پردازنده سیگنال دیجیتال چیست؟ نحوه کار و کاربردهای آن

پردازنده یک تراشه یا مدار منطقی ساده است که به دستورالعمل های اولیه و همچنین فرآیندهای ورودی برای کنترل واحد پردازش پاسخ می دهد. پردازنده یک جزء ضروری در سیستم های الکترونیکی مانند گوشی های هوشمند، سیستم های تعبیه شده، لپ تاپ ها، کامپیوترها و غیره است. دو جزء ضروری یک پردازنده ALU و واحد کنترل هستند. انواع مختلفی از پردازنده ها در بازار موجود است که بر اساس نیاز مورد استفاده قرار می گیرند مانند میکروکنترلر، ریزپردازنده، پردازنده سیگنال دیجیتال، پردازنده تعبیه شده و غیره. بنابراین در این مقاله به یکی از انواع پردازنده ها یعنی پردازنده های سیگنال دیجیتال می پردازیم.پردازنده سیگنال دیجیتال چیست؟پردازنده سیگنال دیجیتال نوع خاصی از ریزپردازنده است که بر روی مدارهای مجتمع نیمه هادی اکسید فلزی ساخته می شود. DSP ها به طور گسترده در برنامه های مختلف مانند پردازش تصویر دیجیتال، مخابرات، پردازش سیگنال صوتی، سیستم های تشخیص گفتار، سونار، رادار و غیره استفاده می شوند و همچنین در لوازم الکترونیکی مصرفی مانند تلفن های همراه، محصولات HDTV (تلویزیون با کیفیت بالا)، درایوهای دیسک، و غیرهپردازنده سیگنال دیجیتال چگونه کار می کند؟پردازشگر سیگنال دیجیتال عمدتاً با استفاده از سیگنال های دنیای واقعی مانند صدا، صدا، دما و تصویر، دیجیتالی کردن آنها و سپس دستکاری ریاضی آنها کار می کند. یک DSP توابع مختلف ریاضی مانند جمع، تفریق، ضرب و تقسیم را خیلی سریع انجام می دهد.یک پردازنده سیگنال دیجیتال شامل اجزای اصلی مانند حافظه برنامه، حافظه داده، موتور محاسباتی و ورودی/خروجی است.حافظه برنامه برای ذخیره برنامه ها برای پردازش داده ها استفاده می شود.حافظه داده برای ذخیره داده هایی که قرار است پردازش شوند استفاده می شود.موتور محاسباتی عملیات ریاضی را اجرا می کند، به داده ها از حافظه داده و برنامه از حافظه برنامه دسترسی پیدا می کند.ورودی/خروجی عملکردهای مختلفی را برای اتصال به دنیای خارجی انجام می دهد.دیاگرام بلوک پردازنده سیگنال دیجیتالبلوک دیاگرام پردازنده سیگنال دیجیتال در زیر نشان داده شده است.در بلوک دیاگرام فوق، از یک میکروفون به عنوان مبدل استفاده شده است که سیگنال صوتی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند.پس از آن، یک سیگنال الکتریکی آنالوگ که از یک میکروفون تولید می شود به یک آپمپ داده می شود تا سیگنال آنالوگ را شرطی کند.فیلتر ضد آلیاسینگ یک LPF (فیلتر پایین گذر) است که در ورودی ADC قرار دارد. این فیلتر برای محدود کردن سیگنال های باند پهن استفاده می شود.پس از آن، یک واحد مبدل ADC ساده از سیگنال ها و خروجی های آنالوگ به عنوان جریان ارقام باینری استفاده می کند.در این بلوک دیاگرام، DSP قلب سیستم است. در حال حاضر از IC های CMOS برای ساخت DSPهایی استفاده می شود که دارای خروجی داده بالا، مجموعه دستورالعمل های اختصاصی و سرعت بالا هستند.پس از آن DAC سیگنال دیجیتال را به سیگنال آنالوگ تبدیل می کند. فیلتر صاف کننده یکی دیگر از LPF است که برای صاف کردن خروجی با حذف اجزای غیر ضروری فرکانس بالا استفاده می شود.در اینجا، یک بلندگو مبدل خروجی است. بنابراین می توانید از هر چیز دیگری بر اساس نیاز خود استفاده کنید.ویژگی‌هااز ویژگی های پردازش سیگنال دیجیتال می توان به موارد زیر اشاره کرد.پردازنده های سیگنال دیجیتال عمدتا برای پشتیبانی از کارهای تکراری و فشرده طراحی شده اند.اکثر پردازنده‌های سیگنال دیجیتال دارای یک مسیر داده قدرتمند و همچنین ظرفیت انتقال سریع مقادیر زیادی از داده به حافظه هستند.این پردازنده ها مجموعه دستورالعمل های منحصر به فردی را برای توسعه کارایی سخت افزار ارائه می دهند.دو ویژگی مهم پردازنده های سیگنال دیجیتال عبارتند از: مسیر داده شامل معماری های حافظه با دسترسی چندگانه و واحدهای ضرب-انباشت سریع.لوله کشی اغلب برای افزایش عملکرد پردازنده استفاده می شود. بنابراین در حال حاضر، بیشتر پردازنده‌ها از خط لوله استفاده می‌کنند، اما در توسعه بهبود عملکرد، خط لوله کردن، برنامه‌نویسی را بسیار سخت می‌کند https://icpars.com/ شاخصه اصلیشاخصه‌های اصلی یک پردازنده سیگنال دیجیتال شامل موارد زیر است.DSP ها می توانند بهترین عملکرد را ارائه دهند.حافظه ای که برای ذخیره یک برنامه استفاده می شود در مقایسه با حافظه ای که برای ذخیره داده ها استفاده می شود متفاوت است.DSP ها سخت افزار پشتیبانی چندوظیفه ای را ارائه نمی دهنددستورالعمل های ویژه ای برای آدرس دهی مدولو و بیت معکوس وجود دارد.این پردازنده می تواند به عنوان یک دستگاه DMA (دسترسی مستقیم به حافظه) در موقعیت های میزبان یا پشتیبانی استفاده شود.DSP ها شامل معماری ویژه ای هستند که برای واکشی چندین داده طراحی شده اند.به طور کلی، DSP ها شامل معماری برای بهینه سازی ویژگی های مختلف مانند موارد زیر هستند.از سخت افزار ویژه برای حمل حلقه با هزینه کمتر استفاده می شود.ضرب کننده ها یا انباشته های موجود بسیار موازی هستند.یک واحد اعداد شناور را در مسیر جریان داده به طور مستقیم مدیریت می کند.محاسبات معمولاً توسط یک فرآیند حسابی نقطه ثابت برای سرعت بخشیدن به آنها انجام می شود.اکثر رجیسترهای موجود در رایانه‌های امروزی در صورت وقوع سرریز، داده‌ها را به پایین‌ترین بیت منتقل می‌کنند. با این حال، در پردازنده های سیگنال دیجیتال، سرریز در حداکثر نقطه خود حفظ می شود.معماری پردازنده سیگنال دیجیتالمعماری پردازنده های سیگنال دیجیتال عبارتند از:معماری فون نویمانمعماری هاروارد.معماری سوپر هارواردمعماری فون نویمانمعماری پردازنده سیگنال دیجیتال فون نویمان عمدتا شامل یک حافظه واحد و یک گذرگاه است که برای انتقال داده ها به داخل و خارج از CPU (واحد پردازش مرکزی) استفاده می شود. ضرب کردن هر دو عدد به حداقل 3 چرخه CLK نیاز دارد که در آن از یک چرخه CLK برای انتقال هر یک از 3 عدد از حافظه به CPU با کمک گذرگاه استفاده می شود.ما زمان لازم برای انتقال خروجی به حافظه را محاسبه نمی‌کنیم، زیرا فرض می‌کنیم که برای دستکاری اضافی در واحد پردازش مرکزی باقی می‌ماند. این نوع معماری زمانی کاملا مناسب است که شما راضی به انجام تمامی کارهای لازم به صورت سریال باشید. در حال حاضر، اکثر کامپیوترها از معماری فون نویمان استفاده می کنند، اما معماری های دیگر به سادگی نیاز به پردازش بسیار سریع دارند.معماری هارواردنام معماری هاروارد برای کاری است که در دانشگاه هاروارد در سال 1940 تحت رهبری هوارد آیکن به پایان رسید. همانطور که در این طرح نشان داده شده است، شامل دو حافظه مجزا برای دستورالعمل های داده و برنامه شامل اتوبوس های جداگانه برای هر کدام است. هنگامی که گذرگاه ها به طور مستقل کار می کنند، می توان دستورالعمل های داده و برنامه را با هم جمع کرد تا سرعت را در گذرگاه واحد بهبود بخشد. در حال حاضر این معماری دو باس توسط DSP ها استفاده می شود.معماری سوپر هارواردمعماری فوق العاده هاروارد DSP در زیر نشان داده شده است. این نام از طریق دستگاه های آنالوگ برای توضیح عملکرد داخلی خانواده های DSP های جدید ADSP-211xx و ADSP-2106x آنها که SHARC DSP نامیده می شوند، ابداع شد که کاهش طولانی مدت معماری سوپر هاروارد است.این معماری با گنجاندن برخی ویژگی ها برای افزایش توان عملیاتی پیاده سازی شد. در حالی که پردازنده‌های سیگنال دیجیتال معماری فوق‌العاده هاروارد در چندین روش بهینه‌سازی شده‌اند، دو ناحیه به اندازه کافی مهم هستند که مانند کش دستورالعمل و کنترل‌کننده ورودی/خروجی گنجانده شوند.انواع پردازشگر سیگنال دیجیتالپردازنده های سیگنال دیجیتال در دو نوع پردازنده نقطه ثابت و پردازنده نقطه شناور موجود هستند.پردازنده سیگنال دیجیتال نقطه ثابتدر یک پردازنده سیگنال دیجیتال نقطه ثابت، هر عدد را می توان از طریق حداقل 16 بیت مشخص کرد، حتی اگر از طول متفاوتی استفاده شود. عدد را می توان با الگوهای مختلف نشان داد.نقطه ثابت به این معنی است که موقعیت نقطه کسری را می توان ثابت فرض کرد و برای عملوندها و همچنین نتیجه عملیات یکسان است.انواع پردازشگر سیگنال دیجیتالپردازنده های سیگنال دیجیتال در دو نوع پردازنده نقطه ثابت و پردازنده نقطه شناور موجود هستند.پردازنده سیگنال دیجیتال نقطه ثابتدر یک پردازنده سیگنال دیجیتال نقطه ثابت، هر عدد را می توان از طریق حداقل 16 بیت مشخص کرد، حتی اگر از طول متفاوتی استفاده شود. عدد را می توان با الگوهای مختلف نشان داد.نقطه ثابت به این معنی است که موقعیت نقطه کسری را می توان ثابت فرض کرد و برای عملوندها و همچنین نتیجه عملیات یکسان است.پردازنده سیگنال دیجیتال نقطه شناورپردازنده های سیگنال دیجیتال ممیز شناور عمدتاً از حداقل 32 بیت برای ذخیره هر مقدار استفاده می کنند. ویژگی متمایز DSP ممیز شناور این است که اعداد نشان داده شده به طور یکنواخت فاصله ندارند. پردازنده‌های سیگنال دیجیتال ممیز شناور به سادگی می‌توانند اعداد نقطه ثابت را پردازش کنند، که لازمه پیاده‌سازی شمارنده‌ها و سیگنال‌هایی است که از مبدل آنالوگ به دیجیتال دریافت می‌شود و به مبدل دیجیتال به آنالوگ منتقل می‌شود.برای هر دو عملیات DSPهای نقطه ثابت و ممیز شناور، DSPهای SHARC به سادگی طراحی، بهینه شده و با کارایی معادل اجرا می شوند. در مقایسه با DSP های نقطه ثابت، برنامه های DSP های ممیز شناور ساده هستند، اما معمولاً بسیار گران هستند و مصرف انرژی نیز بیشتر است. انواع DSP های ممیز شناور عبارتند از TI’s TMS320c67x و ADI ADSP 2116x/2126x.واردات قطعات الکترونیک از جمله مدار مجتمع های پرکاربرد مانند پردازنده سیگنال دیجیتال ظرف مدت دو هفته امکان پذیر خواهد بود.