DSP Digitaler Signalprozessor - BFH-TI Staff - Berner Fachhochschule

DSP
Digitaler Signalprozessor
Marc Folly
I-Seminar, FS 2013, Berner Fachhochschule BFH

Inhalt
Einleitung 2
Vorteile und Nachteile von DSPs 4
Architektur 4
Architektur am Beispiel des dsPIC30F 7
Hersteller 13
Programmiersprachen 14
Anwendungsgebiete 16
Quellenverzeichnis 17
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Einleitung
Ein in der analogen Schaltungstechnik sehr häufig eingesetztes elektronisches Bauelement
ist der Operationsverstärker (kurz OpAmp, engl. Operation Amplifier). Mit einem OpAmp
lassen sich, abhängig von der externen Beschaltung, viele signaltechnische Operationen
durchführen. Dies beginnt bei ganz einfachen Anwendungen, beispielsweise dem
invertierenden oder nicht-invertierenden Verstärker mit einstellbarem Verstärkungsfaktor.
Dieser Faktor wird über das Verhältnis zweier Widerstandswerte eingestellt und kann in der
Regel nur durch Austauschen der Widerstände verändert werden. Lässt man die
Rückkopplung, also die erwähnten Widerstände weg, so arbeitet der OpAmp mit seiner
maximalen Verstärkung. Ein OpAmp kann durchaus einen Verstärkungsfaktor von 1‘000‘000
aufweisen. Das bedeutet natürlich nicht, dass bei einer Eingangsspannung von einem Volt
die Ausgangsspannung 1 Mega-Volt beträgt. Die Ausgangsspannung kann die
Versorgungsspannung (max. ca. 30 Volt) nicht überschreiten. In dieser Konfiguration (ohne
Rückkopplung) arbeitet der OpAmp als sogenannter Komparator; ist die eine
Eingangsspannung höher als die andere, nimmt die Ausgangsspannung den höchst
möglichen, ansonsten den kleinstmöglichen Wert an. Analoge Eingangssignale führen also zu
einem binären Ausgangssignal. Diese Schaltungsform ist nichts Geringeres, als die Basis zum
Bau von Analog-Digital-Konvertern (ADC), wie sie milliardenfach eingesetzt werden.
Betrachtet man Spannungswert und Frequenz eines analogen Signals als reelle Zahlen, sind
mit einem OpAmp auch mathematische Operationen, nämlich Addieren, Subtrahieren,
Integrieren und Differenzieren möglich. Unter Einbezug von nicht-linearen Bauteilen,
beispielweisen Dioden, sind auch Logarithmus und Exponentialfunktionen möglich. Die
allerersten Rechner arbeiteten übrigens rein analog und mit Hilfe von OpAmps.
Integrieren einer Rechteck- und einer Dreieck-Spannung
Quelle: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0412061.htm
Überaus wichtig in der analogen wie auch in der digitalen Signalverarbeitung sind Filter wie
beispielsweise Hochpass oder Tiefpass. Ein typisches Anwendungsbeispiel für ein
Tiefpassfilter ist auf jeder Soundkarte zu finden: Obwohl Audiosignale im PC digital
bearbeitet werden, muss ein Audiosignal, spätestens dann, wenn es von einem Menschen
wahrgenommen werden soll, als Analogsignal vorliegen. Dieses Signal wird von einem DAC
generiert, besitzt aber infolge der Abtastrate einen treppenförmigen Verlauf. Dieses Signal
muss von einem Tiefpassfilter, dessen Grenzfrequenz der halben Abtastrate entspricht,
geglättet werden. Zudem werden die höheren Frequenzen und die störenden Oberwellen
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herausgefiltert. Erst jetzt „klingt“ das Analogsignal natürlich und kann auf einem
Lautsprecher geführt werden.
Solche Filter lassen sich zwar aus RLC-Kombinationen (Kombinationen aus Widerständen,
Induktivitäten und Kondensatoren) aufbauen, allerdings sind so keine steilen Kennlinien und
Filter höherer Ordnung möglich. Um dieses Problem zu lösen, kommen ebenfalls wieder
OpAmps zum Einsatz.
Es wird also deutlich, dass OpAmps Universal-Bausteine der analogen Signalverarbeitung
sind. Durch die schrittweise Digitalisierung analoger Systeme wie beispielsweise dem
Telefonnetz, GSM oder Audio- und Videospeicherung, entfallen nach und nach klassische
Anwendungsgebiete des OpAmps, da für die Verarbeitung jeweils DA-AD-Konvertierungen
notwendig werden. Es bietet sich also an, die mit OpAmps durchgeführten Operationen
digital abzuarbeiten.
Das Pendant zum OpAmp in der digitalen Signalverarbeitung ist der digitale Signalprozessor,
kurz DSP.
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Vorteile und Nachteile von DSPs
DSPs ersetzen herkömmliche, teilweise sehr aufwändige analoge Filterschaltungen durch
wenige, sehr hoch integrierte Schaltungselemente mit einer ausgeklügelten Software.
Darüber hinaus können sie Aufgaben ausführen, die mittels analoger Schaltungstechnik nur
schwer oder überhaupt nicht lösbar wären. Ein digitaler Filter lässt sich beispielsweise ohne
Änderung der Hardware vom Hoch- zum Tiefpass umprogrammieren; bei analogen Systemen
müsste das gesamte Hardware-Design angepasst werden. Zudem können sich die
Charakteristiken von analogen Schaltungen temperatur- und altersbedingt verändern,
digitale Schaltkreise sind von diesen Problemen nicht betroffen. Bauteiltoleranzen können
bei mehreren, identisch aufgebauten Schaltungen bei gleichem Eingangssignal durchaus zu
leicht verschiedenen Ausgangssignalen führen. Bei der digitalen Signalverarbeitung hingegen
sind die Ausgangssignale stets exakt reproduzierbar. Ein weiterer Vorteil ist die
Echtzeitverarbeitung von DSPs, sie erlaubt verschiedene Interrupt-Prioritäten und ist zudem
so ausgelegt, dass sie die höchst-priorisierten Interrupts garantiert nach einer
höchstzulässigen Zeit abarbeitet.
Aber auch einige Nachteile seien genannt: DSPs benötigen immer eine Energieversorgung,
passive Filter, wie sie in der Analogtechnik vorkommen, sind nicht möglich. Zudem
benötigen die internen Übertragungskanäle zur Datenverarbeitung eine viel höhere
Bandbreite im Vergleich zur Signalbandbreite, was einen höheren Stromverbrauch mit sich
ziehen kann. Die Verarbeitung von hochfrequenten Signalen im höheren Gigahertz- oder
sogar Terahertzbereich ist zurzeit noch nicht möglich. Falls analoge Signale verarbeitet
werden sollen, muss immer eine vollständige AD-DA-Wandlung erfolgen.
Architektur
Das Hauptunterscheidungsmerkmal von DSPs liegt beim verwendeten Zahlenformat.
Unterschieden wird zwischen Fest- und Gleitkommaarithmetik. Beide Ausführungen bieten
je nach Anwendungsgebiet verschiedene Vorteile:
Festkomma-DSPs verwenden für Zahlen ein festes Intervall mit einer bestimmten
Genauigkeit. Diese Variante stammt aus den Anfangszeiten, wird aber auch heute noch in
einem Grossteil der Anwendungen eingesetzt. Diese Variante ist im Gegensatz zu
Gleitkomma-DSPs schneller und kostengünstiger, da die Genauigkeit, sprich die Auflösung
einer Zahlendarstellung fast beliebig variiert werden kann. Ermöglicht wird dies durch die
Kombination einer Mantisse zusammen mit einem Exponenten. Der maximale Zahlenbereich
und die Auflösung stehen im umgekehrten Verhältnis zusammen. Viele Algorithmen in der
Signalverarbeitung lassen sich so einfacher implementieren.
DSPs verarbeiten im Gegensatz zu herkömmlichen CPU meist einen konstant anliegenden
Datenstrom. Ein DSP muss also in der Lage sein, eine bestimmte Datenmenge pro Zeiteinheit
sicher verarbeiten zu können. Diese erhöhte Anforderung an die Echtzeitfähigkeit wird mit
folgenden Massnahmen abgedeckt:
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Harvard-Architektur
Im Gegensatz zur weit verbreiten Von-Neumann-Architektur bei Mikrocontrollern
beinhaltet die Harvard-Architektur getrennte Speicher für Programm und Daten.
Somit können Programminstruktionen und benötigte Variablen gleichzeitig aus dem
Speicher geholt werden. Diese Parallelisierung verspricht einen entscheidenden
Geschwindigkeitsvorteil.
Gegenüberstellung Harvard- (oben) und Von-Neumann-Architektur (unten)
Quelle: http://www.hit-karlsruhe.de/Walter/Lehre/MC/MC_Vorlesung/Folien/folien/WEBFOLIEN/kap03.htm
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Getrennte Speicherbänke
Als Erweiterung zur Harvard-Architektur ermöglichen mehrere unabhängige
Speicherbänke, dass während dem Zurückschreiben der Ergebnisse der ausgeführten
Operation bereits die Parameter für die nächste Operation geladen werden können.
MAC-Befehl
Typische Berechnungen der digitalen Signalverarbeitung, wie die schnelle Fourier-
Transformation oder die Faltung, erfordern Berechnung in der Art von A‘ = A + B * C
(Addiere den Wert von Register A zum Produkt aus Register B und C und schreibe den
Wert zurück in Register A). Viele DSPs erlauben diesen Rechenschritt in einem
einzigen Taktzyklus. Dieser spezielle Maschinenbefehl wird MAC-Befehl (Multiply and
Accumulate) genannt.
Mehrere Rechenwerke
Viele DSPs verfügen neben dem Hauptrechenwerk (Central Arithmetic Unit) über
eine Auxiliary Arithmetic Unit, welche parallel zum Hauptwerk arithmetische
Berechnungen ausführen kann, solange dieses beschäftigt ist.
VLIW-Befehle
(Very-Long-Instruction-Word)
Während dem Übersetzen prüft der Compiler, welche Operationen vom Prozessor
parallel ausgeführt werden können. Diese Instruktionen werden in ein langes
Instruktionswort gepackt, welches vom Prozessor ohne weitere Analyse direkt an die
entsprechenden, parallel arbeitenden Funktionseinheiten weitergegeben werden.
Das Gegenteil zu VLIW ist die Superskalarität; die Eigenschaft eines Prozessors,
Parallelität selbstständig auf Befehlsebene durchzuführen.
Hardware-Unterstützung für vielfach verwendete Programmabläufe
Viele DSPs unterstützen die Abarbeitung von Schleifen mittels speziellen Hardware-
Komponenten. Dies wirkt sich positiv auf die Abarbeitungsgeschwindigkeit aus, da
kein Software- Overhead pro Iteration notwendig ist.
Address-Generator-Unit (AGU), eine Einheit, die darauf spezialisiert ist, die
benötigten Adressen für Speicherzugriffe oder Programmsprünge zu berechnen.
Bit-Reversed-Adressierung
Da die Endergebnisse von Fast-Fourier-Transformationen (FFT) „bit-reversed“ sind,
kann diese Adressierung verwendet werden, um berechnete Daten so im Speicher
abzulegen, dass anschliessend keine Speicherinhalte mehr vertauscht werden
müssen.
Zur Kommunikation mit der Periphere kommen mehrere parallele und serielle Schnittstellen
wie beispielweise SPI (Serial Peripheral Interface) oder I²S (Inter-IC Sound Interface) zum
Einsatz.
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Architektur am Beispiel des dsPIC30F
Die dsPIC30F-Familie der Firma Microchip sind sogenannte „Versatile 5V DSCs“ mit 16-bit-
Architektur. Der gleiche Hersteller vertreibt zudem eine noch leistungsfähigere Variante, die
dsPIC33F/E-Familie.
Bei beiden Derivaten handelt es sich nicht nur um DSPs, sondern um digitale
Signalcontroller. Das bedeutet, dass zusätzliche Peripherie, die für den Betrieb eines
Prozessors notwendig sind, wie Programm- und Arbeitsspeicher und Oszillator, bereits im
Chip integriert sind. Die umfangreichen Controller-Eigenschaften werden mit einer
rechenstarken DSP-Funktionalität kombiniert.
Die verschiedenen Derivate aus der dsPIC30F-Familie unterscheiden sich hauptsächlich in
der Grösse des Programmspeichers (zwischen 6 und 144 kBytes) und des Arbeitsspeichers
(zwischen 256 und 8192 Bytes). Die maximale Verarbeitungsgeschwindigkeit beträgt bei
sämtlichen Derivaten 30 MIPS und der Preis beläuft sich zwischen 2 und 7 $.
Anhand des unten abgebildeten Blockdiagramms werden die einzelnen Funktionen erläutert.
Es ist zu beachten, dass eine klare Abgrenzung zwischen MCU und DSP schwer möglich ist,
da viele Komponenten von beiden Logikeinheiten verwendet werden.
Blockdiagramm der dsPIC30F-Architektur
Quelle: http://www.microchip.com/pagehandler/en-us/family/16bit/architecture/dspic30f.html
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Kern-Komponenten:
PSV:
(Program Space Visibilty)
Ein Problem der Harvard-Architektur sind die unterschiedlichen Adressierung-Mechanismen
für Programm- und Datenspeicher. Es kann unübersichtlich werden, falls auf eine grössere
Datenstruktur im Programspeicher zugegriffen werden soll. Mit PSV ist es möglich, einen
kleinen Teil aus dem Programspeicher so abzubilden, als befinde sich dieses „Datenfenster“
im Datenspeicher, worauf Direktzugriff möglich ist.
Core Register Array:
Arbeitsregister 16 x 16 bit.
Shadow Register Array:
Hilfsregister, welche nicht direkt adressiert werden können.
Instruction Decode:
Der Befehlsdecoder zerlegt die in Maschinencode geschriebenen Instruktionen in einzelne
Arbeitsschritte, mit denen die verschiedenen logischen Funktionseinheiten der ALU und den
weiteren hardwareunterstützten Logikfunktionen aktiviert werden.
ALU:
(Arithmetic Logic Unit)
Rechenwerk des MCU-Teils für arithmetische und logische Operationen.
HW Multiply/Divide:
Ermöglicht MAC-Operationen.
DSP Egine:
Der eigentliche DSP-Kern besitzt unter anderem eine eigene 40-bit-ALU.
Accumulator:
Register, welches Ergebnisse der ALU enthält.
Program Counter:
Der Befehlszähler enthält jeweils die Speicheradresse des nächsten auszuführenden
Befehls.
Barrel Shifter:
Ermöglicht Verschiebungen um mehrere Bits nach links und rechts in nur einem Systemtakt.
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Peripherie-Komponenten:
Program Memory:
Programmspeicher ( = ROM).
Data Memory:
Datenspeicher, Arbeitsspeicher ( = RAM).
Data EEPROM:
(EEPROM = Electrically Erasable Progammable Read-Only Memory)
Nichtflüchtiger, zur Laufzeit les- und schreibbarer Speicher.
EEPROM-Schreibzugriffe sind im Gegensatz zu Lesezugriffen äussert langsam, jeder
Schreibzugriff unterliegt zudem einem Verschleiss. EEPROMs werden beispielweise für
Konfigurationsdaten verwendet, die häufig gelesen aber selten verändert werden.
Interrupt Controller:
Viele Peripherie-Komponenten sind in der Lage, Interrupts auszulösen, welche vom
Interrupt-Controller zusammengefasst und an den Kern weitergeleitet werden. Der
dsPIC30F besitzt insgesamt 44 Interrupt-Quellen.
10/12-bit ADCs:
Analog-Digital-Wandler mit bis zu 16 Eingängen und einer Abtastrate von 1 MS/s bei 10-bit
und 200 kS/s bei 12-bit.
SMPS PWM:
(PWM = Pulsweitenmodulation)
(SMPS = Switch Mode Power Supply)
PWM-Modul mit acht Kanälen, besonders geeignet zum Bau von Schaltnetzteilen.
MC PWM:
(MC = Motor Control)
PWM-Modul, welches sog. Totzeiten generieren kann.
Hintergrund: Motoren werden oft mittels Transistoren in H-Schaltung angesteuert. Wenn
nun beispielsweise der High-side-Transistor aus- und gleichzeitig der Low-side-Transistor
eingeschaltet wird, leiten beide Transistoren für einen kurzen Moment gleichzeitig. Dies
führt zu einem Kurzschluss der Versorgungsspannung. Um dieses Problem abzuwenden,
müssen den Umschaltvorgängen Totzeiten beigefügt werden.
Analog Comp.:
Die Analog-Eingänge des ADCs können auch auf einen konfigurierbaren Komparator geführt
werden. Die Funktionsweise von Komparatoren ist in der Einleitung beschrieben.
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QEI:
(QEI = Quadratur-Encoder-Interface)
Quadratur-Encoder, auch bekannt als Inkrementalgeber, werden bei Positions- und
Geschwindigkeitsbestimmung in Rotationssystem verwendet. Die von diesen Gebern
abgegebenen Rechtecksignale werden vom QEI decodiert und als nummerische Werte für
Position und Geschwindigkeit zur Verfügung gestellt.
Codec Interface:
Unterstützung für I²S und AC’97 ( = Audio-Standard).
CAN:
( = Controller Area Network)
Der CAN-Bus ist ein asynchroner, serieller Feldbus. 1983 von Bosch für die Vernetzung von
Steuergeräten im Automobilsektor entwickelt, findet der CAN-Bus heute vielfältige
Anwendung auch ausserhalb der Automobilindustrie.
Die maximale Datenrate beträgt 1 Mbit/s.
SPI:
( = Serial Peripheral Interface)
SPI ist ein von Motorola entwickelter, synchroner serieller Datenbus.
Es werden drei gemeinsame Leitungen (CLOCK, MOSI, MISO) sowie pro
Kommunikationsteilnehmer eine Chip-Select-Leitung benötigt.
Die Taktfrequenz kann mehrere MHz betragen.
I²C:
( = Inter-Integrated Circuit)
I²C ist ein von Phillips entwickelter, synchroner serieller Datenbus.
Im Gegensatz zu SPI werden, unabhängig von der Anzahl Busteilnehmer, nur zwei Leitungen
(CLOCK und DATA) benötigt.
Die maximale Datenrate beträgt 400 kbit/s. Obwohl neuere Bus-Systeme deutlich schneller
sind, ist I²C wegen des geringen Aufwands ideal für Peripheriegeräte, die nicht schnell sein
müssen. Häufig wird der Bus zur Übertragung von Steuerungs- und Konfigurationsdaten
verwendet.
16/32-bit Timers:
Timer sind sehr wichtige Komponenten in einem Controller. Durch Prescaler- und
Postscaler-Register lassen sich vielseitige Intervalle einstellen, welche dann beispielsweise
interruptgesteuert zyklisch Subroutinen des Hauptprogrammes aufrufen.
Zudem dienen Timer als Zeitbasis für diverse interne Peripherie wie PWM, Input Capture
oder Output Compare.
Der dsPIC besitzt fünf 16-bit-Timer, welche paarweise zu einem 32-bit-Timer
zusammengeschlossen werden können.
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Input Capture:
Bei dieser Betriebsart kann am Input-Capture-Anschluss eine externe Signalquelle
angeschlossen werden. Je nach Konfiguration wird eine steigende oder fallende Flanke
erkannt und der zu diesem Zeitpunkt aktuelle Timer-Wert wird in ein spezielles Register
geschrieben. Gleichzeitig kann auch ein entsprechender Software-Interrupt ausgelöst
werden.
Output Compare:
In ein spezielles Vergleichswertregister wird ein Wert geschrieben, der ständig mit einem
Timer-Wert verglichen wird. Erreicht der Timer den in diesem Register eingetragenen Wert,
kann an ein externes Signal erzeugt oder ein Software-Interrupt ausgelöst werden.
GPIO:
( = General Purpose Input / Output)
Allgemein verwendbare Kontaktpins, deren Verhalten durch das Programmieren frei
bestimmbar ist, sei es als Eingang oder als Ausgang. Da ein GPIO in der Lage ist, bis 25 mA
gegen Masse und Vcc zu liefern, können beispielsweise LEDs direkt angeschlossen werden.
RTCC:
( = Real-Time Clock and Calendar)
Ein vom DSP-Engine und MCU unabhängiges Modul, das die aktuelle Zeit liefert. Dieses
Modul benötigt einen zusätzlichen externen Uhrenquarz (32.768 kHz) und ist für eine
minimale Stromaufnahme optimiert. Mit einer Lithium-Knopfzelle lässt sich das RTCC ca. 10
Jahre ohne zusätzliche Stromversorgung betreiben.
CRC:
( = Cyclic Redundancy Check)
Harware-unterstützte Berechnungen für die zyklische Redundanzprüfung, wie sie sehr oft
bei Datenübertragungen aller Art und Speicherung benutzt wird, um Fehler zu erkennen.
Watchdog:
Ein eigenständiger Zähler, der nach Ablauf einer gewissen Zeit den Controller zurücksetzt
(RESET). Im Programmcode muss der Watchdog zyklisch vor Ablauf dieser Zeit mithilfe eines
speziellen Befehls zurückgesetzt werden. Damit soll verhindert werden, dass sich das
Programm beispielsweise in einer Endlosschleife verfängt und sich die Applikation
„aufhängt“.
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Anmerkung zum Systemtakt:
Der dsPIC30F kann von einem externen Signal (DC – 40 MHz), einem externen RC-Glied,
einem externen Quarzoszillator oder einem internen 7.37-MHz-RC-Glied getaktet werden.
Eine konfigurierbare PLL-Schaltung (Phase-Locked Loop) kann den Systemtakt um den Faktor
4, 8 oder 16 vergrössern.
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Hersteller
Viele namhafte Hersteller von integrierten Schaltungen führen DSPs in ihrer Produktpalette.
Texas Instruments (TI), Marktführer:
C2000
Diese Baureihe enthält eine komplette, fünfstufige 32-bit-DSP-Familie vom low-costbis
zum high-end-Controller. Die Peripherie umfasst Mehrkanal-A/D-Wandler mit 12-
bit-Auflösung und einer Abtastrate von bis zu 14 MS/s und synchronisierte
Pulsweitenmodulation mit einem hochauflösenden Modus. Als Schnittstellen stehen
UART, I²C, SPI, CAN sowie Quadratureingänge für Quadratur-Encoder
(Inkrementalgeber) zur Verfügung.
Kostenpunkt: $1.50 bis $9.00
C5000
Dies ist eine auf Batterieanwendungen und somit auf geringen Stromverbrauch
optimierte Architektur. Viele 2G-Mobiltelefone von Nokia und Ericsson in den späten
90er-Jahren enthielten einen DSP aus dieser Baureihe.
C6000
Diese DSP-Familie umfasst sowohl Fest- also auch Gleitkommaarithmetik.
DaVinci
Die DaVinci-Serie ist für Videoanwendungen optimiert. Während ältere DSP nur PAL
und NTSC verarbeiten, unterstützen neuere Derivate auch HDTV.
OMAP (Open Multimedia Applications Platform)
Diese Bauform enthält einen DSP und einen klassischen Mikrocontroller zusammen
mit weiterer Peripherie auf einem einzigen Chip, einem sogenannten SoC (System on
Chip).
Das Smartphone Galaxy Nexus enthält beispielsweise einen OMAP 4460 SoC.
Microchip Technology Inc:
dsPIC
Die dsPIC-Familie hat mit den beliebten und weit verbreiteten 8-Bit-PICs nichts
gemeinsam. Sie basiert auf der 16-Bit-Architektur der PIC24-Familie, mit zusätzlicher
DSP-Funktionalität. Viele Derivate enthalten ein AC97/I²S-Interface, CAN, spezielle
Motor-Control-PWM und AD-Wandler.
Die dsPIC30F-Produktfamile wird oben vorgestellt.
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Infineon Technologies AG:
TriCore
Hierbei handelt es sich um einen 32-Bit-Mikrocontroller mit DSP-Funktionen.
Aktueller Schwerpunkt sind High-Performance-Embedded-Real-Time-Systeme in
Industrie- und Automobilanwendungen.
Analog Devices Inc:
SHARC
32-Bit-DSP, seit 1993 verfügbar
Blackfin
Eine Kombination aus 32-Bit-RISC-MCU und 16-Bit-Festkomma-DSP
Programmiersprachen
Bei der Entwicklung eines Algorithmus bietet es sich an, ihn zuerst mittels Standardsoftware
für numerische Mathematik wie MATLAB oder Octave zu implementieren und auf einem PC
zu testen. Anschliessend kann der Algorithmus auf den DSP portiert werden.
Softwareentwicklung für DSPs geschieht nicht selten in Assembler. Grund dafür ist, dass viele
Hochsprachen-Compiler die zur Verfügung stehenden speziellen Maschineninstruktionen
nicht optimal ausnutzen. Doch die Motivation, Software unter Einbezug einer Hochsprache
zu entwickeln, ist hinlänglich bekannt. So bieten auch viele Firmen C-Compiler für ihre DSPs
an, wie beispielweise der C30 von Microchip. Compiler für andere Hochsprachen wie C++,
Ada oder Pascal wären denkbar, sind jedoch nicht weit verbreitet.
Zudem bieten alle Firmen Toolchains, also Werkzeugketten zum Kompilieren / Assemblieren,
Linken, Debuggen bis hin zum „Brennen“ des DPSs an.
Sehr oft wird bei der Arbeit mit Mikrocontrollern und auch mit DSPs ein festes Zeitintervall
benötigt, beispielsweise um A/D-Wandlungen auszulösen. Folgender Beispielcode illustriert
ein häufig eingesetztes „Design Pattern“:
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boolean go = false;
#int_TIMER1
void timebase(void)
{
go = true;
}
void main(void)
{
setup_timer_1(T2_DIV_BY_16,160,1);
while(true)
{
if(go)
{
go = false;
doTimeCriticalThings();
}
}
doOtherThings();
}
Beschreibung:
Zuerst wird eine globale Variable go deklariert. Anschliessend wird der Timer 1 mit
entsprechenden Pre- und Postscalern so konfiguriert, dass er im gewünschten Intervall einen
Interrupt auslöst. In der ISR timebase wird go auf true gesetzt, was in dem in einer
Endlosschlaufe laufenden Hauptprogramm detektiert wird.
Generell sollten ISRs so kurz wie möglich gehalten werden, deshalb wird
doTimeCriticalThings() auch erst im Hauptprogramm - eventuell nach kurzer Verzögerung –
abgearbeitet.
Dies ist ein einfaches Beispiel für kooperatives Multitasking: Jeder „Task“ nimmt die CPU
solange in Anspruch, wie er für die Abarbeitung benötigt. Es ist Sache des Programmierers,
dafür zu sorgen, dass kein Task zu lange benötigt.
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Anwendungsgebiete
Die Einsatzgebiete von DSP sind überaus vielseitig. In sehr vielen Anwendungen müssen
digitale Signale verarbeitet werden. Die nachfolgende Auflistung illustriert einige typische
Anwendungsgebiete:
Mischpulte und Equalizer
Klangbeeinflussung durch Verändern des Frequenzspektrums, Tonhöhevariierung,
Hall, Frequenzanhebung
Spracherkennung und Klangsynthese
Sprache lässt sich nicht nur erkennen, sondern mittels Klangsynthese auch
reproduzieren
Ausgleich von schlechten akustischen Gegebenheiten
In der Luftfahrt werden störende Turbinengeräusche aus den Kopfhörern der
Besatzung im Cockpit entfernt.
Modems
Die Modulation und Demodulation von Signalen, beispielsweise auf der
Telefonleitung bei der xDSL-Technologie, aber auch das Komprimieren und
Dekomprimieren erfordert leistungsfähige DSPs.
Echokompensation
Beim gleichzeitigem Senden und Empfangen von Signalen im Duplexbetrieb kann es
zu einem Echo oder Hall kommen, was durch die Echokompensation unterdrückt
oder beseitigt werden soll.
Dasselbe Problem tritt bei Freisprecheinrichtungen auf: Die Stimme aus dem
Lautsprecher wird vom Mikrofon wieder aufgefangen. Der Teilnehmer am anderen
Ende hört seine Stimme um eine kurze Zeit verzögert, was aber sehr störend wirkt.
Festplatten
Zur Motorkontrolle und Regelung der Servosysteme.
Bestandteil von SDR (Software Defined Radio)
Aktive Frequenzweiche
Datenkomprimierung
Digitale Bildbearbeitung
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Quellenverzeichnis
Die in dieser Arbeit verwendeten Informationen stammen aus folgenden Quellen:
• http://www.mikrocontroller.net/articles/Digitale_Signalverarbeitung
• http://de.wikipedia.org/wiki/Digitale_Signalverarbeitung
• http://de.wikipedia.org/wiki/Digitaler_Signalprozessor
• .zielinski.fh-aachen.de M T EinfuehrungDSP.pdf
• http://www.microchip.com/pagehandler/enus/family/
16bit/architecture/dspic30f.html
• „Audio-DSP-Kurs“, elektor 05-2011, 06-2011
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