой микросхемой, для использования кодирования с линейным предсказанием, чтобы выполнить речевой синтез.
В свою очередь, Intel 1978г. производил «процессор аналогового сигнала»-2920. Он включал конвертер из аналогового сигнала в цифровой и обратно, на микросхеме с встроенным внутрь сигнальным процессором, но он не обладал аппаратным множителем и не пользовался спросом на рынке. В 1979г. AMI выпускал периферийный прибор обработки данных-S2811. Он создавался, как связующее устройство микропроцессора, со способностью настройки владельцем. S2811, аналогично, не пользовался спросом на рынке.
В 1980г. реализован первый автономный процессор: DSP – NEC µPD7720 и AT&T DSP1 – были представлены на МК(Международной Конференци) Твердотельных схем ’80. Эти два процессора вдохновили исследование в телекоммуникациях PSTN.
Около пяти лет назад начало распространяться 2-е поколение ЦСП. У них было 3-и памяти для хранения 2-х операндов в одно и то же время, и включали аппаратные средства, для ускорения сложных циклов, а также существовал наименьший адресуемый элемент, способный к адресации цикла. Какие-то из них управляются на 24-х-разрядных переменных и похожей модели, но для MAC затратилось 21 нс. Это такие устройства, как: AT&T DSP16A, Motorola 56000.
Четвертое поколение лучше всего характеризуется изменениями в системе команд и кодировании/декодировании инструкции. Были добавлены расширения SIMD, VLIW и появились суперскалярная архитектура. Как всегда, тактовые частоты увеличились, MAC потребовал 3 нс.
Цифровой сигнальный процессор/DSP
Определение
Цифровой сигнальный процессор (ЦСП) — это специализированный микропроцессорный (или SIP-блок) чип, архитектура которого оптимизирована для оперативных нужд цифровой обработки сигналов. ЦСП изготавливаются на МОП-интегральных микросхемах. Они широко использованы в обработке звукового сигнала, радиосвязи, цифровой обработке изображений, радиолокации, сонаре и системах распознавания речи, в общих электронных устройствах потребителя, таких как мобильные телефоны, приводы диска и телевидении высокой четкости (HDTV).
Цель DSP обычно заключается в измерении, фильтрации или сжатии непрерывных аналоговых сигналов. Большинство микропроцессоров общего назначения также могут выполнять алгоритмы цифровой обработки сигналов, но могут не успевать за такой обработкой в реальном времени. Кроме того, ЦСП обычно обладают лучшей энергоэффективностью, поэтому они больше подходят для портативных устройств, таких как мобильные телефоны, из-за ограничений энергопотребления. ЦСП часто используют специальные архитектуры памяти, которые способны извлекать несколько данных или команды одновременно. ЦСП часто реализуют технологию сжатия данных, в частности — дискретное косинусное преобразование (DCT), это широко используемая технология сжатия для ЦСП.
Описание
Алгоритмы цифровой обработки сигналов обычно требуют быстрого и многократного выполнения большого количества математических операций над серией выборок данных. Сигналы (возможно, от аудио-или видеосенсоров) постоянно преобразуются из аналоговых в цифровые, обрабатываются цифровым способом, а затем преобразуются обратно в аналоговую форму. Многие приложения ЦСП имеют ограничения на задержку; то есть для работы системы операция ЦСП должна быть завершена в течение фиксированного времени, и отложенная (или пакетная) обработка не жизнеспособна.
Большинство универсальных микропроцессоров и операционных систем могут успешно выполнять алгоритмы ЦСП, но не подходят для использования в портативных устройствах, таких как мобильные телефоны и КПК, из-за ограничений энергоэффективности. Специализированный ЦСП, однако, стремится обеспечить более дешевое решение с лучшей производительностью, более низкой задержкой и отсутствием требований к специализированному охлаждению или большим батареям.
Такие улучшения производительности привели к внедрению цифровой обработки сигналов на коммерческих спутниках связи, где для приема и обработки восходящих сигналов и подготовки их к исходящей связи требуются сотни или даже тысячи аналоговых фильтров, коммутаторов, преобразователей частоты и т. д., которые можно заменить специализированными ЦСП со значительными облегчением веса спутников, снижения энергопотребления, сложности/стоимости конструкции, увеличения надежности и гибкости эксплуатации. Например, спутники SES-12 и SES-14 от оператора SES, запущенные в 2018 году, были построены «Airbus Defence and Space», где 25% мощности обеспечено ЦСП.
Архитектура ЦСП оптимизирована специально для цифровой обработки сигналов. Большинство поддерживает некоторые функции в качестве процессора приложений или микроконтроллера, поскольку обработка сигналов редко является единственной задачей системы. Некоторые полезные функции для оптимизации алгоритмов ЦСП описаны ниже.
Принцип работы
Архитектура программного обеспечения
По стандартам процессоров общего назначения наборы команд ЦСП часто очень нерегулярны; в то время как традиционные наборы команд состоят из более общих команд, которые позволяют им выполнять более широкий спектр операций. Наборы команд, оптимизированные для цифровой обработки сигналов, содержат команды для общих математических операций, которые часто происходят в вычислениях ЦСП. Как традиционные, так и оптимизированные для ЦСП наборы команд могут вычислять любую произвольную операцию, но операция, для выполнения которой может потребоваться несколько команд ARM или x86, может потребовать только одну команду в оптимизированном для DSP наборе команд.
Одним из следствий для архитектуры программного обеспечения является то, что оптимизированные вручную процедуры ассемблерного кода обычно упаковываются в библиотеки для повторного использования, вместо того чтобы полагаться на передовые технологии компилятора для обработки основных алгоритмов. Даже при современных компиляторах оптимизированный вручную ассемблерный код является более эффективным, и многие общие алгоритмы, участвующие в вычислениях ЦСП, написаны вручную, чтобы в полной мере использовать преимущества архитектурных оптимизаций.
Операции по совмещенному умножению-сложению.
широко используется во всех видах матричных операций:
свертка функций для фильтрации;
фундаментальные алгоритмы ЦСП сильно зависят от производительности многократного накопления
Быстрое преобразование Фурье (БПФ).
Команды по увеличению параллельности:
SIMD (одиночный поток команд, множественный поток данных, ОКМД);
VLIW («очень длинная машинная команда»);
Специализированные команды для сравнения по модулю в кольцевых буферах и режиме адресации с обратным битом для перекрестных ссылок FFT.
DSP иногда используют нестационарное кодирование для упрощения аппаратного обеспечения и повышения эффективности кодирования.
Несколько арифметических блоков могут потребовать архитектуры памяти для поддержки нескольких обращений за цикл команд.
Специальные элементы управления циклом, такие как архитектурная поддержка для выполнения нескольких командных слов в очень плотном цикле без накладных расходов для выборки команд или тестирования выхода.
Насыщенная арифметика, при этом операции, которые производят перерасход, будут накапливаться с максимальным (или минимальным) значением, которое регистр может хранить, а не обходить (максимум+1 как во многих процессорах общего назначения, а не остается на максимальном уровне). Иногда доступны различные режимы работы sticky-бит.
Арифметика с фиксированной точкой часто используется для ускорения арифметической обработки.
Одноцикловые операции для увеличения преимуществ конвейерной обработки
Блок с плавающей запятой интегрирован непосредственно в операционный автомат;
Высоко параллельные операции по совмещенному умножению-сложению (блоки MAC);
Аппаратное управление циклом, чтобы уменьшить или устранить усилия, необходимые для операций цикла.
В инжиниринге аппаратная архитектура означает набор физических компонентов системы и их взаимосвязь. Это описание называют моделью проектирования оборудования. Оно позволяет разработчикам оборудования понять как их компоненты вписываются в системную архитектуру и предоставляет разработчикам компонентов программного обеспечения важную информацию, необходимую для разработки и интеграции программного обеспечения. Четкое определение аппаратной архитектуры позволяет различным традиционным инженерным дисциплинам (например, электротехнике и машиностроению) более эффективно работать вместе для разработки и производства новых машин, устройств и компонентов.
Аппаратное обеспечение также является выражением, используемым в компьютерной индустрии, чтобы отличить аппаратное обеспечение от программного обеспечения, которое работает на нем. Но аппаратное обеспечение, в рамках дисциплин автоматизации и программной инженерии, не обязательно должно быть просто компьютером. Современный автомобиль использует гораздо больше программного обеспечения, чем космический корабль «Аполлон». Кроме того, современный самолет не может функционировать без выполнения десятков миллионов компьютерных команд, встроенных и распределенных по всему самолету и расположенных как в стандартном компьютерном оборудовании, так и в специализированных аппаратных компонентах, таких как проводные логические элементы IC, аналоговые и гибридные устройства и другие цифровые компоненты. Необходимость эффективного моделирования того как отдельные физические компоненты объединяются в сложные системы важна для широкого спектра применений, включая компьютеры, персональные цифровые помощники (КПК), сотовые телефоны, хирургические приборы, спутники и подводные лодки.
ЦСП обычно оптимизированы для потоковой передачи данных и используют специальные архитектуры памяти, которые могут извлекать несколько данных или команд одновременно, такие как архитектура Гарварда или модифицированная архитектура фон Неймана, которые используют отдельные программы и память данных (иногда даже одновременный доступ на нескольких шинах данных).
ЦСП иногда могут полагаться на поддержку кода, чтобы узнать об иерархиях кэша и связанных с ними задержках. Это компромисс, который позволяет повысить производительность. Широко используется прямой доступ к памяти (DMA).
Адресация и виртуальная память
ЦСП часто используют многозадачные операционные системы, но не поддерживают виртуальную память или защиту памяти. Операционные системы, использующие виртуальную память, требуют больше времени для переключения между процессами,что увеличивает задержку.
Аппаратная адресация по модулю:
Позволяет реализовать кольцевой буферы, не тестируя на оборот.
Бит-обратная адресация, специальный режим адресации памяти:
полезно для вычисления БПФ.
Исключение блока управления памятью;
Устройство для формирования адреса.
История
До появления автономных чипов цифрового сигнального процессора (ЦСП) ранние приложения цифровой обработки сигналов обычно реализовывались чипами с микропроцессорной секцией. Такой чип AMD 2901 bit-slice был очень популярным. Были эталонные конструкции от AMD, но очень часто конкретный чип была разработан для конкретного приложения. Эта архитектура микропроцессорных секций иногда включала в себя периферийный чип-мультипликатор. Примерами были серии от TRW: TDC1008 и TDC1010, некоторые из них включали аккумулятор, обеспечивающий необходимую функцию совмещенного умножения-сложения (MAC).
В 1970-х обработка сигналов значительно изменилась благодаря широкому внедрениею МОП-структур, которые были изобретены Мохаммедом М. Аталлой и Дауном Кангом в 1959 году. Технология МОП-структур была основой для первых однокристальных микропроцессоров и микроконтроллеров в начале 1970-х годов, а затем первых однокристальных ЦСП в конце 1970-х годов.
Еще одним важным достижением в области цифровой обработки сигналов стало сжатие данных. Линейное прогностическое кодирование (LPC) было впервые разработано Фумитадой Итакурой из Нагойского университета и Сюзо Сайто из «Nippon Telegraph and Telephone» (NTT) в 1966 году, а затем дополнено Бишну С. Аталом и Манфредом Р. Шредер в «Bell Labs» в начале-середине 1970-х годов, став основой для первых чипов ЦСП синтезатора речи в конце 1970-х годов.
Дискретное косинусное преобразование (DCT) было впервые предложено Насиром Ахмедом в начале 1970-х годов и с тех пор широко внедряется в чипы ЦСП, причем многие компании разрабатывают чипы ЦСП на основе технологии DCT. DCT широко используются для кодирования, декодирования, кодирования видео, кодирования звука, мультиплексирования, сигналов управления, сигнализации, аналого-цифрового преобразования, форматирования яркости и цветовых различий, а также цветовых форматов, таких как YUV444 и YUV411. DST используются также для кодирования таких операций, как оценка движения, компенсация движения, межкадровое предсказание, квантование, перцептивного взвешивания, энтропийного кодирования, кодирования с переменной и вектором движения и декодирование операции: обратные операции между различными цветовыми форматами (YIQ, YUV и RGB). DST также широко используются для телевидения высокой четкости (HDTV).
В 1976 году Ричард Уиггинс предложил концепцию детской игрушки «Speack & Spell» («Говори и произнеси по буквам») Полу Бридлав, Ларри Брантингему, и Гену Франтцу из «Texas Instruments» в Далласе. Два года спустя, в 1978 году, они выпустили первый «Speak & Spell», технологической основой которого стал TMS5100, первый в отрасли цифровой сигнальный процессор. Он стал первым чипом, использующим линейное предсказательное кодирование для выполнения синтеза речи.
В 1978 году American Microsystems (AMI) выпустила S2811. AMI S2811 «периферийное устройство обработки сигналов», как и многие более поздние ЦСП, имеет аппаратный множитель, который позволяет ему выполнять операцию по совмещенному умножению-сложению в одной команде. S2281 был первым чипом интегральной схемы, специально разработанным в качестве ЦСП и изготовленный с использованием VMOS (V-groove MOS) технологии, которая ранее не производилась массово. Он был разработан как микропроцессорное периферийное устройство для Motorola 6800. В S2811 не был успешным на рынке.
В 1979 году Intel выпустила 2920 в качестве «аналогового сигнального процессора». У него был встроенный АЦП/ЦАП с внутренним сигнальным процессором, но он не имел аппаратного множителя и не был успешным на рынке.
В 1980 году на международной конференции по твердотельным схемам’ 80 были представлены первые автономные, полные ЦСП — NEC µPD7720 от Nippon Electric Corporation и AT&T DSP1. Оба процессора были вдохновлены исследованиями в области телекоммуникаций телефонной сети общего пользования. ΜPD7720, введенный для примения в частоте голоса, был одним из самых коммерчески успешных ЦСП.
Другой ЦСП производства «Texas Instruments» (TI), TMS32010, представленный в 1983 году, оказался еще более успешным. Он был основан на архитектуре Гарварда, и поэтому имел отдельную память команд и данных. У него уже был специальный набор команд типа загрузить-и-накопить или умножить-и-накопить. Он мог работать на 16-битных числах и требовал 390 мс для операции умножения-сложения. TI в настоящее время является лидером на рынке ЦСП общего назначения.
Примерно через пять лет началось распространение второго поколения ЦСП. Они имели 3 памяти для хранения двух операций одновременно и включали аппаратное обеспечение для ускорения жестких циклов; у них также был блок адресации, способный к циклической адресации. Некоторые из них работали на 24-битных переменных, и типичная модель требовала только 21 мс для MAC. К поколению этих ЦСП относились, например, AT&T DSP16A или Motorola 56000.
Главным улучшением в третьем поколении было появление специфичных для приложений блоков и команд в пути передачи данных, а иногда и в виде сопроцессоров. Эти блоки позволяли непосредственно аппаратно ускорять решение очень специфических, но сложных математических задач, таких как операции преобразования Фурье или матрицы. Некоторые чипы, такие как Motorola MC68356, даже включали в себя несколько процессорных ядер для параллельной работы.
Четвертое поколение лучше всего характеризуется изменениями в наборе команд и кодированием/декодированием команд. Были добавлены расширения SIMD,появились VLIW и суперскалярная архитектура. Как всегда, тактовые частоты увеличились; теперь стал возможен MAC на 3 мс.
Современные ЦСП
Современные сигнальные процессоры обеспечивают более высокую производительность; это отчасти объясняется как технологическими, так и архитектурными достижениями, такими как более низкие правила проектирования, двухуровневый кэш быстрого доступа, схемы DMA (E) и более широкая система шин. Не все ЦСП обеспечивают одинаковую скорость, и существует много видов сигнальных процессоров, каждый из которых лучше подходит для конкретной задачи, варьируясь по цене от 1,50 до 300 долларов США.
«Texas Instruments» производит ЦСП серии C6000, которые имеют тактовые частоты 1.2 GHz и снабжают отдельные команды и кэши данных. Они также имеют 8 MiB кэш 2-го уровня и 64 канала EDMA. Топовые модели способны выполнять до 8000 MIPS (миллионы команд в секунду), использовать VLIW (очень длинные машинные команды), выполнять восемь операций за такт и совместимы с широким спектром внешних периферийных устройств и различных шин (PCI/serial/etc). Чипы TMS320C6474 имеют по три таких ЦСП, а чипы нового поколения C6000 поддерживают обработку с плавающей точкой и фиксированной точкой.
Компании «Freescale» выпускает многоядерные семьи ЦСП, MSC81xx. MSC81xx базируется на архитектуре процессоров «starcore», основанной и последний MSC8144 ЦСП совмещает четыре программируемых SC3400 «starcore», основанные на ЦСП ядере. Каждое ядро Sc3400 StarCore ЦСП имеет тактовую частоту 1 ГГц.
«XMOS» производит многоядерную многопоточную линию процессоров, хорошо подходящую для операций ЦСП, они производяьтся с различными скоростями в диапазоне от 400 до 1600 MIPS. Процессоры имеют многопоточную архитектуру, которая позволяет использовать до 8 потоков в реальном времени на ядро,, что 4-ядерные устройства поддерживают до 32 потоков в реальном времени. Потоки связывают между собой буферизованными каналами, которые достигают 80 Мбит/с. устройства легко программируются на языке C и направлены на преодоление разрыва между обычными микроконтроллерами и FPGA.
«CEVA, Inc» производит и лицензирует три различных семейства ЦСП. Возможно, самым известным и наиболее широко распространенным является семейство ЦСП CEVA-TeakLite, классическая архитектура на основе памяти, с 16-битной или 32-битной шириной слов и одиночными или двойными компьютерами Mac. Семейство CEVA-X DSP предлагает комбинацию архитектур VLIW и SIMD, причем различные чипы семейства предлагают двойные или четырехъядерные 16-разрядные компьютеры Mac. Семейство CEVA-XC DSP нацелено на программно-определяемые модемы SDR и использует уникальную комбинацию VLIW и векторных архитектур с 32 16-разрядными Mac.
«Analog Devices» производят ЦСП, основанные на SHARC. Они представлены в диапазоне от 66 MHz/198 MFLOPS (миллионов операций с плавающей запятой в секунду) до 400 MHz/2400 MFLOPS. Некоторые модели поддерживают множественные мультипликаторы и ALU, команды SIMD и специфические аудио компоненты и периферийные устройства. Семейство «Blackfin» для встраиваемых цифровых сигнальных систем сочетает в себе функции ЦСП и процессоров общего назначения. В результате эти процессоры могут запускать простые операционные системы, такие как µCLinux, velocity и Nucleus RTOS, работая с данными в реальном времени.
«NXP Semiconducts» производят основанные на технологии ЦСП TriMedia VLIW, оптимизированные для обработки аудио и видео. В некоторых продуктах ядро ЦСП скрыто в виде фиксированного функционального блока в SoC, но NXP также предоставляет ряд гибких одноядерных медиапроцессоров. Медиапроцессоры TriMedia поддерживают как арифметику с фиксированной точкой, так и арифметику с плавающей точкой и имеют специальные команды для работы со сложными фильтрами и энтропийным кодированием.
«CSR» производит семейство SoC Quatro, которое содержит один или несколько пользовательских ЦСП изображений, оптимизированных для обработки данных изображений, документов для сканеров и копировальных аппаратов.
«Microchip Technology» производит ЦПС PIC24. Введенный в 2004, PIC созданы как ЦСП и микроконтроллер для управление мотором и электропитанием. цпPIC работает на скорости до 40 MIP, и имеет поддержку 16-битной фиксированной точки MAC, обратный бит и модульную адресацию, а также DMA.
Большинство ЦСП используют арифметику с фиксированной точкой, потому что в реальной обработке сигналов дополнительный диапазон, обеспечиваемый плавающей точкой, не требуется, и существует большое преимущество в скорости и стоимости из-за снижения аппаратной сложности. ЦСП с плавающей запятой могут быть неоценимы в приложениях, где требуется широкий динамический диапазон. Разработчики продуктов могут также использовать ЦСП с плавающей запятой для снижения стоимости и сложности разработки программного обеспечения в обмен на более дорогое оборудование, поскольку в целом проще реализовать алгоритмы с плавающей запятой.
Как правило, ЦСП являются специализированными интегральными схемами; однако функциональность ЦСП также может быть достигнута с помощью программируемых на местах микросхем стробирующих матриц (FPGA).
Встроенные универсальные RISC-процессоры становятся все более ЦСП-подобными по функциональности. Например, процессоры OMAP3 включают ARM Cortex-A8 и C6000 DSP.
Новый тип ЦСП, предлагающая слияние функций ЦСП и функции ускорения H/W, становится основной тенденцией. К таким модемным процессорам относятся ASOCS ModemX и CEVA XC4000.
В мае 2018, «Huarui-2» разработанный научно-исследовательским институтом Нанкина прошел утверждение. Скоростью обработки — 0.4 TFLOPS, чип может достигнуть лучших результатов, чем самые популярные сейчас ЦСП. Проектная группа начала создавать «Huarui-3», который имеет скорость обработки на уровне TFLOPS и поддержку искусственного интеллекта.