Qual é a diferença entre um DSP e um microcontrolador padrão?

Entendo que um DSP é otimizado para processamento de sinal digital, mas não tenho certeza de como isso afeta a tarefa de escolher um IC. Quase tudo o que faço com um microcontrolador envolve o processamento de sinais digitais!

Por exemplo, vamos comparar o popular Microchip dsPIC30 ou 33 DSP e sua outra oferta de 16 bits, o microcontrolador de uso geral PIC24. O dsPIC e o PIC podem ser configurados para ter a mesma memória e velocidade, possuem conjuntos periféricos semelhantes, capacidade A / D semelhante, contagem de pinos, consumo de corrente etc. A única grande diferença que aparece na lista do Digikey é a localização do oscilador. Não sei dizer a diferença observando os preços (ou qualquer outro campo).

Se eu quiser trabalhar com dois sensores externos usando vários protocolos (I2C, SPI, etc.), faça algumas conversões A / D, armazene alguns dados em um flash serial, responda a alguns botões e envie dados para um caractere LCD e sobre um FT232 (um sistema incorporado bastante genérico), qual chip devo usar? Não parece que o DSP fique atrás do PIC de forma alguma, e oferece esse misterioso "DSP Engine". Meu código sempre faz matemática e, de vez em quando, preciso de ponto flutuante ou números fracionários, mas não sei se vou me beneficiar do uso de um DSP.

Uma comparação mais geral entre os DSPs e microcontroladores de outro fornecedor seria igualmente útil; Estou apenas usando esses como ponto de partida para discussão.

Para ser honesto, a linha entre os dois está quase acabando hoje em dia e existem processadores que podem ser classificados como ambos (por exemplo, o AD Blackfin).

De um modo geral:

Microcontroladores são processadores matemáticos inteiros com um subsistema de interrupção. Alguns podem ter unidades de multiplicação de hardware, outros não, etc. O ponto é que eles foram projetados para matemática simples e principalmente para controlar outros dispositivos.

Os DSPs são processadores otimizados para processamento de sinal de streaming. Eles geralmente têm instruções especiais que aceleram tarefas comuns, como acumular multiplicar em uma única instrução. Eles também costumam ter outras instruções de vetor ou SIMD. Historicamente, eles não eram sistemas baseados em interrupção e operavam com sistemas de memória não padrão otimizados para seus objetivos, tornando-os mais difíceis de programar. Eles geralmente eram projetados para operar em um grande loop processando um fluxo de dados. Os DSPs podem ser projetados como processadores de número inteiro, ponto fixo ou ponto flutuante.

Historicamente, se você quisesse processar fluxos de áudio, fluxos de vídeo, fazer controle rápido do motor, qualquer coisa que exigisse o processamento de um fluxo de dados em alta velocidade, você procuraria um DSP.

Se você deseja controlar alguns botões, medir uma temperatura, executar um LCD de caracteres, controlar outros ICs que estão processando coisas, você usaria um microcontrolador.

Hoje, você encontra principalmente processadores do tipo microcontrolador de uso geral, com instruções integradas do tipo DSP ou co-processadores integrados para lidar com dados de streaming ou outras operações DSP. Você não vê DSPs puros mais usados, exceto em setores específicos.

O mercado de processadores é muito mais amplo e embaçado do que costumava ser. Por exemplo, eu dificilmente considero um SoC ARM córtex-A8 um micro controlador, mas provavelmente se encaixa na definição padrão, especialmente em um pacote PoP.

Edição: Figurado eu adicionaria um pouco para explicar quando / onde eu usei DSPs, mesmo nos dias de processadores de aplicativos.

Um produto recente que eu projetei estava processando áudio com canais X de entrada e canais X de saída por 'zona'. O uso pretendido para o produto significava que muitas vezes ficava sentado ali, processando os canais de áudio por anos sem que ninguém o tocasse. O processamento de áudio consistia em vários filtros e funções acústicas. O sistema também era "plugável a quente", com a capacidade de adicionar algum número de 'zonas' independentes, tudo em uma caixa. Foi um total de 3 projetos de PCB (placa principal, um backplane e um módulo plug-in) e o backplane suportou 4 módulos plug-in. Um projeto bastante divertido, como eu fazia sozinho, eu fiz o design do sistema, o esquema, o layout da placa de circuito impresso e o firmware.

Agora eu poderia ter feito a coisa toda com um único núcleo ARM volumoso, eu só precisava de cerca de 50MIPS de trabalho DSP em números de ponto fixo de 24 bits por zona. Mas porque eu sabia que esse sistema funcionaria por um tempo extremamente longo e sabia que era fundamental que ele nunca clique ou pop ou algo assim. Optei por implementá-lo com um DSP de baixa potência por zona e um único microcontrolador PIC que desempenhava o papel de gerenciamento do sistema. Dessa forma, mesmo que uma das funções do uC travasse, talvez um ataque DDOS em sua porta Ethernet, o DSP continuaria feliz e provavelmente nunca saberia.

Assim, o microcontrolador desempenhou o papel de executar o LCD de 2 linhas, alguns botões, monitoramento de temperatura e controle do ventilador (havia também alguns amplificadores de áudio de alta potência em cada placa) e até serviu uma página da web no estilo AJAX via Ethernet. Ele também gerenciava os DSPs por meio de uma conexão serial.

Então isso é uma situação em que, mesmo nos dias em que eu poderia ter usado um único núcleo ARM para fazer tudo, o design ditava um IC de processamento de sinal dedicado.

Outras áreas em que eu encontrei DSPs:

* Áudio de ponta - Receptores de ponta muito alta e equipamentos de mixagem e processamento de qualidade de concerto

* Processamento de radar - Eu também usei núcleos ARM para isso em aplicativos low-end.

* Processamento de sonar

* Visão computacional em tempo real

Na maioria das vezes, as extremidades baixa e média do espaço de áudio / vídeo / similar foram assumidas pelos processadores de aplicativos que combinam uma CPU de uso geral com mecanismos de descarregamento co-proc para várias aplicações.

Muitos processadores de sinais digitais incluem uma variedade de funções não encontradas em processadores "comuns":

1. A capacidade de executar um acúmulo múltiplo, com os dois operandos buscados na RAM, a uma taxa de um ciclo por par de operandos.
2. A capacidade de executar alguma forma de endereçamento de 'módulo' ou 'quebra automática', para permitir que um buffer seja usado repetidamente sem a necessidade de usar o código manual para garantir a quebra dos ponteiros. O 3205x, por exemplo, possui um registro 'buffer start' e 'buffer end'; se o código tentar aumentar ou diminuir um registro de ponteiro que aponte para 'buffer start', o processador carregará o ponteiro com 'buffer end'. O 3205x também possui um modo de transporte reverso, no qual propagações de endereço propagam o MSB para o LSB, em vez de vice-versa; isso permite o endereçamento do módulo N se N for uma potência de 2, embora as coisas sejam armazenadas em sequência confusa.
3. A capacidade de especificar que uma instrução seja executada 'n' vezes sem precisar ser buscada novamente. Alguns processadores como o 8088 incluem isso para algumas instruções, mas muitos DSPs permitem isso em muitas instruções.
4. A capacidade de especificar que um bloco de código seja executado repetidamente, até 'n' vezes, sem necessidade de ramificação. Antes de cada código, o contador do programa é verificado no registro 'loop-end'; se corresponder e o loop estiver ativado, o contador do programa será recarregado com 'loop-start' (caso contrário, será incrementado). Se 'loop-count' for zero, o loop será desativado; caso contrário, 'loop-count' será decrementado.

Observe que muitos DSPs terão barramentos separados para permitir que os dois operandos de um acúmulo múltiplo sejam buscados simultaneamente; Eu nunca vi um não-DSP que pudesse fazer isso. Embora eu não conheça nenhum recurso que um chip deva "carecer" para ser um DSP, o espaço extra de silício necessário para permitir a busca de dois operandos é o espaço de silício que não está sendo usado para outros fins mais úteis.

Uma coisa que os outros não mencionaram é o comportamento no estouro numérico. Nos processadores normais, isso geralmente envolve o valor máximo para o valor mínimo.

Para o uso do DSP, geralmente há pelo menos uma opção para usar a saturação . Ou seja, no estouro, o valor permanece no valor máximo, o que produz menos distorção e imita melhor o comportamento dos circuitos analógicos.

A maior diferença entre o DSP e o uController padrão é o recurso de acumulação múltipla (MAC) do DSP que o uC não possui. Isso é valioso se você deseja executar uma matemática matemática de processamento de sinal digital, como a FFT (um exemplo). A execução de uma FFT em um microcontrolador padrão levará muito tempo em comparação com a execução em um MAC do DSP.

Processar sinais I2C e seriais não é o mesmo que processar formas de onda em um DSP. Processos totalmente diferentes em andamento, uma vez que os sinais seriais são apenas estrondosos.

Aqui está uma discussão semelhante em um fórum DSP : DSP vs. Microprocessador

O que costumava diferenciar os DSPs era a otimização para operações aritméticas, especialmente a multiplicação, embora atualmente não seja incomum que microcontroladores sejam dotados de instruções de multiplicação e divisão. Ainda pode haver uma vantagem no processamento de sinais com chips DSP, na medida em que alguns deles têm suporte de hardware para matemática de ponto fixo (por exemplo, a biblioteca 'IQ' da TI TMS320s), enquanto os micros têm mais probabilidade de incluir apenas unidades inteiras.

Pessoalmente, quando confrontado com a escolha entre os dois para um design, tentaria categorizar se o aplicativo pedia cálculos repetitivos com apenas uma lógica ocasional de mudança de modo ou apenas precisava executar pequenas sequências de cálculos conforme necessário. O primeiro seria o DSP, o segundo um micro.

E então, é claro, existem coisas divertidas, como o OMAP, que têm os dois. = P

Ainda outro recurso possível que a instrução MAC pode ter é o incremento automático dos registradores que apontam para os multiplicandos. Programei um DSP Zilog que usava o núcleo Clarkspur (ponto fixo de 16 bits). Era uma variação da arquitetura de Harvard com três barramentos, permitindo acessar três áreas da memória simultaneamente: memória de instrução, banco de dados 1 e banco de dados 2. Com um fluxo de dados em um banco de dados e coeficientes no outro, era possível faça um filtro FIR com uma instrução de ciclo único por operação de incremento de MAC / ponteiro. Em C, a instrução única se parece com:

Acumulador + = rambank1 [r1 ++] * rambank2 [r2 ++];

E é claro que esta instrução é repetida para cada coeficiente.

Também não mencionado anteriormente, os DSPs (pelo menos os mais antigos que usei) geralmente são de arquitetura RISC e são projetados com muitas ou mais instruções executadas em um único ciclo (ou no mesmo número de ciclos). Isso permite a capacidade de programar respostas determinísticas de interrupção (uma contagem fixa de clock entre a linha de interrupção que fica ativa e a primeira instrução no ISR executada), enquanto a maioria dos outros processadores responde a interrupções em um número variável de ciclos de clock, dependendo de qual apontar em uma instrução de vários ciclos a interrupção ocorre. O tempo de execução fixo elimina o jitter de várias horas em saídas repetitivas.

Para a comparação do OP do Microchip Pic e do DSPic, entendi que, quando o DSPic foi introduzido, era principalmente apenas um Pic com instruções MAC e alguns outros recursos adicionais, que certamente podem acelerar um microcontrolador executando funções de processamento de sinal, mas (devido à falta de qualquer um dos outros recursos discutidos), pode estar pressionando a terminologia para chamá-lo de DSP. O MSP430 também está disponível em versões com um MAC de hardware, mas ninguém chama ISSO de DSP.

Lembro-me de 10 a 15 anos atrás que os processadores mainstream da Intel estavam adicionando MAC e instruções semelhantes para processar processamento de sinal "nativo" (em vez de placas de expansão com processadores DSP dedicados, comuns na produção de áudio nos anos 90) - algumas baratas Os modems de barramento para PC dial-up de 56k eram apenas conversores A / D e D / A, e contavam com o processador principal para executar as funções de codificação e decodificação do sinal do modem; portanto, havia uma demanda por um uso mais eficiente do processador ali. Os usos de mídia, como edição / codificação / decodificação de vídeo, bem como gravação / produção de áudio, são bastante acelerados pelas instruções do tipo DSP.