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Articulo de referencia

Procesador de señal digital

Un chip DSP L7A1045, como el que se usa en varios samplers de Akai y en la placa arcade Hyper Neo Geo 64. El NeXTcube de 1990 tenía un procesador de señal digital Motorola 68040...

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Un chip DSP L7A1045, como el que se usa en varios samplers de Akai y en la placa arcade Hyper Neo Geo 64.
El NeXTcube de 1990 tenía un procesador de señal digital Motorola 68040 (25  MHz) y un Motorola 56001  (también de 25 MHz), al que se podía acceder directamente a través de una interfaz.

Un procesador de señal digital ( DSP ) es un chip microprocesador especializado , cuya arquitectura está optimizada para las necesidades operativas del procesamiento de señales digitales . [ 1 ] : 104–107 [ 2 ] Los DSP se fabrican en chips de circuitos integrados de metal-óxido-semiconductor (MOS) . [ 3 ] [ 4 ] Se utilizan ampliamente en el procesamiento de señales de audio , telecomunicaciones , procesamiento de imágenes digitales , radar , sonar y sistemas de reconocimiento de voz , y en dispositivos electrónicos de consumo comunes como teléfonos móviles , unidades de disco y productos de televisión de alta definición (HDTV). [ 3 ]

El objetivo de un DSP suele ser medir, filtrar o comprimir señales analógicas continuas del mundo real . La mayoría de los microprocesadores de propósito general también pueden ejecutar algoritmos de procesamiento de señales digitales con éxito, pero es posible que no puedan mantener dicho procesamiento de forma continua en tiempo real. Además, los DSP dedicados suelen tener una mayor eficiencia energética, por lo que son más adecuados para dispositivos portátiles como teléfonos móviles debido a las limitaciones de consumo de energía. [ 5 ] Los DSP suelen utilizar arquitecturas de memoria especiales que pueden recuperar múltiples datos o instrucciones al mismo tiempo.

Descripción general

Un sistema de procesamiento digital típico

Los algoritmos de procesamiento digital de señales (DSP) suelen requerir que se realicen numerosas operaciones matemáticas de forma rápida y repetida sobre una serie de muestras de datos. Las señales (quizás procedentes de sensores de audio o vídeo) se convierten constantemente de analógicas a digitales, se manipulan digitalmente y, posteriormente, se vuelven a convertir a analógicas. Muchas aplicaciones de DSP tienen limitaciones de latencia ; es decir, para que el sistema funcione, la operación de DSP debe completarse en un tiempo fijo, y el procesamiento diferido (o por lotes) no es viable.

La mayoría de los microprocesadores y sistemas operativos de propósito general pueden ejecutar algoritmos DSP con éxito, pero no son adecuados para su uso en dispositivos portátiles como teléfonos móviles y PDA debido a las limitaciones de eficiencia energética. [ 5 ] Sin embargo, un DSP especializado suele ofrecer una solución de menor coste, con mejor rendimiento, menor latencia y sin necesidad de refrigeración especializada ni baterías de gran capacidad.

Estas mejoras en el rendimiento han propiciado la introducción del procesamiento digital de señales (DSP) en satélites de comunicaciones comerciales , donde se requieren cientos o incluso miles de filtros analógicos, conmutadores, convertidores de frecuencia, etc., para recibir y procesar las señales ascendentes y prepararlas para la transmisión descendente . Estos componentes pueden sustituirse por DSP especializados, lo que ofrece importantes ventajas en cuanto al peso, el consumo energético, la complejidad/coste de construcción, la fiabilidad y la flexibilidad operativa de los satélites. Por ejemplo, los satélites SES-12 y SES-14 del operador SES , lanzados en 2018, fueron construidos por Airbus Defence and Space, con un 25 % de su capacidad utilizando DSP. [ 6 ]

La arquitectura de un DSP está optimizada específicamente para el procesamiento de señales digitales. La mayoría también admite algunas de las características de un procesador de aplicaciones o un microcontrolador, ya que el procesamiento de señales rara vez es la única tarea de un sistema. A continuación, se describen algunas características útiles para optimizar los algoritmos de DSP.

Arquitectura

Arquitectura de software

En comparación con los procesadores de propósito general, los conjuntos de instrucciones DSP suelen ser muy irregulares. Mientras que los conjuntos de instrucciones tradicionales se componen de instrucciones más generales que les permiten realizar una mayor variedad de operaciones, los conjuntos de instrucciones optimizados para el procesamiento de señales digitales contienen instrucciones para operaciones matemáticas comunes que se presentan con frecuencia en los cálculos DSP. Tanto los conjuntos de instrucciones tradicionales como los optimizados para DSP pueden calcular cualquier operación arbitraria, pero una operación que podría requerir múltiples instrucciones ARM o x86 para su cálculo podría requerir solo una instrucción en un conjunto de instrucciones optimizado para DSP.

Una implicación para la arquitectura de software es que las rutinas de código ensamblador optimizadas manualmente (programas en ensamblador) se suelen empaquetar en bibliotecas para su reutilización, en lugar de depender de tecnologías de compilación avanzadas para gestionar algoritmos esenciales. Incluso con las optimizaciones de compiladores modernos, el código ensamblador optimizado manualmente es más eficiente, y muchos algoritmos comunes utilizados en cálculos de procesamiento digital de señales (DSP) se escriben manualmente para aprovechar al máximo las optimizaciones arquitectónicas.

Conjuntos de instrucciones

Instrucciones de datos

  • Aritmética de saturación , en la que las operaciones que producen desbordamientos se acumulan en los valores máximos (o mínimos) que el registro puede contener, en lugar de volver al valor inicial (máximo  + 1 no se desborda al mínimo, como en muchas CPU de propósito general, sino que permanece en el máximo). En ocasiones, están disponibles varios modos de operación de bits persistentes.
  • La aritmética de punto fijo se utiliza a menudo para acelerar el procesamiento aritmético.
  • Operaciones de ciclo único para aumentar los beneficios del transporte por tuberías .

Flujo del programa

Arquitectura de hardware

Arquitectura de memoria

Los DSP suelen estar optimizados para el procesamiento de datos en tiempo real y utilizan arquitecturas de memoria especiales capaces de obtener múltiples datos o instrucciones al mismo tiempo, como la arquitectura Harvard o la arquitectura von Neumann modificada , que utilizan memorias de programa y de datos separadas (a veces incluso acceso concurrente en múltiples buses de datos).

En ocasiones, los DSP pueden depender de código auxiliar para conocer las jerarquías de caché y los retardos asociados. Esto supone una compensación que permite un mejor rendimiento . Además, se emplea un uso extensivo de DMA .

Direccionamiento y memoria virtual

Los procesadores de señales digitales (DSP) suelen usar sistemas operativos multitarea, pero no admiten memoria virtual ni protección de memoria. Los sistemas operativos que usan memoria virtual requieren más tiempo para el cambio de contexto entre procesos , lo que aumenta la latencia.

Historia

Multiplicador-acumulador TRW TDC1010

Desarrollo

En 1976, Richard Wiggins propuso el concepto Speak & Spell a Paul Breedlove, Larry Brantingham y Gene Frantz en el centro de investigación de Texas Instruments en Dallas. Dos años después, en 1978, produjeron el primer Speak & Spell, cuyo componente tecnológico central fue el TMS5100 , [ 15 ] el primer procesador de señal digital de la industria. También marcó otros hitos, al ser el primer chip en utilizar codificación predictiva lineal para realizar síntesis de voz . [ 16 ] El chip fue posible gracias a un proceso de fabricación PMOS de 7 μm . [ 17 ]

En 1978, American Microsystems (AMI) lanzó el S2811. [ 3 ] [ 4 ] El "periférico de procesamiento de señales" AMI S2811, como muchos DSP posteriores, tiene un multiplicador de hardware que le permite realizar operaciones de multiplicación y acumulación en una sola instrucción. [ 18 ] El S2811 fue el primer chip de circuito integrado diseñado específicamente como un DSP y fabricado utilizando semiconductor de óxido metálico vertical ( VMOS , MOS de ranura en V), una tecnología que hasta entonces no se había producido en masa. [ 4 ] Fue diseñado como un periférico de microprocesador para el Motorola 6800 , [ 3 ] y tenía que ser inicializado por el host. El S2811 no tuvo éxito en el mercado.

En 1979, Intel lanzó el 2920 como un "procesador de señal analógica". [ 19 ] Tenía un ADC/DAC en el chip con un procesador de señal interno, pero no tenía un multiplicador de hardware y no tuvo éxito en el mercado.

En 1980, los primeros DSP completos e independientes, el NEC μPD7720 , basado en la arquitectura Harvard modificada [ 20 ] , y el DSP1 de AT&T , se presentaron en la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido de 1980. Ambos procesadores se inspiraron en la investigación sobre telecomunicaciones de redes telefónicas públicas conmutadas (PSTN) . El μPD7720, introducido para aplicaciones de banda de voz , fue uno de los primeros DSP de mayor éxito comercial. [ 3 ]

El Altamira DX-1 fue otro de los primeros procesadores de señales digitales (DSP), que utilizaba cuatro pipelines de enteros con bifurcaciones retardadas y predicción de bifurcaciones.

Otro DSP fabricado por Texas Instruments (TI), el TMS32010 , presentado en 1983, resultó ser un éxito aún mayor. Basado en la arquitectura Harvard, contaba con memoria de instrucciones y de datos independientes. Ya disponía de un conjunto de instrucciones especiales, como carga y acumulación o multiplicación y acumulación. Podía trabajar con números de 16 bits y requería 390  ns para una operación de suma y multiplicación. Actualmente, TI es líder del mercado en DSP de propósito general.

Aproximadamente cinco años después, comenzó a popularizarse la segunda generación de DSP. Estos procesadores contaban con tres memorias para almacenar dos operandos simultáneamente e incluían hardware para acelerar bucles cerrados ; además, disponían de una unidad de direccionamiento capaz de gestionar bucles. Algunos operaban con variables de 24 bits, y un modelo típico solo requería unos 21  ns para una operación MAC. Entre los ejemplos de esta generación se encontraban el AT&T DSP16A y el Motorola 56000 .

La principal mejora de la tercera generación fue la aparición de unidades e instrucciones específicas para cada aplicación en la ruta de datos, o a veces como coprocesadores. Estas unidades permitieron la aceleración directa por hardware de problemas matemáticos muy específicos pero complejos, como la transformada de Fourier o las operaciones matriciales. Algunos chips, como el Motorola MC68356, incluso incluían más de un núcleo de procesador para trabajar en paralelo. Otros DSP de 1995 son el TI TMS320C541 y el TMS320C80.

La cuarta generación se caracteriza principalmente por los cambios en el conjunto de instrucciones y la codificación/decodificación de las mismas. Se añadieron extensiones SIMD y aparecieron VLIW y la arquitectura superescalar. Como siempre, las velocidades de reloj aumentaron;  ahora era posible un MAC de 3 ns.

Procesadores de señal digital modernos

Los procesadores de señales modernos ofrecen un mayor rendimiento; esto se debe en parte a avances tecnológicos y arquitectónicos, como reglas de diseño más sencillas, caché de dos niveles de acceso rápido, circuitos DMA (electrónicos) y un sistema de bus más amplio. No todos los DSP ofrecen la misma velocidad y existen muchos tipos de procesadores de señales, cada uno más adecuado para una tarea específica, con precios que oscilan entre los 1,50 y los 300 dólares estadounidenses.

Texas Instruments fabrica los DSP de la serie C6000 , que alcanzan velocidades de reloj de 1,2  GHz e implementan cachés de instrucciones y datos independientes. También cuentan con una  caché de segundo nivel de 8 MiB y 64 canales EDMA. Los modelos superiores son capaces de procesar hasta 8000 MIPS ( millones de instrucciones por segundo ), utilizan VLIW ( palabra de instrucción muy larga ), realizan ocho operaciones por ciclo de reloj y son compatibles con una amplia gama de periféricos externos y diversos buses (PCI/serie, etc.). Los chips TMS320C6474 incorporan tres de estos DSP, y la última generación de chips C6000 admite procesamiento de punto flotante y de punto fijo.

Freescale fabrica la familia de procesadores DSP multinúcleo MSC81xx. Esta familia se basa en procesadores con arquitectura StarCore, y el último modelo, el MSC8144, combina cuatro núcleos DSP SC3400 StarCore programables. Cada núcleo SC3400 StarCore tiene una velocidad de reloj de 1  GHz.

XMOS fabrica una línea de procesadores multinúcleo y multihilo ideales para operaciones DSP. Ofrecen diversas velocidades, desde 400 hasta 1600 MIPS. Su arquitectura multihilo permite hasta 8 hilos en tiempo real por núcleo, lo que significa que un dispositivo de 4 núcleos admite hasta 32 hilos en tiempo real. Los hilos se comunican entre sí mediante canales con búfer capaces de alcanzar hasta 80 Mbit/s . Estos dispositivos son fácilmente programables en C y buscan cerrar la brecha entre los microcontroladores convencionales y las FPGA.

CEVA, Inc. fabrica y licencia tres familias distintas de DSP. Quizás la más conocida y de mayor uso sea la familia de DSP CEVA-TeakLite, una arquitectura clásica basada en memoria, con anchos de palabra de 16 o 32 bits y MAC simples o duales . La familia de DSP CEVA-X ofrece una combinación de arquitecturas VLIW y SIMD, con diferentes miembros que ofrecen MAC duales o cuádruples de 16 bits. La familia de DSP CEVA-XC está orientada a diseños de módems de radio definida por software (SDR) y aprovecha una combinación única de arquitecturas VLIW y Vector con 32 MAC de 16 bits.

Analog Devices fabrica el DSP basado en SHARC , con un rendimiento que varía desde 66  MHz/198 MFLOPS (millones de operaciones de coma flotante por segundo) hasta 400  MHz/2400 MFLOPS. Algunos modelos admiten múltiples multiplicadores y ALU , instrucciones SIMD y componentes y periféricos específicos para el procesamiento de audio. La familia Blackfin de procesadores de señal digital integrados combina las características de un DSP con las de un procesador de propósito general. Como resultado, estos procesadores pueden ejecutar sistemas operativos sencillos como μCLinux , Velocity y Nucleus RTOS mientras operan con datos en tiempo real. El ADSP-210xx basado en SHARC proporciona bifurcaciones retardadas y bifurcaciones sin retardo. [ 21 ]

NXP Semiconductors fabrica DSP basados ​​en la tecnología TriMedia VLIW , optimizados para el procesamiento de audio y vídeo. En algunos productos, el núcleo DSP se integra como un bloque de función fija en un SoC , pero NXP también ofrece una gama de procesadores multimedia flexibles de un solo núcleo. Los procesadores multimedia TriMedia admiten tanto aritmética de punto fijo como de punto flotante , e incluyen instrucciones específicas para gestionar filtros complejos y codificación entrópica.

CSR fabrica la familia de SoC Quatro, que contienen uno o más DSP de procesamiento de imágenes personalizados, optimizados para procesar datos de imágenes de documentos para aplicaciones de escáner y copiadora.

Microchip Technology fabrica la línea de DSP dsPIC, basada en el PIC24. Presentado en 2004, el dsPIC está diseñado para aplicaciones que requieren un DSP real, además de un microcontrolador real , como el control de motores y las fuentes de alimentación. El dsPIC funciona a hasta 40 MIPS y admite MAC de punto fijo de 16 bits, inversión de bits y direccionamiento modular, así como DMA.

La mayoría de los DSP utilizan aritmética de punto fijo porque, en el procesamiento de señales del mundo real, no se necesita el rango adicional que proporciona el punto flotante, y se obtiene una gran ventaja en velocidad y costo gracias a la menor complejidad del hardware. Los DSP de punto flotante pueden ser invaluables en aplicaciones que requieren un amplio rango dinámico. Los desarrolladores de productos también pueden usar DSP de punto flotante para reducir el costo y la complejidad del desarrollo de software a cambio de un hardware más costoso, ya que generalmente es más fácil implementar algoritmos en punto flotante.

Generalmente, los DSP son circuitos integrados dedicados; sin embargo, la funcionalidad de un DSP también se puede lograr utilizando chips de matriz de puertas programables en campo (FPGA).

Los procesadores RISC integrados de propósito general se están volviendo cada vez más similares a los DSP en cuanto a funcionalidad. Por ejemplo, los procesadores OMAP3 incluyen un ARM Cortex-A8 y un DSP C6000.

En el ámbito de las comunicaciones, una nueva generación de procesadores de señal digital (DSP) que combinan funciones de DSP y aceleración por hardware se está popularizando. Entre estos procesadores de módem se incluyen el ASOCS ModemX y el CEVA XC4000.

En mayo de 2018, Huarui-2, diseñado por el Instituto de Investigación de Tecnología Electrónica de Nanjing del Grupo de Tecnología Electrónica de China, fue aceptado. Con una velocidad de procesamiento de 0,4 TFLOPS, el chip puede lograr un mejor rendimiento que los chips DSP convencionales actuales. [ 22 ] El equipo de diseño ha comenzado a crear Huarui-3, que tiene una velocidad de procesamiento a nivel de TFLOPS y soporte para inteligencia artificial . [ 23 ]

Sintonizadores basados ​​en DSP para radio analógica

Radio AM/FM Panasonic RF-2400D. A pesar de un diseño interno moderno basado en DSP [ 24 ], conserva una disposición tradicional y sintonización mecánica, y la misma apariencia externa que la antigua RF-2400 analógica.

Desde la década de 2010, una proporción cada vez mayor de radios diseñadas para la recepción de emisiones analógicas tradicionales de FM y AM de onda corta y media han reemplazado gran parte de los circuitos de sintonización analógicos de los diseños antiguos con circuitos integrados digitales basados ​​en DSP que realizan la mayor parte del procesamiento y la decodificación en el dominio digital. Un ejemplo de dicho circuito integrado es la serie Si4831/35 de Silicon Labs / Skyworks , que admite la decodificación de FM y AM en un solo chip. [ 25 ] [ 26 ]

Muchos de estos circuitos integrados (incluido el Si4831/35 mencionado anteriormente) son adecuados para su uso con —y están diseñados para— diseños tradicionales sintonizados mecánicamente de forma externa. [ 26 ] [ 24 ] En comparación con los circuitos analógicos verdaderos tradicionales, estos pueden presentar peculiaridades de sintonización y audio notables (por ejemplo, saltos de sintonización en pasos discretos en lugar de continuos), [ 27 ] particularmente con diseños más antiguos basados ​​en DSP.  

Véase también

Referencias

  1. ↑ Dyer, Stephen A.; Harms, Brian K. (13 de agosto de 1993). «Procesamiento digital de señales» . En Yovits, Marshall C. (ed.). Avances en informática . Vol.  37. Academic Press . págs. 59–118 . doi : 10.1016/S0065-2458(08)60403-9 . ISBN  978-0120121373. ISSN 0065-2458 . LCCN 59015761 . OCLC 858439915 . OL 10070096M .    
  2. ↑ Liptak, BG (2006). Control y optimización de procesos . Manual del ingeniero de instrumentación. Vol. 2 (4.ª ed.). CRC Press. págs. 11–12 . ISBN    978-0849310812– vía Google Libros .
  3. 1 2 3 4 5 "1979: Introducción del procesador de señal digital de un solo chip" . The Silicon Engine . Museo de Historia de la Computación . Consultado el 14 de octubre de 2019 .
  4. 1 2 3 Taranovich, Steve (27 de agosto de 2012). "30 años de DSP: De un juguete para niños a 4G y más allá" . EDN . Recuperado el 14 de octubre de 2019 .
  5. 1 2 Ingrid Verbauwhede; Patrick Schaumont; Christian Piguet; Bart Kienhuis (24-12-2005). "Arquitecturas y técnicas de diseño para DSP integrado y procesamiento multimedia energéticamente eficientes" (PDF) . rijndael.ece.vt.edu . Recuperado el 13-06-2017 .
  6. ↑ Más allá de las fronteras , Broadgate Publications (septiembre de 2016), pág. 22
  7. ↑ "Memoria y procesadores DSP" .
  8. ↑ ""Procesadores DSP: arquitecturas de memoria"" . Archivado del original el 17-02-2020 . Consultado el 03-03-2020 .
  9. ↑ "Arquitectura del procesador de señal digital"
  10. ↑ "Opción DSP de memoria ARC XY" .
  11. ↑ "Zero Overhead Loops" Archivado el 20 de agosto de 2020 en Wayback Machine .
  12. ↑ "Referencia de hardware del procesador Blackfin ADSP-BF533" . pág. 4-15.
  13. ↑ "Comprender las características avanzadas del procesador fomenta una codificación eficiente" .
  14. ↑ Uh, Gang-Ryung; Wang, Yuhong; Whalley, David; Jinturkar, Sanjay; Burns, Chris; Cao, Vincent (2000). "Técnicas para explotar eficazmente un búfer de bucle con sobrecarga cero" (PDF) . Construcción de compiladores . Notas de clase en ciencias de la computación. Vol. 1781. págs. 157–172 . doi : 10.1007/3-540-46423-9_11 . ISBN   978-3-540-67263-0.
  15. ↑ "Speak & Spell, el primer uso de un circuito integrado de procesamiento de señales digitales para la generación de voz, 1978" . Hitos del IEEE . IEEE . Consultado el 2 de marzo de 2012 .
  16. ↑ Bogdanowicz, A. (2009-10-06). "IEEE Milestones Honor Three" . The Institute . IEEE. Archivado del original el 2016-03-04 . Recuperado el 2012-03-02 .
  17. ↑ Khan, Gul N.; Iniewski, Krzysztof (2017). Sistemas embebidos y de redes: diseño, software e implementación . CRC Press . pág. 2. ISBN  9781351831567.
  18. ↑ Alberto Luis Andrés. "Ecualizador de audio gráfico digital" . pág. 48.
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  20. ↑ "Procesadores de señal digital μPD77C20A, 7720A, 77P20 de NEC Electronics Inc." . p. 1 . Consultado el 13-11-2023 . 
  21. ↑ "Introducción a los procesadores de señales digitales de la familia ADSP-21000" (PDF) . pág. 6. Consultado el 1 de diciembre de 2023 . 
  22. ^ "国产新型雷达芯片华睿2号与组网中心同时亮相-科技新闻-中国科技网首页" . Consultado el 2 de julio de 2018 .
  23. ↑王珏玢. "全国产芯片华睿２号通过"核高基"验收-新华网" . Agencia de Noticias Xinhua . 南京. Archivado desde el original el 26 de mayo de 2018 . Consultado el 2 de julio de 2018 .
  24. 1 2 "Radio portátil AM/FM con sintonizador digital - Negro RF-2400DEB-K" . Tienda Panasonic . Panasonic Reino Unido. Esta radio FM/AM sencilla y fácil de usar cuenta con un diseño universal para una fácil visualización y un nuevo sintonizador digital para una sintonización fácil y estable. [...] Rango de frecuencia FM 87 - 108 MHz (paso de 50 kHz) AM 520 - 1730 kHz (paso de 9/10 kHz) [Los pasos de sintonización discretos indican el uso de tecnología basada en DSP]{{cite web}}: CS1 maint: servicio de archivado obsoleto ( enlace )
  25. ↑ "Preguntas frecuentes sobre el sintonizador AM/FM/SW Si4831/35" . Silicon Labs . Consultado el 27 de octubre de 2025. El Si4831/35 es de naturaleza digital: un microcontrolador y un procesador de señal digital están integrados en el chip.
  26. 1 2 "Sintonización mecánica para receptores de radio AM/FM/SW" (PDF) . Skyworks . Consultado el 27 de octubre de 2025 .
  27. ↑ "Radios portátiles DSP sintonizadas mecánicamente: una comparativa" . swling.com . Enero de 2014. Hace varios años, [SiLabs] cambió por completo el panorama radiofónico con un pequeño chip. De hecho, la mayoría de las nuevas radios digitales de onda corta/AM/FM del mercado utilizan un chip DSP de SiLabs (u otro fabricante) como pieza central de la arquitectura de su receptor [...] pero ¿tiene sentido usar un chip digital [con una radio analógica sintonizada mecánicamente]? SiLabs y [otros] creen que sí [...] Sintonización: no es exactamente una radio analógica [...] las estaciones y la estática pasan en bloques relativamente gruesos de 5 kHz [entre otras peculiaridades enumeradas].
  • Libro en línea de DSP
  • Guía de bolsillo de procesadores para DSP - Berkeley Design Technology, INC.
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