Processeur de signal numérique

Un DSP (de l'anglais « Digital Signal Processor », qu'on pourrait traduire par « processeur de signal numérique ») est un microprocesseur optimisé pour les calculs. Son application principale est le traitement numérique du signal (filtrage, extraction de signaux, etc.).

Un DSP est un processeur dont l'architecture est optimisée pour effectuer des calculs complexes en un cycle d'horloge, mais aussi pour accéder très facilement à un grand nombre d'entrées-sorties (numériques ou analogiques). La fonction principale utilisée dans le DSP est la fonction multiply-accumulate (MAC), c'est-à-dire une multiplication suivie d'une addition et d'un stockage du résultat (fonction très utilisée dans les calculs d'asservissement et de filtrage).

Ces fonctionnalités sont privilégiées vis-à-vis de celles que l'on retrouve dans un processeur généraliste, comme par exemple la gestion des données de façon conditionnelle (Tests, etc).

Les DSP sont utilisés dans la plupart des applications du traitement numérique du signal en temps réel. On les trouve dans les modems (modem RTC, modem ADSL), les téléphones mobiles, les appareils multimédia (lecteur MP3), les récepteurs GPS... Ils sont également utilisés dans des systèmes vidéo, les chaînes de traitement de son, partout où l'on reçoit un signal complexe que l'on doit modifier à l'aide du filtrage.

En ce qui concerne les filtres, les DSP en simplifient grandement la réalisation pour plusieurs raisons :

• résultat prédictible et hautement répétable (caractéristique des circuits numériques, par opposition aux circuits analogiques)
• nombre de composants externes réduit
• changement de filtre dynamique par simple programmation
• filtrage à phase linéaire.

Caractéristiques

• Bus de données et d'adresses séparés (architecture Harvard). Souvent double ou multiple architecture Harvard, c’est-à-dire plusieurs bus de données séparés dans l'espace mémoire.
• Instructions spéciales pour opérations SIMD (Single Instruction, Multiple Data). Une seule instruction permet d'effectuer plusieurs opérations simultanées dans les différents blocs du DSP.
• Seulement des processus parallèles, pas de multitâche. Des contraintes sont imposées car les DSP n'ont qu'une gestion rudimentaire des interruptions quand ils en ont une.
• La possibilité d'être utilisé comme un périphérique à accès direct à la mémoire dans un environnement hôte.
• Peut prendre ses données numériques d'un convertisseur analogique-numérique (CAN ou ADC), appliquer un traitement sur ces données et les restituer au monde extérieur par un convertisseur numérique-analogique (CNA ou DAC).

schéma de principe d'un DSP

Les DSP peuvent être combinés avec d'autres composants dans le même boîtier. Par exemple, un ou plusieurs DSP peuvent être combinés avec un microprocesseur classique et des convertisseurs ADC et DAC. Ce type d'assemblage (circuits intégrés dédiés) permet de réduire les coûts dans des fabrications de grande série. Les fonctions de traitement de signal peuvent également être réalisés à l'aide de FPGA, qui peuvent incorporer des « cœurs DSP » (en général des MAC). La reconfiguration matérielle permet alors d'accroître le parallélisme des opérations. Les différents types d'architecture disponibles permettent d'adapter les circuits de traitement aux besoins spécifiques de l'application.

La majorité des DSP calculent exclusivement avec des nombres entiers. L'absence d'unité arithmétique en nombre flottant rend le composant meilleur marché tout en permettant une grande vitesse de traitement des données. Un multiplieur entier est en effet beaucoup plus simple qu'un multiplieur à virgule flottante. Les nombres entiers permettent d'obtenir une précision suffisante pour la plupart des applications.

Cependant, certains DSP possèdent des unités de calcul en virgule flottante comme le TMS320C67x ou le ADSP-TS20x. Des applications scientifiques ou, d'une manière générale, des applications qui nécessitent une grande précision relative des résultats ou une large dynamique des valeurs peuvent imposer le choix d'un DSP à virgule flottante.

De manière à optimiser la vitesse de traitement, les DSP utilisent des registres internes très larges. Par exemple, pour la famille DSP56k de Motorola, nous trouvons dans l'ALU (unité arithmétique et logique) quatre registres d'entrée de 24 bits, deux registres accumulateurs de 48 bits et deux extensions de 8 bits des registres accumulateurs. Ces dernières permettent d'obtenir une précision de 56 bits sur les registres accumulateurs, laquelle offre une bonne précision sur des calculs successifs et simplifie la gestion des erreurs pour le programmeur.

La ligne de démarcation entre les microprocesseurs à usages généraux et les DSP n'est pas toujours claire. Ainsi par exemple, l'extension MMX des processeurs Pentium MMX comprend, selon Intel, « 57 nouvelles instructions puissantes désignées pour manipuler et traiter efficacement les données vidéo, audio et graphique. Ces instructions sont destinées aux séquences répétitives et hautement parallèles qui sont souvent présentes dans les applications multimédia. »

Les DSP proposent des performances étonnantes. Par exemple, le DSP AD1460 qui est composé de 4 ADSP-21060 dans le même boîtier a une puissance de calcul maximum de 460 MFLOPS (460 millions d'opérations en virgule flottante par seconde). Un autre modèle, l'ADSP-21160 opère à 100 MHz, a un bus accéléré de mémoire d'une bande passante de 1600 mégaoctets par seconde, 2 bus de données en 64 bits et 4 accumulateurs de 80 bits pour les calculs sur des entiers. Au total, l'ADSP-21160 exécute une transformation de Fourier 1024 points en seulement 46 μs.

Traitement numérique du signal

Le traitement numérique du signal est réalisé avec des opérations mathématiques. En comparaison, un traitement de texte ou une base de données va classer des données mémorisées. Cela implique que des ordinateurs conçus pour de la bureautique ou d'autres applications générales ne sont pas optimisés pour des algorithmes comme du filtrage ou l'analyse de Fourier.

	Manipulation de données	Calculs mathématiques
Applications typiques	traitement de texte, base de données, tableur, système d'exploitation	traitement numérique du signal, contrôle de vitesse, simulation scientifique, simulation électronique
Opérations principales	mouvement de données (A → B) test de condition (si A=B alors ...)	addition (A + B = C) multiplication (A x B = C)

Les DSP sont capables d'effectuer une multiplication - accumulation (multiplication de deux valeurs avec addition ou stockage du résultat dans un registre) en un seul cycle d'horloge. Certains modèles sont même capables de réaliser plusieurs de ces opérations par cycle d'horloge.

Dans une machine dont le bus de donnée est de n bits, la multiplication de deux nombres donne un nombre codé sur 2*n bits. Pour que cela ne devienne pas rapidement une source d'erreur dans les calculs, les DSP ont des registres accumulateurs de 2 x n bits auxquels sont associés des registres auxiliaires. La précision totale des registres accumulateurs devient ainsi 2 x n bits + le nombre de bits d'un registre auxiliaire.

Dans un appareil équipé de DSP, la vitesse d'exécution des calculs dans le DSP est généralement la partie déterminante de la vitesse d'exécution du travail effectué par la machine. Il s'agit souvent de programmes très courts, de quelques centaines de lignes au maximum dont certaines parties (boucles) doivent être optimisées au maximum. C'est pourquoi beaucoup de programmeurs de DSP utilisent l'assembleur et analysent en détail le schéma d'exécution du code par la machine.

Cependant, certains DSP ont une architecture tellement complexe qu'il devient long et difficile pour le programmeur d'optimiser manuellement l'exécution. Il peut alors écrire son programme en C et laisser au compilateur le soin de réaliser l'optimisation du code. S'il le souhaite, le programmeur pourra alors analyser le code généré par le compilateur et y apporter les dernières retouches permettant d'obtenir du DSP la meilleure performance possible.

Le choix entre ces deux langages se fera donc en fonction de la complexité du programme, de la vitesse de traitement souhaitée, du nombre de programmeurs qui travailleront sur le projet et du coût du produit. D'autres facteurs comme l'expérience personnelle et les outils que propose le constructeur doivent aussi être considérés.

Fabricants

Il existe différents fabricants de DSP sur le marché.

• Analog Devices propose entre autres des DSP incorporant comme périphériques des ADC et des DAC.
• Freescale.
• Lucent.
• Microchip propose deux familles dénommées Digital Signal Contrôler (dsPIC30F et dsPIC33F), qui sont des microcontrôleurs avec des capacités de calcul renforcées et des périphériques de conversion analogique-numérique.
• Texas Instruments a une gamme étendue, comportant en particulier les familles C6000, C5000 et C2000.

Liens externes

• dspGuru : DSP Central Promouvoir l'échange des connaissances entre utilisateurs des DSP, ceci du débutant au spécialiste.
• Pocket Guide to Processors for DSP
• The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing
• Resources for Real Embedded Systems Professionals
• DSP Education and Research Liste mondiale d'universités qui ont des groupes de recherche sur les DSP et d'autres systèmes embarqués.
• DSP Engineering Magazine
• Introduction to DSP Cours d'introduction de BORES
• Groupes de discussion sur les DSP