Типы и архитектура сигнальных процессоров
Первые сигнальные микропроцессоры появились в 1982 году, спустя 11 лет после создания однокристальных процессоров для систем управления. Их задействовали для обработки видео в видеомагнитофонах и телевизорах. При этом значительно возросла компактность и эффективность высококачественной обработки сигнала, появилось больше функций. Декор сигналов цветности перешел на новый качественный уровень.
Цифровые сигнальные процессоры сейчас называются DSP-процессоры (Digital Signal Processors). Они используются почти в любой сложной аппаратуре. Например, CPU (Central Processing Unit — что означает центральное обрабатывающее устройство) от компании Qualcomm имеют активное аппаратное шумоподавление и голосовой помощник с искусственным интеллектом (ИИ). Из чего состоит цифровой сигнальный процессор рассмотрим вместе со специалистами компании «ЗУМ-СМД».
Содержание:
Виды и структура DSP-процессоров
Почти все сигнальные микропроцессоры являются специализированными. Они рассчитаны для определенного круга задач.
Существуют такие виды:
- видеопроцессоры — используются для обработки и отображения видеоконтента на специализированных экранах или на мониторах со стандартизированными свойствами выходного сигнала. Существуют видеопроцессоры для видеокамер и детекторы видеосигнала радиочастотного или оптического канала;
- аудиопроцессоры — обрабатывают сигнал для устройств воспроизведения от звукоснимателей или детекторов радиоприемников. Классифицируются количеством каналов и числом задействованных функций;
- приемопередатчики — микропроцессорные устройства для оптических интерфейсов и радиоканалов;
- комбинированные процессоры — такие устройства могут одновременно работать в радиоканалах, обработке, записи и хранении различных медиа данных;
- специализированные микропроцессоры памяти — это устройства записи на магнитные, оптические, гибкие или жесткие диски, на твердотельные носители. В эту категорию можно отнести микроконтроллеры регенерации данных динамической памяти.
Микропроцессоры не в состоянии обрабатывать аналоговый сигнал, поэтому все DSP-процессоры содержат аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) на аналоговом входе и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на выходе каждой линии. Еще в недавних системах простой аудиопроцессор в системах содержал 5 — 7 каналов, а сейчас используются аудиосистемы с 8-и, 12-и даже 16-ю каналами воспроизведения звука. Каждый из них имеет свой АЦП и ЦАП.
То же самое касается процессоров для обработки сигналов с датчиков. На каждую линию аналогового входа требуется АЦП, а на каждый выход — по одному ЦАП. Так как DSP-процессоры работают преимущественно в режиме реального времени, параметры скорости для них имеют важное значение. Система должна всегда успевать выполнить требуемую обработку сигнала, иначе будут «зависания». А это для качественной аппаратуры никак не приемлемо.
Существует классификация по скорости обработки сигнала. Она выражается максимальной тактовой частотой. DSP-процессоры долгое время могут быть включенными при отсутствии самого сигнала, который может появиться в любое время. Таким образом для компактных устройств, работающих на аккумуляторах, разработан такой режим, как «сон» и даже «отключение питания». В этих экономичных режимах устройство потребляет небольшое количество тока.
«Пробуждение» обычно происходит очень быстро, пока начальная порция сигнала начинает конвертироваться в АЦП. В стандартном режиме классические процессоры при запуске начинают загружать в оперативную систему операционную программу и данные. Этот процесс может длиться несколько минут. Для DSP-процессоров такое количество затраченного времени непозволительно.
Скорость загрузки системы при включении устройства с сигнальным CPU, зависит от:
- быстродействия;
- типа оперативной памяти;
- архитектуры процессора.
Статическая память может загружаться один раз при включении устройства и сохраняться на протяжении всей работы устройства, даже сна. А для выделения/высвобождения динамической памяти требуется время. Поэтому для DSP-процессоров ее применение не всегда оправдано. Так как статическая память стоит дорого, то в бюджетных устройствах могут использовать псевдостатический вариант. Это когда динамическая память имеет устройство регенерации данных и настроена под свойства работы требуемого типа запоминающих устройств.
Статическая память более скоростная, поэтому ее использование в процессорах, обрабатывающих потоки информации в режиме реального времени, более предпочтительно.
Архитектура процессоров для обработки сигналов
Для успешной работы любого процессора требуется, чтобы все его элементы были хорошо структурированы, а программы и программные коды — стандартизированы. Иначе CPU не сможет понимать программное обеспечение, что приведет к сбоям систем. В современной процессорной технике выбор типа архитектуры больше привязан к производителю, который имеет лицензию на тот или иной ее тип.
Существует много архитектур для DSP-процессоров, особенно для специализированных вариантов устройств. Однако для широкого использования одинакового программного обеспечения требуется совместимость, которая невозможна при использовании CPU с разными архитектурами. Поэтому число современных архитектур стараются свести к минимуму. Рассмотрим некоторые основные виды:
- VLIW (very long instruction word — слишком большой командный код). В алгоритме работы такого процессора несколько команд выполняется параллельно. Отечественный процессор «Эльбрус-4С» работает по такой архитектуре;
- CISC (complex instruction set computer — компьютер с комплексным набором инструкций) с произвольной длиной команды. Арифметика выполняется одной командой, каждому регистру соответствует своя функция;
- RISC (reduced instruction set computer — сокращенный набор команд компьютера) широко используется для простых DSP-процессоров, настроенных на выполнение узкого круга задач. Дополнительным преимуществом к простоте является низкое энергопотребление;
- MISC (minimal instruction set computer — компьютер имеет минимальный набор команд) отличается минимальным количеством простых команд. Часто применяется для интернет-вещей в IoT-устройствах.
Перечисленные выше типы архитектуры называются неймановскими. В них сами программы и данные находятся в оперативной памяти, а CPU загружает их по очереди. Часто в DSP-процессорах используют еще гарвардскую архитектуру. Ее отличием является то, что данные и программные коды располагаются в разных типах памяти. Это самая часто используемая архитектура бытовой техники.
