eng
Сегодня системы c цифровой обработкой сигналов используют все активнее. В качестве элементной базы в них применяют цифровые сигнальные процессоры (digital signal processor – DSP) и ПЛИС типа FPGA. Как DSP, так и FPGA имеют свои преимущества для обработки сигналов. Какое из этих устройств выбрать для реализации конкретной системы? А может быть, лучше задействовать их комбинацию? Авторы статьи рассматривают комплекс критериев и конкретные примеры, которые помогут разработчикам сделать правильный выбор.
Главная :: Выпуски 2008 года
Выпуск № 8/2008 :: Элементная база электроники
Все объявления
ЯндексДирект
Дать объявление
DSP-процессоры Texas Instruments
Технологии для инновационных решений и систем. Узнайте больше!
www.ti.ru
Источники питания. Новые решения.
Для магнетронов, ионных источников, смещения, высоковольтные импульсные.
Адрес и телефон · www.pronika.ru
Анализ размеров частиц. КНР
Сухая и мокрая диспергация. Распределение по размерам. Воспроизводимость.EN
Адрес и телефон · www.bettersize.com
База
Хотите знать что это? Мы подскажем! Развивай кругозор вместе с нами :)
autoyear.ru
Б.Афра, А.Кападийя.
DSP или FPGA? Как выбрать нужное устройство
Загрузить полную версию статьи в формате .pdf (127 кб) Pdf
Сегодня системы c цифровой обработкой сигналов используют все активнее. В качестве элементной базы в них применяют цифровые сигнальные процессоры (digital signal processor – DSP) и ПЛИС типа FPGA. Как DSP, так и FPGA имеют свои преимущества для обработки сигналов. Какое из этих устройств выбрать для реализации конкретной системы? А может быть, лучше задействовать их комбинацию? Авторы статьи рассматривают комплекс критериев и конкретные примеры, которые помогут разработчикам сделать правильный выбор.
При выборе устройства для обработки сигналов разработчики рассматривают ряд параметров:
* производительность системы;
* энергопотребление;
* число компонентов и форм-фактор системы;
* предполагаемые области применения и возможность модернизации системы;
* экономические параметры, такие как разовые расходы на проектирование и внедрение в производство (non-recurring engineering – NRE), стоимость используемых материалов (bill-of-materials – BOM), время вывода на рынок (time-to-market) и риски проекта.
Выбор устройства обусловлен также знакомством команды разработчиков с той или иной технологией. Нередко разработчики имеют большой опыт работы с DSP, но плохо знают FPGA, и наоборот. С DSP-технологиями большинство инженеров знакомы лучше в силу относительной простоты дизайна системы на основе DSP. Однако знание обеих технологий значительно разнится в зависимости от команды специалистов, поэтому в данной статье не будем учитывать влияние конкретного опыта разработчиков на выбор технологии.
Для выбора между FPGA и/или DSP рассмотрим соотношение производительности системы и ее стоимости, а также функциональные особенности устройств каждого типа, связанные с их архитектурой. В качестве примеров возьмем устройства крупнейшего производителя DSP – компании Texas Instruments (TI) – и одного из основных поставщиков FPGA – компании Altera.
DSP-устройства компании Texas Instruments
В табл.1 представлены основные DSP-устройства компании Texas Instruments различных ценовых категорий. Таблица обобщает данные о более чем 160 DSP-устройствах. Процессоры в ней распределены по категориям на основе отношения цена/производительность. При этом некоторые семейства процессоров присутствуют в нескольких категориях.
Семейства FPGA компании Altera
В табл.2 представлены семейства FPGA компании Altera в различных ценовых категориях. Таблица обобщает данные об отношении цена/производительность более чем для 100 FPGA-устройств (включая различные диапазоны параметров производительности для устройств одного типа). Оценки величин MMAC выполнены для тактовых частот, которые достижимы при использовании более 70% ресурсов микросхемы. Данные о значениях MIPS в табл.2 не приводятся. Это связано с тем, что разработчик может включать в состав FPGA один или несколько процессоров NIOS II – в зависимости от доступных ресурсов (регистров и памяти). При этом определить производительность в MIPS для FPGA в целом невозможно, поскольку использование и спецификации встроенного процессора зависят от особенностей дизайна системы.
Выбор между DSP и FPGA
У обоих типов устройств – DSP и FPGA – есть сферы, где их применение является оптимальным решением. Например, FPGA – наилучший выбор для сетевых приложений, поддерживающих трафик на скоростях порядка гигабит в секунду. DSP имеют преимущество в видеоприложениях, таких как системы наблюдения. Вместе с тем, существуют и задачи, для решения которых пригодны оба типа устройств.
Ранее мы рассмотрели параметр цена/производительность для DSP и FPGA. Табл.3 обобщает эти данные для трех различных диапазонов производительности MMAC: низкой, средней и высокой. В табл.3 устройства сгруппированы также по стоимости. Например, устройства в среднем диапазоне производительности разделены на две ценовых группы: 10–30 долл. и 30–100 долл.
Отметим, что DSP и FPGA могут существенно различаться по функциональности и особенностям. Это нужно иметь в виду при оценке параметра цена/производительность для тех или иных устройств. Выбор устройства только на основе наилучшего соотношения цены и производительности может быть ошибочным.
Для того чтобы сделать более правильный выбор между FPGA и DSP, следует воспользоваться одновременно данными табл. 3 и 4. Процесс принятия решения, отображенный в табл.4, учитывает наличие в DSP функций, связанных с конкретным применением. Такие функции дают DSP преимущества по сравнению с FPGA из той же категории цена/производительность.
В проектах с требуемой производительностью ниже 300 MMAC DSP, как правило, оказываются оптимальным решением по критерию цена/производительность. Для систем, где необходима производительность 300–1000 MMAC, целесообразно применять DSP, которые оснащены функциями для данного приложения (такими как аудио/видеопорты, ARM-процессор и др.). Если же DSP с функциями для конкретного приложения не существует, нужно рассматривать другие параметры системы.
Для приложений, в которых требуется производительность выше 1000 MMAC, идеальным решением часто оказывается гибрид FPGA и DSP. Такие приложения нередко включают многочисленные алгоритмы обработки сигналов, при этом некоторые из них имеют низкие требования по производительности. В этом случае относительно недорогие DSP могут выполнять алгоритмы с требованиями к производительности от низкой до средней. Алгоритмы с более высокими требованиями при этом выполняет FPGA.
DSP в приложениях обработки сигналов
DSP – это специализированный процессор, ядро которого спроектировано так, чтобы оптимально выполнять алгоритмы обработки сигналов. Вместе с тем, DSP оснащены многими периферийными модулями и различными типами памяти, объединенными в одном устройстве, подобно микроконтроллерам. Можно сказать, что DSP предлагают всю гибкость и функциональность, которые присущи микроконтроллерам, в дополнение к архитектуре, оптимизированной для приложений обработки сигналов с низкими и средними требованиями к производительности. Сочетание этих особенностей делает DSP удачным выбором для множества приложений.
Приведем пример, связанный с контуром управления лазером. Компания Nuvation, выполнявшая этот проект, стремилась минимизировать число устройств, используемых в контуре. В FPGA недоставало встроенных ЦАП и АЦП. В DSP-устройствах они были доступны. Это позволило реализовать весь контур управления лазером на основе небольшого микроконтроллера с функциями DSP, оснащенного 12-битным АЦП, 8-битным ЦАП и Ethernet-интерфейсом. В результате удалось существенно сократить стоимость системы и упростить дизайн платы.
В другом проекте компания Nuvation разрабатывала блок управления двигателем с несколькими контурами управления. На первый взгляд, в этом случае целесообразно было использовать параллельную архитектуру FPGA. Однако после оценки затрат, связанных с разработкой каждой процессорной функции, оптимальным решением был признан контроллер с DSP-функциями.
FPGA в приложениях обработки сигналов
FPGA-устройства эффективны для параллельной высокоскоростной обработки сигналов. Например, для реализации фильтра с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр), работающего со скоростью 400 миллионов выборок в секунду (megasamples per second – MSPS), необходима производительность, которая примерно на порядок превышает возможности одного DSP. В то же время одно FPGA-устройство может легко обеспечить требуемую производительность. Правда, цена устройств, которые обеспечивают такую производительность, на порядок выше стоимости DSP за счет затрат на проектирование и стоимости самой микросхемы FPGA.
Совместное применение FPGA и DSP
Каждая дополнительная функция в FPGA влечет за собой больший срок разработки, большие затраты на проектирование и внедрение в производство и большую стоимость составных узлов устройства. Поэтому там, где это возможно, целесообразно возложить часть функций на DSP, оставив за FPGA вычисления с большим числом MAC-операций.
Как правило, это означает передачу DSP функций, требующих менее 1000 MMAC, и размещение функций с более высокими требованиями к производительности в FPGA. Например, компания Nuvation реализовала приложение для детектирования огибающей со скоростью работы 500 MSPS на основе гибридной системы FPGA-DSP. FPGA выполняла предварительную фильтрацию с высокой скоростью выборок и децимацию, а DSP реализовывал остальные функции обработки сигналов.
Пример использования: IP-камеры
Сегодня на рынке появляется все больше видеоприложений, таких как телевизионные приставки (set-top box), цифровые видеорекордеры (DVR), устройства для развлечений и цифровые видеокамеры. Многие из этих приложений ориентированы на рынок бытовой электроники. Поэтому нужно обеспечить низкую цену конечных продуктов, а следовательно, малые затраты на их проектирование и внедрение в производство. Более того, поскольку бытовая электроника – быстро меняющийся рынок, ключевым фактором становится время вывода на рынок нового изделия. Также необходимо минимизировать общие риски проекта. Наконец, тенденция к миниатюризации бытовой электроники и устройств, используемых в системах безопасности, играет важную роль в выборе форм-фактора системы.
Все эти требования относятся, в частности, к IP-камерам. Для того чтобы удовлетворить их, инженеры компании Nuvation выбрали для своих IP-камер (см. рисунок) устройство фирмы TI – TMS320DM6446. Это высокопроизводительная цифровая медиасистема на кристалле, предназначенная для видеоприложений высокого уровня. DM6446 – центральный элемент в IP-камере. Он обеспечивает сбор видеоданных, кодирование их в желаемый формат и вывод через Ethernet по протоколу TCP/IP. В состав DM6446 входят два процессорных ядра: DSP-ядро C64+, выполняющее алгоритмы обработки сигналов, и ядро ARM9, используемое в качестве сопроцессора и для управления периферийными устройствами.
Еще одно преимущество DM6446 – наличие полного дистрибутива Linux для ARM9. Linux позволяет разработчикам использовать существующее встроенное ПО с открытым исходным кодом и быстро интегрировать в ПО библиотеки третьих производителей. Наличие Ethernet-портов, видеопортов, малая поверхность, занимаемая процессором на плате, и низкое энергопотребление DM6446 также стали весомыми факторами для выбора этого устройства.
В целом можно сказать, что применение DM6446 в рассматриваемой системе позволило удовлетворить поставленные требования и минимизировать затраты на разработку и внедрение.
Таким образом, выбор между FPGA и DSP зависит от многих параметров. Для принятия решения нет универсальных правил, и разработчику приходится искать разумный компромисс. Только так можно выбрать платформу, которая максимально отвечает требованиям конкретной системы. Мы описали примеры дизайна, при котором наилучшим выбором являются FPGA или DSP, а также случаи, когда предпочтительны гибриды DSP/FPGA. Надеемся, что эта информация пригодится вам при выборе наиболее подходящего решения для ваших разработок.
Предыдущая статья:
Atmel: микроконтроллеры семейств AVR, AVR32 и ARM Содержание Следующая статья:
Многопроцессорные системы на базе ПЛИС Actel
Оставить комментарий >
Имя: (обязательно)
E-mail: (не публикуется)
Комментарий:
Введите
контрольный код: Cryptographp PictureReload
Выпуск № 8/2008 :: Элементная база электроники
Все объявления
ЯндексДирект
Дать объявление
DSP-процессоры Texas Instruments
Технологии для инновационных решений и систем. Узнайте больше!
www.ti.ru
Источники питания. Новые решения.
Для магнетронов, ионных источников, смещения, высоковольтные импульсные.
Адрес и телефон · www.pronika.ru
Анализ размеров частиц. КНР
Сухая и мокрая диспергация. Распределение по размерам. Воспроизводимость.EN
Адрес и телефон · www.bettersize.com
База
Хотите знать что это? Мы подскажем! Развивай кругозор вместе с нами :)
autoyear.ru
Б.Афра, А.Кападийя.
DSP или FPGA? Как выбрать нужное устройство
Загрузить полную версию статьи в формате .pdf (127 кб) Pdf
Сегодня системы c цифровой обработкой сигналов используют все активнее. В качестве элементной базы в них применяют цифровые сигнальные процессоры (digital signal processor – DSP) и ПЛИС типа FPGA. Как DSP, так и FPGA имеют свои преимущества для обработки сигналов. Какое из этих устройств выбрать для реализации конкретной системы? А может быть, лучше задействовать их комбинацию? Авторы статьи рассматривают комплекс критериев и конкретные примеры, которые помогут разработчикам сделать правильный выбор.
При выборе устройства для обработки сигналов разработчики рассматривают ряд параметров:
* производительность системы;
* энергопотребление;
* число компонентов и форм-фактор системы;
* предполагаемые области применения и возможность модернизации системы;
* экономические параметры, такие как разовые расходы на проектирование и внедрение в производство (non-recurring engineering – NRE), стоимость используемых материалов (bill-of-materials – BOM), время вывода на рынок (time-to-market) и риски проекта.
Выбор устройства обусловлен также знакомством команды разработчиков с той или иной технологией. Нередко разработчики имеют большой опыт работы с DSP, но плохо знают FPGA, и наоборот. С DSP-технологиями большинство инженеров знакомы лучше в силу относительной простоты дизайна системы на основе DSP. Однако знание обеих технологий значительно разнится в зависимости от команды специалистов, поэтому в данной статье не будем учитывать влияние конкретного опыта разработчиков на выбор технологии.
Для выбора между FPGA и/или DSP рассмотрим соотношение производительности системы и ее стоимости, а также функциональные особенности устройств каждого типа, связанные с их архитектурой. В качестве примеров возьмем устройства крупнейшего производителя DSP – компании Texas Instruments (TI) – и одного из основных поставщиков FPGA – компании Altera.
DSP-устройства компании Texas Instruments
В табл.1 представлены основные DSP-устройства компании Texas Instruments различных ценовых категорий. Таблица обобщает данные о более чем 160 DSP-устройствах. Процессоры в ней распределены по категориям на основе отношения цена/производительность. При этом некоторые семейства процессоров присутствуют в нескольких категориях.
Семейства FPGA компании Altera
В табл.2 представлены семейства FPGA компании Altera в различных ценовых категориях. Таблица обобщает данные об отношении цена/производительность более чем для 100 FPGA-устройств (включая различные диапазоны параметров производительности для устройств одного типа). Оценки величин MMAC выполнены для тактовых частот, которые достижимы при использовании более 70% ресурсов микросхемы. Данные о значениях MIPS в табл.2 не приводятся. Это связано с тем, что разработчик может включать в состав FPGA один или несколько процессоров NIOS II – в зависимости от доступных ресурсов (регистров и памяти). При этом определить производительность в MIPS для FPGA в целом невозможно, поскольку использование и спецификации встроенного процессора зависят от особенностей дизайна системы.
Выбор между DSP и FPGA
У обоих типов устройств – DSP и FPGA – есть сферы, где их применение является оптимальным решением. Например, FPGA – наилучший выбор для сетевых приложений, поддерживающих трафик на скоростях порядка гигабит в секунду. DSP имеют преимущество в видеоприложениях, таких как системы наблюдения. Вместе с тем, существуют и задачи, для решения которых пригодны оба типа устройств.
Ранее мы рассмотрели параметр цена/производительность для DSP и FPGA. Табл.3 обобщает эти данные для трех различных диапазонов производительности MMAC: низкой, средней и высокой. В табл.3 устройства сгруппированы также по стоимости. Например, устройства в среднем диапазоне производительности разделены на две ценовых группы: 10–30 долл. и 30–100 долл.
Отметим, что DSP и FPGA могут существенно различаться по функциональности и особенностям. Это нужно иметь в виду при оценке параметра цена/производительность для тех или иных устройств. Выбор устройства только на основе наилучшего соотношения цены и производительности может быть ошибочным.
Для того чтобы сделать более правильный выбор между FPGA и DSP, следует воспользоваться одновременно данными табл. 3 и 4. Процесс принятия решения, отображенный в табл.4, учитывает наличие в DSP функций, связанных с конкретным применением. Такие функции дают DSP преимущества по сравнению с FPGA из той же категории цена/производительность.
В проектах с требуемой производительностью ниже 300 MMAC DSP, как правило, оказываются оптимальным решением по критерию цена/производительность. Для систем, где необходима производительность 300–1000 MMAC, целесообразно применять DSP, которые оснащены функциями для данного приложения (такими как аудио/видеопорты, ARM-процессор и др.). Если же DSP с функциями для конкретного приложения не существует, нужно рассматривать другие параметры системы.
Для приложений, в которых требуется производительность выше 1000 MMAC, идеальным решением часто оказывается гибрид FPGA и DSP. Такие приложения нередко включают многочисленные алгоритмы обработки сигналов, при этом некоторые из них имеют низкие требования по производительности. В этом случае относительно недорогие DSP могут выполнять алгоритмы с требованиями к производительности от низкой до средней. Алгоритмы с более высокими требованиями при этом выполняет FPGA.
DSP в приложениях обработки сигналов
DSP – это специализированный процессор, ядро которого спроектировано так, чтобы оптимально выполнять алгоритмы обработки сигналов. Вместе с тем, DSP оснащены многими периферийными модулями и различными типами памяти, объединенными в одном устройстве, подобно микроконтроллерам. Можно сказать, что DSP предлагают всю гибкость и функциональность, которые присущи микроконтроллерам, в дополнение к архитектуре, оптимизированной для приложений обработки сигналов с низкими и средними требованиями к производительности. Сочетание этих особенностей делает DSP удачным выбором для множества приложений.
Приведем пример, связанный с контуром управления лазером. Компания Nuvation, выполнявшая этот проект, стремилась минимизировать число устройств, используемых в контуре. В FPGA недоставало встроенных ЦАП и АЦП. В DSP-устройствах они были доступны. Это позволило реализовать весь контур управления лазером на основе небольшого микроконтроллера с функциями DSP, оснащенного 12-битным АЦП, 8-битным ЦАП и Ethernet-интерфейсом. В результате удалось существенно сократить стоимость системы и упростить дизайн платы.
В другом проекте компания Nuvation разрабатывала блок управления двигателем с несколькими контурами управления. На первый взгляд, в этом случае целесообразно было использовать параллельную архитектуру FPGA. Однако после оценки затрат, связанных с разработкой каждой процессорной функции, оптимальным решением был признан контроллер с DSP-функциями.
FPGA в приложениях обработки сигналов
FPGA-устройства эффективны для параллельной высокоскоростной обработки сигналов. Например, для реализации фильтра с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр), работающего со скоростью 400 миллионов выборок в секунду (megasamples per second – MSPS), необходима производительность, которая примерно на порядок превышает возможности одного DSP. В то же время одно FPGA-устройство может легко обеспечить требуемую производительность. Правда, цена устройств, которые обеспечивают такую производительность, на порядок выше стоимости DSP за счет затрат на проектирование и стоимости самой микросхемы FPGA.
Совместное применение FPGA и DSP
Каждая дополнительная функция в FPGA влечет за собой больший срок разработки, большие затраты на проектирование и внедрение в производство и большую стоимость составных узлов устройства. Поэтому там, где это возможно, целесообразно возложить часть функций на DSP, оставив за FPGA вычисления с большим числом MAC-операций.
Как правило, это означает передачу DSP функций, требующих менее 1000 MMAC, и размещение функций с более высокими требованиями к производительности в FPGA. Например, компания Nuvation реализовала приложение для детектирования огибающей со скоростью работы 500 MSPS на основе гибридной системы FPGA-DSP. FPGA выполняла предварительную фильтрацию с высокой скоростью выборок и децимацию, а DSP реализовывал остальные функции обработки сигналов.
Пример использования: IP-камеры
Сегодня на рынке появляется все больше видеоприложений, таких как телевизионные приставки (set-top box), цифровые видеорекордеры (DVR), устройства для развлечений и цифровые видеокамеры. Многие из этих приложений ориентированы на рынок бытовой электроники. Поэтому нужно обеспечить низкую цену конечных продуктов, а следовательно, малые затраты на их проектирование и внедрение в производство. Более того, поскольку бытовая электроника – быстро меняющийся рынок, ключевым фактором становится время вывода на рынок нового изделия. Также необходимо минимизировать общие риски проекта. Наконец, тенденция к миниатюризации бытовой электроники и устройств, используемых в системах безопасности, играет важную роль в выборе форм-фактора системы.
Все эти требования относятся, в частности, к IP-камерам. Для того чтобы удовлетворить их, инженеры компании Nuvation выбрали для своих IP-камер (см. рисунок) устройство фирмы TI – TMS320DM6446. Это высокопроизводительная цифровая медиасистема на кристалле, предназначенная для видеоприложений высокого уровня. DM6446 – центральный элемент в IP-камере. Он обеспечивает сбор видеоданных, кодирование их в желаемый формат и вывод через Ethernet по протоколу TCP/IP. В состав DM6446 входят два процессорных ядра: DSP-ядро C64+, выполняющее алгоритмы обработки сигналов, и ядро ARM9, используемое в качестве сопроцессора и для управления периферийными устройствами.
Еще одно преимущество DM6446 – наличие полного дистрибутива Linux для ARM9. Linux позволяет разработчикам использовать существующее встроенное ПО с открытым исходным кодом и быстро интегрировать в ПО библиотеки третьих производителей. Наличие Ethernet-портов, видеопортов, малая поверхность, занимаемая процессором на плате, и низкое энергопотребление DM6446 также стали весомыми факторами для выбора этого устройства.
В целом можно сказать, что применение DM6446 в рассматриваемой системе позволило удовлетворить поставленные требования и минимизировать затраты на разработку и внедрение.
Таким образом, выбор между FPGA и DSP зависит от многих параметров. Для принятия решения нет универсальных правил, и разработчику приходится искать разумный компромисс. Только так можно выбрать платформу, которая максимально отвечает требованиям конкретной системы. Мы описали примеры дизайна, при котором наилучшим выбором являются FPGA или DSP, а также случаи, когда предпочтительны гибриды DSP/FPGA. Надеемся, что эта информация пригодится вам при выборе наиболее подходящего решения для ваших разработок.
Предыдущая статья:
Atmel: микроконтроллеры семейств AVR, AVR32 и ARM Содержание Следующая статья:
Многопроцессорные системы на базе ПЛИС Actel
Оставить комментарий >
Имя: (обязательно)
E-mail: (не публикуется)
Комментарий:
Введите
контрольный код: Cryptographp PictureReload
Отзывы читателей
