Введение в цифровые сигнальные процессоры.

Свое название цифровые сигнальные процессоры – DSP (Digital signal processor) получили из-за встроенной в них возможности обработки звуковых и видеосигналов. Это стало возможным благодаря высокой скорости работы этих процессоров и заложенной в них специальной системы команд, поддерживающей функции цифровой фильтрации и быстрого преобразования Фурье.

Основные отличия сигнальных процессоров от обычных микропроцессоров:

· Наличие аппаратного умножителя;

· наличие специальных блоков обработки данных;

· специальная система команд для цифровой обработки сигналов;

· высокое быстродействие;

· внутренний умножитель тактовой частоты;

· RISC архитектура;

· возможность одновременного выполнения нескольких команд;

· наличие конвейеризации команд и данных;

· наличие циклических буферов;

· развитая система внешних интерфейсов.

Некоторые типы данного семейства процессоров имеют также встроенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), что позволяет подавать на процессор непосредственно аналоговые сигналы, которые после оцифровки обрабатываются в цифровом виде этим же процессором. Под обработкой понимается, как правило, спектральный анализ сигнала, то есть определение наличия в этом сигнале определенной частоты заданной амплитуды, фильтрация сигнала от ненужных частот, сравнение сигнала с эталонным сигналом-шаблоном, синтез и генерация речи, сжатие и декомпрессия звуковых и видеосигналов и т. п. Существует огромное число подобных задач в самых различных областях человеческой деятельности – в радиоэлектронике, радиолокации, навигации, связи, медицине, автомобильной промышленности, космонавтике, геофизике и других наукоемких областях. Ввиду своей важности цифровая обработка сигналов в настоящее время признана отдельной областью науки и техники.

Первые сигнальные процессоры появились в начале 80-х годов прошлого века в японской корпорации NEC – однокристальный сигнальный процессор MPD7720. Освоение новых технологий, как следствие, повышение степени интеграции микросхем, позволило значительно улучшить характеристики процессоров. И уже в середине 80-х годов появились сигнальные процессоры второго поколения. К ним можно отнести процессоры фирмы Texas Instruments TMS320C25 и TMS320C5X. Эти процессоры работают с большей скоростью и имеют больший объем памяти. В некоторых моделях процессоров снижено напряжение питания. Появились теневые регистры для автоматического сохранения результатов работы в случае возникновения аппаратного или программного прерывания программы. В состав архитектуры процессора добавились таймеры и последовательные синхронные порты.

В свою очередь, фирма Motorola выпустила сигнальные процессоры семейства DSP56000, которые имеют разрядность 24 бита, двойную внутреннюю шину данных, удобную при работе с комплексными числами, и обладают высокой степенью конвейеризации и параллелизма. Эти свойства делают данные процессоры еще более производительными и удобными для цифровой обработки сигналов.

Фирма АТ&T Microelectronics выпускает сигнальные процессоры серии DSP16, которые отличаются наличием кэш-памяти и встроенного высокоскоростного параллельного порта.

Фирма Analog Devices вышла на рынок сигнальных процессоров со своей серией ADSP-21xx, которые конкурируют с рассмотренными ранее процессорами по некоторым техническим параметрам и по цене. Например, процессор ADSP -21msp50 имеет встроенные АЦП и ЦАП и, в тоже время, его стоимость несколько долларов.

В конце 80-х годов появились процессоры третьего поколения от тех же фирм. В настоящее время лидирующее положение в этой области занимают фирмы Texas Instruments, Motorola, AT&T Microelectronics и Analog Devices.

Рассмотрим более подробно описание внутренней архитектуры и практического применения одного из сигнальных процессоров фирмы Analog Devices.