eng
Мир электроники преобразуется из аналогового в цифровой. И в основе этих преобразований – цифровой сигнальный процессор (DSP). Сегодня это одна из самых ярких, несомненно принадлежащая к “прорывным”, технология, позволяющая электронным системам “видеть”, “слышать” и другими способами взаимодействовать с внешним миром. Первоначально предназначавшиеся для научных исследований и перспективного военного оборудования, современные DSP становятся широко распространенными “потребительскими” изделиями. И, как считает фирма Motorola – один из ведущих изготовителей этих устройств, большинство покупателей в США в этом году приобретут хотя бы одно изделие, содержащее DSP (электронную игру или игрушку, сотовый телефон, модем, ПК, автомобиль, оснащенный электроникой, стереосистему, не говоря о новейших средствах доступа в Интернет). Этому, конечно, способствует совершенствование характеристик и снижение стоимости: за 20 лет с момента создания производительность цифровых сигнальных процессоров возросла с
1 млн. арифметических действий (МMAC) в секунду до 200 млн. операций в секунду (200 MIPS), а цена упала на 90%.
1 млн. арифметических действий (МMAC) в секунду до 200 млн. операций в секунду (200 MIPS), а цена упала на 90%.
Рынок DSP трудно поддается оценке, поскольку многие фирмы встраивают цифровые сигнальные ядра в выпускаемые схемы и не относят последние к классу сигнальных процессоров. Широко представлены на рынке схемы цифровой обработки сигнала, поставляемые без ассемблеров, компиляторов или средств разработки алгоритмов. Такие чипы производители зачастую относят к категории микропериферийных устройств. Поэтому оценки различных аналитических компаний могут значительно отличаться друг от друга. Так, по данным фирмы Integrated Circuit Technology (ICE), в 1999 году на мировом рынке будет продано DSP-схем на сумму около 4,0 млрд. долл., а в 2003-м – на сумму в 6,5 млрд. долл. (среднегодовые темпы прироста 14,3%). При этом доля схем, предназначенных для аппаратуры связи, составит 48%, для компьютеров/модемов – 30, накопителей на магнитных дисках – 12, авиакосмической техники – 5 и бытовой техники – 5%. А по оценкам Forward Concepts– аналитической фирмы, специализирующейся в области DSP-технологии, продажи сигнальных процессоров в 1999 году составят примерно 11 млрд. долл. (из них программируемых схем – 4,5 и непрограммируемых – более 6 млрд. долл.), а в 2003 году – 13,586 млрд. долл. (среднегодовые темпы прироста за период 1998-2003 годы – 31,2%). Основные области применения сигнальных процессоров – по-прежнему цифровые системы связи, контроллеры дисковых накопителей и аналоговые модемы. Кроме того, в последнее время их можно встретить в синтезаторах речи, системах звуковоспроизведения, средствах контроля потребляемой энергии и другом специальном оборудовании.
Цифровые сигнальные процессоры для средств связи. Движущей силой развития технологии цифровой обработки сигнала остаются беспроводные телекоммуникационные системы. О перспективности этого сектора рынка может свидетельствовать решение фирмы Intel приобрести за 1,6 млрд. долл. производителя комплектов DSP и программных средств – DSP Communications. Цель этого – укрепить свое положение на рынке DSP для сотовых систем и Интернет-инфраструктуры. Основные же производители DSP – Texas Insrtuments, Lucent Technologies, Motorola, Conexant Systems (бывшая Rockwell Semiconductor Systems) – активно готовятся к освоению рынка систем связи третьего поколения (3G), которые должны обеспечивать широкополосную высококачественную передачу большего объема голосовых сигналов и данных, а также поддерживать мультимедийные средства. И все это при меньшей стоимости и потребляемой мощности, чем у современных систем второго поколения (2G). Выполнение этих требований и должен обеспечить связной процессор.
Пока внимание крупнейших поставщиков сигнальных процессоров в основном сосредоточено на разработке схем для телефонов 2G-систем и средств 3G-инфраструктуры (работы по созданию элементной базы терминалов третьего поколения активизируются лишь через год-полтора). Сейчас производители активно осваивают рынок сотовых телефонов, мировой объем продаж которых, по оценкам Texas Instruments, крупнейшего производителя сигнальных процессоров (41,6% мирового объема продаж), в 1999 году составит 245 млн. шт. (вдвое больше, чем ПК). Texas Instruments – ведущий поставщик DSP и для сотовых телефонов. Основные устройства фирмы – процессоры серии TMS320C5000 с традиционной архитектурой. Их отличительная особенность – высокие характеристики при очень низкой потребляемой мощности (0,54 мВт/MIPS, 30–200 MIPS, цена – от 5 до 75 долл.). Фирма твердо намерена удержать свое лидерство в этой области. И пока ей это вполне удается. Достаточно сказать, что в 1998 году для сотовых телефонов фирмой было продано более 160 млн. DSP.
Не уступают свои позиции и другие крупные изготовители DSP. В начале 1998 года фирма Analog Devices (схемы которой особенно популярны на российском рынке) для портативного связного оборудования выпустила новые 16-разрядные сигнальные процессоры серии ADSP-218x, в том числе и в малогабаритном 100-выводном BGA-корпусе размером всего 10х10 мм и высотой 1,25 мм. Объем памяти встроенного СОЗУ последней схемы серии – ADSP-2186М – составляет 2 Мбит. Производительность схемы – 75 MIPS, потребление – 0,4 мА/MIPS. Напряжение питания процессоров серии ADSP-218x – 2,5–3,3 В. В серию входят 36 кодосовместимых DSP ценой от 9 до 30 долл. при закупке партии в 10 тыс. шт.
Растущие потребности рынка беспроводных средств связи стремится удовлетворить и фирма Motorola. К числу последних ее достижений относится 24-разрядный процессор серии DSP56300 – DSP56311 с производительностью 255 MIPS. В ИС помимо DSP-ядра на тактовую частоту 150 МГц, совместимого по объектному коду с ранее разработанными устройствами серий 56300 и 56000, входят сопроцессор, выполняющий функции фильтрации и подавления эхо-сигнала с производительностью 105 MIPS, и СОЗУ емкостью 3 Мбит (рис.1). Напряжение питания портов ввода/вывода и периферийных устройств – 3,3 В, ядра – 1,8 В, потребление – 0,7 мА/MIPS при напряжении питания 1,8 В и 0,9 мА/MIPS при 2,5 В. Монтируется схема 56311 в 196-выводной пластмассовый BGA-корпус с размером основания 15х15 мм. Основная область применения – современные сотовые 2G-системы GSM-стандарта, которые будут существовать еще достаточно долго наряду с 3G-системами (по оценкам Forward Concepts, рынок DSP для стационарных станций беспроводных систем связи, равный в 1998 году 160 млн. долл., к 2003-му достигнет примерно 410 млн. долл.). Новые схемы, способные поддерживать одновременно несколько голосовых каналов и каналов данных, пригодны и для проводных систем связи, и Интернет-телефонии.
Чтобы облегчить проектирование, уменьшить число компонентов и габариты сотовых телефонов, фирмой выпущен 16-разрядный процессор DSP56652, в котором объединено ядро сигнального процессора серии DSP56600 (на тактовую частоту до 58,8 МГц при напряжении питания 1,8 В или 70 МГц при 2,5 В), ядро 32-разрядного RISC-микропроцессора (на тактовую частоту до 16,8 МГц при 1,8 В и 40 МГц при 2,5 В), постоянная и оперативная память. Процессор также поставляется в 196-выводном BGA-корпусе размером 15х15 мм.
Наивысшее на сегодняшний день достижение в области сигнальных процессоров – DSP56690 фирмы Motorola. Он поддерживает все известные системы стандартов CDMA и TDMA, все европейские и американские сотовые системы, а также сотовые системы iDEN. Это означает и возможность поддержки наземных и спутниковых средств CDMA. По утверждению разработчиков, ни один производитель в мире не выпускает сейчас процессор, способный обрабатывать сигналы любых стандартов сотовой связи. В новом приборе, входящем в портфель устройств беспроводной связи DigitalDNA фирмы, объединены ядро сигнального процессора DSP56600 на тактовую частоту 100 МГц и 32-разрядный микроконтроллер М210 семейства M-CORE, работающий на тактовой частоте более 50 МГц. Напряжение питания – 1,8 В. Обмен данными между двумя процессорами осуществляется с помощью уникального интерфейса на базе ОЗУ коллективного пользования. Кроме того, в схему входит постоянная память большой емкости. Периферийные устройства позволяют конфигурировать схему в соответствии с требованиями изготовителей готовой продукции. Motorola уже поставляет опытные партии схемы производителям мобильных телефонов. Крупносерийное производство их планируется на 1 кв. 2000 года. Фирма намерена не только поставлять новое изделие на рынок, но использовать его в сотовых телефонах собственной разработки. Массовое производство процессора DSP56690 планируется на 1 кв. 2000 года.
Новый сигнальный процессор DSP16410 для стационарных станций беспроводных 3G-систем представила в этом году фирма Lucent Technologies. Производительность его 800 МMAC в секунду при потребляемой мощности 0,38 Вт. Размер схемы в корпусе – 15х15 мм. В нее входят два ядра серии DSP16000 и ОЗУ емкостью 3 Мбит, что обеспечивает большую гибкость в выборе объема и типа программного обеспечения для цифровой обработки сигнала. Контроллер прямого доступа к памяти обеспечивает высокую эффективность обработки сигнала, а усовершенствованные интерфейсы с большой пропускной способностью – обработку данных, что необходимо в инфраструктурах 3G-систем. Схема DSP16410 может быть использована в оборудовании всех стандартов передачи голоса и данных, в том числе широкополосного CDMA третьего поколения, узкополосного CDMA и TDMA. Она может поддерживать в 3,5 раза больше голосовых каналов, чем любая другая DSP-схема, занимающая ту же площадь печатной платы. А это значит, что изготовители стационарных станций могут разместить большее число DSP на плате или использовать в оборудовании печатные платы меньших размеров. В любом случае это приведет к снижению стоимости конечной продукции и повышению универсальности систем без ухудшения их производительности. Цена схемы, промышленное производство которой должно быть освоено в конце 1999 года, – 80 долл. при закупке партии в 10 тыс. штук.
Самая острая борьба развертывается в области создания DSP для инфраструктуры 3G-систем. Наиболее известные на сегодняшний день DSP – это схемы семейства TMS320C6000 (С6х) фирмы Texas Instruments, выполненные с усовершенствованной архитектурой VLIW (Very Long Instruction Word – очень длинное командное слово) и предназначенные для широкополосных средств связи (рис.2). В семейство входят DSP с фиксированной (серия С62х) и плавающей (серия С67х) запятой. Быстродействие первых – 1200–2400 MIPS. Области их применения – стационарные станции беспроводных систем связи, модемы высокоскоростных асимметричных цифровых абонентских линий (ASDL), средства организации сетей, коммутационное оборудование учрежденческих телефонных станций, цифровая широковещательная аппаратура. Быстродействие DSP с плавающей точкой – от 600 млн. (MFLOPS) до рекордного на сегодняшний дней значения 1 млрд. операций (GFLOPS). Предназначены они для таких высокоточных систем, как стационарные станции спутниковых систем связи, медицинское оборудование формирования изображения, средства распознавания речи, трехмерные графические системы, оборудование визуализации результатов научных исследований. На разработку устройств С6х-платформы фирма уже затратила более 100 млн. долларов.
Применение VLIW-архитектуры и перспективных инструментальных средств позволяет компоновать отдельные команды в командное слово так, чтобы обеспечить максимальную производительность. Поскольку в обоих типах приборов использована одна и та же архитектура, С62х и С67х совместимы по коду и выводам. Это позволит проектировщикам создавать опытные образцы DSP на базе ИС с плавающей точкой, а реализовывать промышленные, более дешевые образцы с фиксированной точкой. При создании сигнальных процессоров основное внимание уделяется уже не аппаратным средствам, а программным, что позволяет сократить время выхода на рынок с новым изделием и облегчает расширение возможностей изделия. Для этого предусмотрены инструментальные средства проектирования, обеспечивающие пользователю максимальный доступ к перспективной VLIW-архитектуре с высоким параллелизмом. Они формируют простую среду проектирования, позволяя оптимизировать производительность прибора и облегчить проектирование аппаратных и программных средств.
Сейчас фирма ставит перед собой цель достичь производительности в 5000 MIPS для схем семейства С62х и 3 GFLOPS для С67х. И она уверенно движется к этой цели. В конце года выпущена первая схема DSP типа TMS320C6205 со встроенным контроллером шины PCI. Производительность схемы – 1600 MIPS при тактовой частоте 200 МГц, рассеиваемая мощность – в среднем 1,2 Вт. В схему входят память объемом 1 Мбит, два многоканальных буферизованных последовательных порта, 32-разрядный интерфейс внешней памяти и 32-разрядный PCI-интерфейс. Монтируется схема в 306-выводной BGA-корпус. Одновременно фирма представила и схему TMS320C6204 с 32-разрядной шиной расширения, позволяющей вдвое увеличить пропускную способность ввода/вывода по сравнению с более ранним вариантом С6201. В остальном схема аналогична С6205. Монтируется она в 384-выводной BGA-корпус. Опытные образцы обеих схем появятся во 2 кв. 2000 года, серийное производство намечено на 4 кв. При закупке партии в 25 тыс. шт. цена С6205 – 45 долл., С6204 – 35 долларов.
За два года с момента появления семейства С6х Texas Instruments выпустила восемь типов схем. Исходя из данных по объему продаж средств проектирования (в основном редакторов связи), фирма считает, что сегодня в мире разработкой систем на базе этого семейства заняты около 5000 конструкторов и ежедневно их становится в среднем на 10 человек больше. Схемы серии С6х используют восемь из десяти основных изготовителей стационарных станций 3G-систем. Процессоры платформы С6х можно найти и в DSL-модемах и ПК таких крупнейших производителей компьютерных и связных систем, как Erricson, Siemens, IBM. По преспективному плану развития (roadmap) фирмы, параметры схем платформы С6х до 2002 года должны быть улучшены на порядок.
Стремясь упрочнить свои позиции на рынке DSP для средств связи, фирмы Lucent Technologies и Motorola открыли совместный корпоративный технологический центр Star*Core. Разработка DSP-ядра в центре Star*Core потребовала объединения интеллектуальной собственности, опыта разработки сигнальных процессоров и средств связи обеих фирм. Впервые создана DSP-архитектура, реализуемая в схемах двух поставщиков, что открывает большие возможности для удовлетворения спроса крупных заказчиков. К тому же объединение усилий Lucent Technologies и Motorola, на долю которых приходится 36% рынка схем DSP, может серьезно пошатнуть позиции Texas Instruments.
Задача центра – разработка настраиваемой архитектуры следующего поколения схем для многоканальных телекоммуникационных систем, мобильных телефонов и персональных цифровых помощников (PDA). Такая архитектура позволит решать конкретные задачи пользователя путем подключения отдельных блоков схемы без изменения базовой структуры схемы и набора команд. Важную роль здесь будут играть DSP-компиляторы.
В начале 1999 года появилось первое DSP-ядро семейства SC100 – SC140 с потреблением 0,1 мА/MIPS при тактовой частоте 300 МГц и напряжении питания 1,5 В. В применениях, где требуется чрезвычайно низкое потребление энергии, схема SC140 может работать при напряжении 0,9 В и обеспечивать на тактовой частоте 120 МГц производительность 1200 MIPS (0,066 мА/MIPS). 90% кода программного обеспечения, требуемого для реализации системы на базе архитектуры ядра, может быть написано на языке высокого уровня С или С++.
DSP-ядро располагает многими средствами параллельной обработки, в том числе четырьмя устройствами умножения с накоплением данных, четырьмя АЛУ, четырьмя устройствами группировки разрядов, двумя арифметическими устройствами адресации и эффективным четырехступенчатым конвейером. Архитектура SC140 предусматривает применение наборов команд переменной длины. Такая технология позволяет, используя заложенные в конкретном коде DSP-схемы возможности, одновременно выполнять многочисленные 16-разрядные команды и опциональные префиксные операции за один цикл. Программы, написанные для четырех устройств умножения с накоплением данных, могут быть использованы и в будущих схемах семейства SC100. DSP-ядро SC140 сопрягается с другими DSP- и микроконтроллерными ядрами, а также с самопрограммируемыми сопроцессорами.
Первый сигнальный процессор для будущих 3G-систем, Интернет-телефонии и многоканальных хDSL-систем на базе SC140, созданный фирмой Motorola, – MSC8101. Помимо DSP-ядра он содержит память емкостью 512 Кбайт (256Кх16 бит), 32-разрядный RISC-процессор, 64-разрядную PowerPC-шину, гибкое устройство системной интеграции и 16-канальное устройство прямого доступа к памяти. Благодаря наличию ядра с четырьмя АЛУ схема выполняет четыре операции умножения с накоплением за один тактовый цикл, RISC-процессор обеспечивает подключение к TDMA-, ATM (асинхронной передачи данных)-каналам и каналам сети Ethernet, а шина – к системам на базе микропроцессора PowerPC. На тактовой частоте 300 МГц производительность DSP-ядра схемы – 1200 MIPS, RISC-микропроцессора – 3000 MIPS. Напряжение питания ядра 1,5 В, портов ввода/вывода – 3,3 В. Предполагаемая полная потребляемая мощность схемы 0,5 Вт (DSP-ядра при максимальном быстродействии – менее 0,25 Вт). Поставка опытных образцов схемы в пластмассовом корпусе размером 17х17 мм планируется на 2 кв. 2000 года по начальной цене менее 100 долларов.
О разработке 16-разрядного процессорного ядра ADSP-219x (9x) для сотовых телефонов 3G-систем (рис.3), производительность которых в конечном итоге достигнет 300 MIPS,сообщила в конце 1999 года фирма Analog Devices. Производительность ИС с четырьмя ADSP-219x ядрами достигнет 1200 MMAC в секунду, потребление – 0,4 мА/MIPS при напряжении питания 2,5 В и 0,15 мА/ MIPS при 1,2 В. Схемные ядра серии кодосовместимы с процессором ADSP-218x. В ядро 9х входит встроенная память емкостью 16 Мбит (что во много раз больше объема памяти лучших современных схем DSP). Еще один необычный элемент схемы – перспективный высокопроизводительный интерфейс шины, соответствующий стандарту AMBATM фирмы ARM. Наличие такого интерфейса облегчает интеграцию схем серии в системы со стандартными ДОЗУ последовательного типа, последовательными портами, ЦАП и АЦП и телекоммуникационными каналами типа Т1/Е1. В 2000 году планируется выпустить универсальный DSP с одним ядром, оптимизированный для контроллеров двигателей процессор с одним ядром, схему с двумя ядрами для корпоративных систем связи xDSL и G.lite, счетверенное устройство для шлюзов сети Интернет. Цена самого дешевого варианта схемы не превысит 5 долларов.
В результате быстрого роста услуг сети Интернет усилилась тенденция к размещению оборудования доступа не на пользовательском конце, а со стороны провайдеров услуг Интернета или корпоративных шлюзов. Этот подход получил название удаленного доступа в сеть, а оборудование обеспечения доступа – сервера удаленного доступа (Remote Access Server – RAS). Такое оборудование содержит множество модемных портов, каждый из которых может быть подключен к отдельному пользователю. Пока аналоговые модемы входят практически в каждый ПК личного или корпоративного назначения и все еще представляют собой большой и быстро растущий сектор рынка DSP. Но ситуация быстро меняется, и в большинстве систем применяют более эффективные цифровые устройства. Работать на рынке пользовательских модемов, где прибыль не превышает 10%, становится невыгодно. Это заставило некоторых поставщиков начать поставки так называемых программных модемов (software modems), алгоритмы цифровой обработки сигнала которых наряду с функциями управления выполняет ЦП. Рынок программных модемов пока невелик (около 4 млн. шт.), но темпы его прироста выше, чем у традиционных устройств на базе DSP. Поэтому-то сегодня поставщики традиционных схем DSP для модемов делают ставку на рынок RAS, где конкуренция пока не столь жестокая, а доходы выше. По мнению фирмы Texas Instruments, здесь открываются большие возможности для средств передачи голоса и цифровых данных по одной сети в протоколе VoIP или VoDSL (Voice over Internet Protocol или Voice over DSL – протоколы передачи голосового сигнала в сети Интернет или по цифровым абонентским линиям соответственно). Особенно если считать верным прогноз, согласно которому всего за несколько десятилетий цифровая технология пакетной передачи сильно потеснит коммутационную. Это приведет к увеличению объема вычислений на два-три порядка. Поскольку на пользовательском конце может быть включен модем, факсимильный аппарат или голосовое устройство, в схеме DSP, обрабатывающей вызов, должна быть предусмотрена возможность быстрого изменения режима работы.
Крупные поставщики связных процессоров активно готовятся освоить рынок сетевых систем. Так, фирма Conexant уже выпустила процессор AnyPort, содержащий в одном корпусе три DSP и один RISC-контроллер и позволяющий устанавливать каналы связи между факсами или линиями ISDN и сетями, работающими с межсетевым протоколом (IP) или в режиме АТМ. Этот растущий рынок обслуживают ряд относительно новых полупроводниковых фирм, в том числе AudioCodes и 8х8. Ожидается, что в ближайшее время к ним присоединятся пока малоизвестные, но хорошо финансируемые компании.
Компания Conexant в конце 1999 года объявила о совместном проекте с новой фирмой CopperCom по разработке семейства процессоров для VoDSL-оборудования потребительских сетевых систем (Customer Premises Equipment). Процессоры должны поддерживать передачу нескольких голосовых сигналов по DSL-линиям. Вклад фирмы Conexant в проект – методы сжатия и обработки голоса, ATM- и DSL-технологии. Эти ключевые технологии будут “невидимо” встроены в новое семейство VoDSL-процессоров. Процессоры будут содержать многоканальный телефонный интерфейс, множество голосовых кодеков, устройства обработки голосового сигнала.
Нельзя не упоминуть и о DSP российской фирмы НТЦ "Модуль". Это – высокопроизводительный микропроцессор с суперскалярной архитектурой NM6403. В его состав входят 32-разрядное RISC-ядро и 64-разрядный векторный сопроцессор для поддержки операций над векторами с элементами переменной разрядности (заявка на выдачу изобретения No 98110876). Имеются два идентичных программируемых интерфейса для работы с внешней памятью различного типа и два коммуникационных порта, аппаратно совместимых с портами процессора TMS320C4x, для построения многопроцессорных систем. Процессор производится по 0,5-мкм КМОП-технологии на заводе фирмы Samsung. Тактовая частота его – до 50 MГц (время выполнения любой инструкции - 20 нс), напряжение питания - 2,7-3,6 В, потребляемая мощность на частоте 50 МГц – около 1,3 Вт. Особенность процессора - уникальная архитектура NeuroMatrix®, позволяющая работать с данными переменной разрядности, от 1 до 64 бит*. Процессоры уже полгода доступны в России по цене от 20-60 долл. в зависимости от объема партии.
НТЦ "Модуль" предлагает не только процессор, но и процессорное ядро NeuroMatrix® Core (NMC) для интеграции при заказном и полузаказном проектировании. Это ядро высокопроизводительного DSP с VLIW/SIMD-архитектурой, состоящее из 32-разрядного RISC-процессора и 1–64-разрядного сопроцессора и выполняющее от 1 до 288 операций умножения с накоплением за один процессорный такт. Ядро содержит всего 80 тыс. эквивалентных вентилей. При 0,25-мкм технологии возможна работа на тактовой частоте до 123 МГц. Фирма объявила о продаже лицензии на процессор компании Fujitsu Microelectroniс Europe. Эта неэксклюзивная патентная лицензия будет действовать четыре года (с правом пролонгации). По-видимому, пока это единственная сделка такого рода с участием отечественной фирмы.
На рынке связных процессоров DSP испытывают сильную конкуренцию со стороны ПЛИС, универсальных микропроцессоров и специализированных ИС. Как показано выше, возможна реализация связного процессора на базе всех или части указанных технологий, хотя всегда преобладает какая-нибудь одна из них. Например, если алгоритмы сложны и DSP не может “справиться” с ними, целесообразно их воплотить на аппаратном уровне в заказных ИС. При этом изготовители могут либо добавлять в библиотеки специализированных ИС элементы DSP, либо объединять DSP- и микроконтроллерные или микропроцессорные ядра. В последнем случае изделия продаются как стандартные, ориентированные на специальные применения, такие как системы управления дисководами и модемной связью, сжатия видеоизображений и др. Это так называемые стандартные специализированные DSP (табл.).
Простые алгоритмы достаточно легко реализовать с помощью универсальных микропроцессоров, архитектура которых предусматривает возможность обработки сигнала. И изготовители все чаще прибегают к ним. Пример такой схемы – процессор типа SH-DSP фирмы Hitachi, выполненный на базе популярного микроконтроллера SH2. Функции обработки сигнала на одном кристалле с контроллером планирует реализовать фирма Intel в разрабатываемой схеме StrongARM. С этой же целью в будущем 64-разрядном процессоре IA-64 используется VLIW-архитектура. В плане развития технологии “системы на кристалле”, выполняющей функции передачи и преобразования голоса и данных, такие известные компании, как LSI Logic, VLSI Technology, National Semiconductor, Samsung, также намерены интегрировать DSP-ядра в свои микропроцессоры. Фирма AMD планирует расширить возможности микропроцессора К6-III за счет добавления DSP-ядра, графических и связных функций.
Еще совсем недавно для программирования схем DSP было достаточно ассемблера, сегодня центр тяжести сместился к программам-компиляторам. По-видимому, программное обеспечение для DSP будет развиваться так же, как и для ПК. Производители сигнальных процессоров повторяют путь, пройденный поставщиками связного оборудования: слияние трех-четырех поставщиков, активно продвигающих новейшую технологию в основном в области программного обеспечения, а не аппаратных средств. И действительно, сегодня около 60% инженерных ресурсов, связанных с разработкой связных процессоров, идет на создание ПО. На него приходится 80% затрат на разработку технических средств для встроенных процессоров, независимо от того, является ли это составлением исходного кода или объединением отдельных частей программного кода. Интересное решение проблемы сокращения сроков разработки сигнальных процессоров (с 18 до 6 месяцев, по утверждению разработчиков) приняла фирма Zilog. Заключив соглашение на совместную разработку с компанией Production Languages Corp. (PLC), она смогла лицензировать инструментальные средства SD/ToolSmith компании PLC, основанные на запатентованной технологии совместной разработки процессора/средств проектирования (в том числе ассемблера, программы компиляции, средств эмуляции и отладки). В результате заказчик сигнального процессора может утвердить конструкцию до начала промышленного производства изделия.
Фирма Motorola расширила соглашение с британской компанией Signals & Software с целью создания ПО для следующего поколения DSP семейства Star*Core. Фирма Signals & Software уже начала разработку ПО на базе инструментальных средств Star*Core фирмы Motorola для пейджеров, телефонов сотовых и персональных систем связи, стационарных станций. В результате к моменту появления в следующем году первых изделий семейства Star*Core заказчики уже смогут приобрести и программные приложения для них. Соглашение предусматривает создание обширного комплекта программ, в том числе для вокодеров CDMA- и TDMA-стандартов, факсов 3G-систем, модемов.
Исключительное значение разработке ПО для связных сигнальных процессоров придает фирма Texas Instruments, о чем свидетельствует приобретение ею компании Telogy Networks, занимающейся разработкой связного ПО. В сентябре фирма сообщила о создании технологии программирования в реальном времени eXpressDSP – завершенной открытой программной среды, которая должна на порядок увеличить число DSP-приложения и на 50% сократить сроки проектирования продукта. Четыре ключевых составляющих eXpressDSP, позволяющих разработчикам быстро и полно реализовать возможности DSP, – зто мощные инструментальные средства проектирования, расширяемое программное обеспечение реального времени, стандарты, обесечивающие способность к взаимодействию и, наконец, постоянно расширяемая база программных модулей других фирм для DSP компании Texas Instruments. Новую программную технологию eXpressDSP уже приняли более 40 работающих совместно с Texas Instruments фирм. Среди прочих – это ADT, Blue Wave Systems, D2 Technologies, DSP Software Engineering, Delphi Communications, Momentum Data Systems, Precise Software Technologies, Spectrum Digital и др.
Сегодня разработкой ПО для сигнальных процессоров на фирме Texas Instruments занято 300 сотрудников и столько же вне ее. Во всем мире программы для DSP могут писать всего лишь около 30 тыс. конструкторов. Texas Instruments считает, что их должно быть сотни тысяч. Поэтому неудивительно, что фирма, придерживаясь принципа – чем больше специалистов будет разрабатывать ПО для DSP, тем большее применение они найдут, – финансирует курсы разработки программных средств DSP в 900 университетах мира.
Какова ситуация на других рынках DSP-схем? Объем продаж DSP для контроллеров дисководов в 1999 году составит примерно 500 млн. долл., на такую же сумму будет продано схем для управления функциями цифрового канала считывания. Плотность записи накопителей на жестких дисках в последние несколько лет ежегодно увеличивается на 60%, что намного превосходит темпы, определяемые законом Мура. И уже в конце 1999 года ожидалось увеличение емкости 3-дюймового жесткого диска в среднем с 4,3 до 10 Гбайт. Неуклонное увеличение плотности записи дисков требует применения более быстродействующих процессоров и более сложного алгоритма управления. Основной поставщик DSP для контроллеров дисковых накопителей – Texas Instruments. Другие крупные фирмы на этом рынке – Cirrus Logic, IBM, Lucent Technologies, NEC и STMicroelectronics. Ведущий поставщик ИС для управления функциями канала считывания – фирма Lucent. Успешно выступают в этом секторе Cirrus Logic, Texas Instruments и STMicroelectronics. Правда, большинство этих компаний в своих отчетах не включают такие схемы в категорию сигнальных процессоров, несмотря на то, что они – программируемые устройства.
Большой и перспективный рынок – программируемые DSP для аудиоаппаратуры. Сейчас это в значительной степени касается профессиональных средств звукозаписи. В бытовых устройствах воспроизведения используются непрограммируемые схемы DSP. И этим рынком нельзя пренебрегать, поскольку продажи систем синтезирования звука оцениваются в несколько сот миллионов долларов. Самый “горячий” сектор рынка аудиоаппаратуры в этом году – персональные плейеры МР3-формата, пригодные для воспроизведения музыкальных файлов со страниц Интернета*. Фирма Micronas Intermetall ежеквартально отгружает для самых популярных МР3-плейеров семейства Rio компании Diamond Multimedia сотни тысяч схем DSP-кодера. Но на рынке представлена полдюжина плейеров, в которых используются DSP-схемы фирм STMicroelectronics, Texas Instruments и др. Во второй половине 1999 года Toshiba выпустила новую серию сигнальных процессоров для поддержки различных форматов сжатия сигнала, используемых в телевизорах, а также портативных аудио- и DVD-плейерах. Процессор типа TC9446F-004 предназначен для декодеров сигналов МР3 и ААС-форматов, широко используемых при перекачке аудиофайлов из Интернета, а TC9446F-004 – для декодеров цифровых систем звуковоспроизведения Dolby, аудиовизуальных систем домашних кинотеатров. В схемах новой серии могут быть реализованы функции цифровой фильтрации, регулировки громкости, контроля динамического диапазона, эквалайзера.
Но, пожалуй, самое интересное достижение этого года – реализация Dolby технологии цифрового кодера (DDCE – Dolby Digital Consumer Encoder) в сигнальном процессоре DSP56362 фирмы Motorola. DDCE – технология кодирования аналоговых стереосигналов для хранения их в цифровой форме. Сейчас схема DSP56362 используется в различных аудио/видеоприемниках и DVD-проигрывателях, цифровых телевизорах и автомобильных системах. DDCE- сертификация схемы позволит уже в следующем году выпустить DVD-проигрыватели для воспроизведения как новейших цифровых, так и обычных аналоговых ТВ-программ. Схема DSP56362 – первый аудиосигнальный процессор марки Symphony, выполненный на базе ядра DSP56300. Благодаря своей высокой производительности (100 MIPS) процессор может работать во всех основных многоканальных аудиостандартах. Предвидя большой спрос на DVD-изделия, фирма сейчас разрабатывает систему второго поколения, которая позволит исключить необходимость применения внешней памяти. Позже, в этом году, Motorola представила и вариант реализации на базе DSP56362 технологии “звук-вокруг” (THSurround EXTM – разработка Lucasfilm и Dolby Laboratories) в домашних условиях. Помимо самой схемы DSP56362 фирма поставляет обширный набор инструментальных средств проектирования.
Перспективным рынком для DSP станут цифровые AM/FM-приемники, которые должны появиться на американском рынке в 2001 году. Цифровая техника должна обеспечить сопоставимое с записью на компакт-диске воспроизведение транслируемых по AM/FM-каналам программ. Если принять во внимание 600 млн. радиоприемников, имеющихся сегодня в США, возможности этого рынка трудно переоценить. И здесь фирма Texas Instruments вновь пытается обойти конкурентов. Она заключила соглашение с компанией USA Digital Radio, согласно которому ПО последней будет объединено с сигнальными процессорами серии С6х. Цель соглашения – создание коммерческих процессоров, способных поддержать стандарты цифровых радиоприемников.
Широко используются DSP-схемы и в бытовой технике, в том числе в контроллерах двигателей. Согласно прогнозам, в 2002 году для этих систем будет продано около 600 млн. DSP. По оценкам Texas Instruments, применение DSP-контроллеров для управления работой мотора позволяет снизить энергопотребление холодильника на 25% (по данным фирмы Analog Devices, – на 30–50%), а кондиционера или обогревателя воздуха – на 80%. В 2003 году в мире будет продано около 15 млрд. электромоторов, и если даже всего в 10% из них будут использованы цифровые средства управления, продажи DSP-схем окажутся огромными. Texas Instruments активно готовится к освоению столь перспективного рынка, выпустив семейство однокристальных DSP-контроллеров TMS320C2000, характеризуемых привлекательным для потребителя соотношением стоимость – рабочие характеристики: производительность процессоров 30 MIPS (примерно на 50% выше, чем у современных DSP-контроллеров), а цена TMS320LC2402 – 2,95 долл. при закупке партии в 10 тыс.шт. и менее 2 долл. при поставках на условиях OEM. Благодаря возможности программирования, функции большинства схем семейства можно расширять за счет внесения изменений в программу даже через несколько лет после выпуска изделия, в котором они использованы.
Всего лет пятнадцать назад возможность цифровой обработки сигнала рассматривалась в основном теоретически. Единственные системы, способные произвести цифровую обработку, представляли собой громоздкие вычислительные комплексы и суперкомпьютеры. И даже они не могли обеспечить обработку в реальном времени. Например, сейсмические данные, собранные в полевых условиях, записывались на магнитный накопитель, который пересылался в компьютерный центр, где обработка данных длилась несколько часов или даже дней. Первые системы цифровой обработки сигнала, выполненные на биполярных базовых кристаллах, появились в конце 70-х. Для создания системы требовалось большое число таких блоков-”кирпичей”. Ситуация начала меняться лишь в начале 80-х с появлением однокристального КМОП-сигнального процессора. Эти однокристальные процессоры первоначально нашли применение в устройствах с низким быстродействием: декодерах говорящих игрушек, простейших контроллерах и вокодерах. Сегодня их можно найти повсеместно: дома (показ фильмов по заказу, прием программ прямого спутникового телевидения, игры виртуальной реальности, средства управления бытовыми электроприборами), в офисе (для одновременной передачи голоса и данных по одной телефонной линии, системах видеоконференцсвязи, в интеллектуальном оргоборудовании), учебных заведениях (системы обучения с индивидуальным планированием занятий, интерактивные видеоклассы), при путешествиях и поездках (сотовые системы связи, портативные беспроводные факс/модемы, автомобильные амортизаторы, распознающие препятствия на дороге, видеокарты, указывающие местоположение автомобиля и оптимальный маршрут к пункту назначения). И области их применения непрерывно расширяются.
Status’99.
EDTN’s Top EDTN News: 09/30/98
www.edtn.com/news/topstory.html
www.semibliznews.com/pub/01b99/aylesworth.html
www.eet.com/myf99/ceo_dickson.html
Electronic Buyers’ News. 03/29/99
www.eet.com/myf99/ao_strauss.html
www.eet.com/story/OEG19990504S0010
www.eet.cpm/myf99/ao_donovan.html
www.semibliznews.com/pub/01b99/rodgers.html
204.247.196.14/sbn/sbnh2/news/19990609a7.shtml
204.247.196.14/sbn/sbnh2/news/19990610a4.shtml.
204.247.196.14/sbn/sbnh2/news/19990607a10.shtml.
204.247.196.14/sbn/sbnh2/news/19990521a4.shtml.
204.247.196.14/sbn/sbnh2/news/19990524a14.shtml.
www.electronicnews.com/enews/Issue/1999/09201999/38txnjd.asp
EE Times, 11/01/99.
Цифровые сигнальные процессоры для средств связи. Движущей силой развития технологии цифровой обработки сигнала остаются беспроводные телекоммуникационные системы. О перспективности этого сектора рынка может свидетельствовать решение фирмы Intel приобрести за 1,6 млрд. долл. производителя комплектов DSP и программных средств – DSP Communications. Цель этого – укрепить свое положение на рынке DSP для сотовых систем и Интернет-инфраструктуры. Основные же производители DSP – Texas Insrtuments, Lucent Technologies, Motorola, Conexant Systems (бывшая Rockwell Semiconductor Systems) – активно готовятся к освоению рынка систем связи третьего поколения (3G), которые должны обеспечивать широкополосную высококачественную передачу большего объема голосовых сигналов и данных, а также поддерживать мультимедийные средства. И все это при меньшей стоимости и потребляемой мощности, чем у современных систем второго поколения (2G). Выполнение этих требований и должен обеспечить связной процессор.
Пока внимание крупнейших поставщиков сигнальных процессоров в основном сосредоточено на разработке схем для телефонов 2G-систем и средств 3G-инфраструктуры (работы по созданию элементной базы терминалов третьего поколения активизируются лишь через год-полтора). Сейчас производители активно осваивают рынок сотовых телефонов, мировой объем продаж которых, по оценкам Texas Instruments, крупнейшего производителя сигнальных процессоров (41,6% мирового объема продаж), в 1999 году составит 245 млн. шт. (вдвое больше, чем ПК). Texas Instruments – ведущий поставщик DSP и для сотовых телефонов. Основные устройства фирмы – процессоры серии TMS320C5000 с традиционной архитектурой. Их отличительная особенность – высокие характеристики при очень низкой потребляемой мощности (0,54 мВт/MIPS, 30–200 MIPS, цена – от 5 до 75 долл.). Фирма твердо намерена удержать свое лидерство в этой области. И пока ей это вполне удается. Достаточно сказать, что в 1998 году для сотовых телефонов фирмой было продано более 160 млн. DSP.
Не уступают свои позиции и другие крупные изготовители DSP. В начале 1998 года фирма Analog Devices (схемы которой особенно популярны на российском рынке) для портативного связного оборудования выпустила новые 16-разрядные сигнальные процессоры серии ADSP-218x, в том числе и в малогабаритном 100-выводном BGA-корпусе размером всего 10х10 мм и высотой 1,25 мм. Объем памяти встроенного СОЗУ последней схемы серии – ADSP-2186М – составляет 2 Мбит. Производительность схемы – 75 MIPS, потребление – 0,4 мА/MIPS. Напряжение питания процессоров серии ADSP-218x – 2,5–3,3 В. В серию входят 36 кодосовместимых DSP ценой от 9 до 30 долл. при закупке партии в 10 тыс. шт.
Растущие потребности рынка беспроводных средств связи стремится удовлетворить и фирма Motorola. К числу последних ее достижений относится 24-разрядный процессор серии DSP56300 – DSP56311 с производительностью 255 MIPS. В ИС помимо DSP-ядра на тактовую частоту 150 МГц, совместимого по объектному коду с ранее разработанными устройствами серий 56300 и 56000, входят сопроцессор, выполняющий функции фильтрации и подавления эхо-сигнала с производительностью 105 MIPS, и СОЗУ емкостью 3 Мбит (рис.1). Напряжение питания портов ввода/вывода и периферийных устройств – 3,3 В, ядра – 1,8 В, потребление – 0,7 мА/MIPS при напряжении питания 1,8 В и 0,9 мА/MIPS при 2,5 В. Монтируется схема 56311 в 196-выводной пластмассовый BGA-корпус с размером основания 15х15 мм. Основная область применения – современные сотовые 2G-системы GSM-стандарта, которые будут существовать еще достаточно долго наряду с 3G-системами (по оценкам Forward Concepts, рынок DSP для стационарных станций беспроводных систем связи, равный в 1998 году 160 млн. долл., к 2003-му достигнет примерно 410 млн. долл.). Новые схемы, способные поддерживать одновременно несколько голосовых каналов и каналов данных, пригодны и для проводных систем связи, и Интернет-телефонии.
Чтобы облегчить проектирование, уменьшить число компонентов и габариты сотовых телефонов, фирмой выпущен 16-разрядный процессор DSP56652, в котором объединено ядро сигнального процессора серии DSP56600 (на тактовую частоту до 58,8 МГц при напряжении питания 1,8 В или 70 МГц при 2,5 В), ядро 32-разрядного RISC-микропроцессора (на тактовую частоту до 16,8 МГц при 1,8 В и 40 МГц при 2,5 В), постоянная и оперативная память. Процессор также поставляется в 196-выводном BGA-корпусе размером 15х15 мм.
Наивысшее на сегодняшний день достижение в области сигнальных процессоров – DSP56690 фирмы Motorola. Он поддерживает все известные системы стандартов CDMA и TDMA, все европейские и американские сотовые системы, а также сотовые системы iDEN. Это означает и возможность поддержки наземных и спутниковых средств CDMA. По утверждению разработчиков, ни один производитель в мире не выпускает сейчас процессор, способный обрабатывать сигналы любых стандартов сотовой связи. В новом приборе, входящем в портфель устройств беспроводной связи DigitalDNA фирмы, объединены ядро сигнального процессора DSP56600 на тактовую частоту 100 МГц и 32-разрядный микроконтроллер М210 семейства M-CORE, работающий на тактовой частоте более 50 МГц. Напряжение питания – 1,8 В. Обмен данными между двумя процессорами осуществляется с помощью уникального интерфейса на базе ОЗУ коллективного пользования. Кроме того, в схему входит постоянная память большой емкости. Периферийные устройства позволяют конфигурировать схему в соответствии с требованиями изготовителей готовой продукции. Motorola уже поставляет опытные партии схемы производителям мобильных телефонов. Крупносерийное производство их планируется на 1 кв. 2000 года. Фирма намерена не только поставлять новое изделие на рынок, но использовать его в сотовых телефонах собственной разработки. Массовое производство процессора DSP56690 планируется на 1 кв. 2000 года.
Новый сигнальный процессор DSP16410 для стационарных станций беспроводных 3G-систем представила в этом году фирма Lucent Technologies. Производительность его 800 МMAC в секунду при потребляемой мощности 0,38 Вт. Размер схемы в корпусе – 15х15 мм. В нее входят два ядра серии DSP16000 и ОЗУ емкостью 3 Мбит, что обеспечивает большую гибкость в выборе объема и типа программного обеспечения для цифровой обработки сигнала. Контроллер прямого доступа к памяти обеспечивает высокую эффективность обработки сигнала, а усовершенствованные интерфейсы с большой пропускной способностью – обработку данных, что необходимо в инфраструктурах 3G-систем. Схема DSP16410 может быть использована в оборудовании всех стандартов передачи голоса и данных, в том числе широкополосного CDMA третьего поколения, узкополосного CDMA и TDMA. Она может поддерживать в 3,5 раза больше голосовых каналов, чем любая другая DSP-схема, занимающая ту же площадь печатной платы. А это значит, что изготовители стационарных станций могут разместить большее число DSP на плате или использовать в оборудовании печатные платы меньших размеров. В любом случае это приведет к снижению стоимости конечной продукции и повышению универсальности систем без ухудшения их производительности. Цена схемы, промышленное производство которой должно быть освоено в конце 1999 года, – 80 долл. при закупке партии в 10 тыс. штук.
Самая острая борьба развертывается в области создания DSP для инфраструктуры 3G-систем. Наиболее известные на сегодняшний день DSP – это схемы семейства TMS320C6000 (С6х) фирмы Texas Instruments, выполненные с усовершенствованной архитектурой VLIW (Very Long Instruction Word – очень длинное командное слово) и предназначенные для широкополосных средств связи (рис.2). В семейство входят DSP с фиксированной (серия С62х) и плавающей (серия С67х) запятой. Быстродействие первых – 1200–2400 MIPS. Области их применения – стационарные станции беспроводных систем связи, модемы высокоскоростных асимметричных цифровых абонентских линий (ASDL), средства организации сетей, коммутационное оборудование учрежденческих телефонных станций, цифровая широковещательная аппаратура. Быстродействие DSP с плавающей точкой – от 600 млн. (MFLOPS) до рекордного на сегодняшний дней значения 1 млрд. операций (GFLOPS). Предназначены они для таких высокоточных систем, как стационарные станции спутниковых систем связи, медицинское оборудование формирования изображения, средства распознавания речи, трехмерные графические системы, оборудование визуализации результатов научных исследований. На разработку устройств С6х-платформы фирма уже затратила более 100 млн. долларов.
Применение VLIW-архитектуры и перспективных инструментальных средств позволяет компоновать отдельные команды в командное слово так, чтобы обеспечить максимальную производительность. Поскольку в обоих типах приборов использована одна и та же архитектура, С62х и С67х совместимы по коду и выводам. Это позволит проектировщикам создавать опытные образцы DSP на базе ИС с плавающей точкой, а реализовывать промышленные, более дешевые образцы с фиксированной точкой. При создании сигнальных процессоров основное внимание уделяется уже не аппаратным средствам, а программным, что позволяет сократить время выхода на рынок с новым изделием и облегчает расширение возможностей изделия. Для этого предусмотрены инструментальные средства проектирования, обеспечивающие пользователю максимальный доступ к перспективной VLIW-архитектуре с высоким параллелизмом. Они формируют простую среду проектирования, позволяя оптимизировать производительность прибора и облегчить проектирование аппаратных и программных средств.
Сейчас фирма ставит перед собой цель достичь производительности в 5000 MIPS для схем семейства С62х и 3 GFLOPS для С67х. И она уверенно движется к этой цели. В конце года выпущена первая схема DSP типа TMS320C6205 со встроенным контроллером шины PCI. Производительность схемы – 1600 MIPS при тактовой частоте 200 МГц, рассеиваемая мощность – в среднем 1,2 Вт. В схему входят память объемом 1 Мбит, два многоканальных буферизованных последовательных порта, 32-разрядный интерфейс внешней памяти и 32-разрядный PCI-интерфейс. Монтируется схема в 306-выводной BGA-корпус. Одновременно фирма представила и схему TMS320C6204 с 32-разрядной шиной расширения, позволяющей вдвое увеличить пропускную способность ввода/вывода по сравнению с более ранним вариантом С6201. В остальном схема аналогична С6205. Монтируется она в 384-выводной BGA-корпус. Опытные образцы обеих схем появятся во 2 кв. 2000 года, серийное производство намечено на 4 кв. При закупке партии в 25 тыс. шт. цена С6205 – 45 долл., С6204 – 35 долларов.
За два года с момента появления семейства С6х Texas Instruments выпустила восемь типов схем. Исходя из данных по объему продаж средств проектирования (в основном редакторов связи), фирма считает, что сегодня в мире разработкой систем на базе этого семейства заняты около 5000 конструкторов и ежедневно их становится в среднем на 10 человек больше. Схемы серии С6х используют восемь из десяти основных изготовителей стационарных станций 3G-систем. Процессоры платформы С6х можно найти и в DSL-модемах и ПК таких крупнейших производителей компьютерных и связных систем, как Erricson, Siemens, IBM. По преспективному плану развития (roadmap) фирмы, параметры схем платформы С6х до 2002 года должны быть улучшены на порядок.
Стремясь упрочнить свои позиции на рынке DSP для средств связи, фирмы Lucent Technologies и Motorola открыли совместный корпоративный технологический центр Star*Core. Разработка DSP-ядра в центре Star*Core потребовала объединения интеллектуальной собственности, опыта разработки сигнальных процессоров и средств связи обеих фирм. Впервые создана DSP-архитектура, реализуемая в схемах двух поставщиков, что открывает большие возможности для удовлетворения спроса крупных заказчиков. К тому же объединение усилий Lucent Technologies и Motorola, на долю которых приходится 36% рынка схем DSP, может серьезно пошатнуть позиции Texas Instruments.
Задача центра – разработка настраиваемой архитектуры следующего поколения схем для многоканальных телекоммуникационных систем, мобильных телефонов и персональных цифровых помощников (PDA). Такая архитектура позволит решать конкретные задачи пользователя путем подключения отдельных блоков схемы без изменения базовой структуры схемы и набора команд. Важную роль здесь будут играть DSP-компиляторы.
В начале 1999 года появилось первое DSP-ядро семейства SC100 – SC140 с потреблением 0,1 мА/MIPS при тактовой частоте 300 МГц и напряжении питания 1,5 В. В применениях, где требуется чрезвычайно низкое потребление энергии, схема SC140 может работать при напряжении 0,9 В и обеспечивать на тактовой частоте 120 МГц производительность 1200 MIPS (0,066 мА/MIPS). 90% кода программного обеспечения, требуемого для реализации системы на базе архитектуры ядра, может быть написано на языке высокого уровня С или С++.
DSP-ядро располагает многими средствами параллельной обработки, в том числе четырьмя устройствами умножения с накоплением данных, четырьмя АЛУ, четырьмя устройствами группировки разрядов, двумя арифметическими устройствами адресации и эффективным четырехступенчатым конвейером. Архитектура SC140 предусматривает применение наборов команд переменной длины. Такая технология позволяет, используя заложенные в конкретном коде DSP-схемы возможности, одновременно выполнять многочисленные 16-разрядные команды и опциональные префиксные операции за один цикл. Программы, написанные для четырех устройств умножения с накоплением данных, могут быть использованы и в будущих схемах семейства SC100. DSP-ядро SC140 сопрягается с другими DSP- и микроконтроллерными ядрами, а также с самопрограммируемыми сопроцессорами.
Первый сигнальный процессор для будущих 3G-систем, Интернет-телефонии и многоканальных хDSL-систем на базе SC140, созданный фирмой Motorola, – MSC8101. Помимо DSP-ядра он содержит память емкостью 512 Кбайт (256Кх16 бит), 32-разрядный RISC-процессор, 64-разрядную PowerPC-шину, гибкое устройство системной интеграции и 16-канальное устройство прямого доступа к памяти. Благодаря наличию ядра с четырьмя АЛУ схема выполняет четыре операции умножения с накоплением за один тактовый цикл, RISC-процессор обеспечивает подключение к TDMA-, ATM (асинхронной передачи данных)-каналам и каналам сети Ethernet, а шина – к системам на базе микропроцессора PowerPC. На тактовой частоте 300 МГц производительность DSP-ядра схемы – 1200 MIPS, RISC-микропроцессора – 3000 MIPS. Напряжение питания ядра 1,5 В, портов ввода/вывода – 3,3 В. Предполагаемая полная потребляемая мощность схемы 0,5 Вт (DSP-ядра при максимальном быстродействии – менее 0,25 Вт). Поставка опытных образцов схемы в пластмассовом корпусе размером 17х17 мм планируется на 2 кв. 2000 года по начальной цене менее 100 долларов.
О разработке 16-разрядного процессорного ядра ADSP-219x (9x) для сотовых телефонов 3G-систем (рис.3), производительность которых в конечном итоге достигнет 300 MIPS,сообщила в конце 1999 года фирма Analog Devices. Производительность ИС с четырьмя ADSP-219x ядрами достигнет 1200 MMAC в секунду, потребление – 0,4 мА/MIPS при напряжении питания 2,5 В и 0,15 мА/ MIPS при 1,2 В. Схемные ядра серии кодосовместимы с процессором ADSP-218x. В ядро 9х входит встроенная память емкостью 16 Мбит (что во много раз больше объема памяти лучших современных схем DSP). Еще один необычный элемент схемы – перспективный высокопроизводительный интерфейс шины, соответствующий стандарту AMBATM фирмы ARM. Наличие такого интерфейса облегчает интеграцию схем серии в системы со стандартными ДОЗУ последовательного типа, последовательными портами, ЦАП и АЦП и телекоммуникационными каналами типа Т1/Е1. В 2000 году планируется выпустить универсальный DSP с одним ядром, оптимизированный для контроллеров двигателей процессор с одним ядром, схему с двумя ядрами для корпоративных систем связи xDSL и G.lite, счетверенное устройство для шлюзов сети Интернет. Цена самого дешевого варианта схемы не превысит 5 долларов.
В результате быстрого роста услуг сети Интернет усилилась тенденция к размещению оборудования доступа не на пользовательском конце, а со стороны провайдеров услуг Интернета или корпоративных шлюзов. Этот подход получил название удаленного доступа в сеть, а оборудование обеспечения доступа – сервера удаленного доступа (Remote Access Server – RAS). Такое оборудование содержит множество модемных портов, каждый из которых может быть подключен к отдельному пользователю. Пока аналоговые модемы входят практически в каждый ПК личного или корпоративного назначения и все еще представляют собой большой и быстро растущий сектор рынка DSP. Но ситуация быстро меняется, и в большинстве систем применяют более эффективные цифровые устройства. Работать на рынке пользовательских модемов, где прибыль не превышает 10%, становится невыгодно. Это заставило некоторых поставщиков начать поставки так называемых программных модемов (software modems), алгоритмы цифровой обработки сигнала которых наряду с функциями управления выполняет ЦП. Рынок программных модемов пока невелик (около 4 млн. шт.), но темпы его прироста выше, чем у традиционных устройств на базе DSP. Поэтому-то сегодня поставщики традиционных схем DSP для модемов делают ставку на рынок RAS, где конкуренция пока не столь жестокая, а доходы выше. По мнению фирмы Texas Instruments, здесь открываются большие возможности для средств передачи голоса и цифровых данных по одной сети в протоколе VoIP или VoDSL (Voice over Internet Protocol или Voice over DSL – протоколы передачи голосового сигнала в сети Интернет или по цифровым абонентским линиям соответственно). Особенно если считать верным прогноз, согласно которому всего за несколько десятилетий цифровая технология пакетной передачи сильно потеснит коммутационную. Это приведет к увеличению объема вычислений на два-три порядка. Поскольку на пользовательском конце может быть включен модем, факсимильный аппарат или голосовое устройство, в схеме DSP, обрабатывающей вызов, должна быть предусмотрена возможность быстрого изменения режима работы.
Крупные поставщики связных процессоров активно готовятся освоить рынок сетевых систем. Так, фирма Conexant уже выпустила процессор AnyPort, содержащий в одном корпусе три DSP и один RISC-контроллер и позволяющий устанавливать каналы связи между факсами или линиями ISDN и сетями, работающими с межсетевым протоколом (IP) или в режиме АТМ. Этот растущий рынок обслуживают ряд относительно новых полупроводниковых фирм, в том числе AudioCodes и 8х8. Ожидается, что в ближайшее время к ним присоединятся пока малоизвестные, но хорошо финансируемые компании.
Компания Conexant в конце 1999 года объявила о совместном проекте с новой фирмой CopperCom по разработке семейства процессоров для VoDSL-оборудования потребительских сетевых систем (Customer Premises Equipment). Процессоры должны поддерживать передачу нескольких голосовых сигналов по DSL-линиям. Вклад фирмы Conexant в проект – методы сжатия и обработки голоса, ATM- и DSL-технологии. Эти ключевые технологии будут “невидимо” встроены в новое семейство VoDSL-процессоров. Процессоры будут содержать многоканальный телефонный интерфейс, множество голосовых кодеков, устройства обработки голосового сигнала.
Нельзя не упоминуть и о DSP российской фирмы НТЦ "Модуль". Это – высокопроизводительный микропроцессор с суперскалярной архитектурой NM6403. В его состав входят 32-разрядное RISC-ядро и 64-разрядный векторный сопроцессор для поддержки операций над векторами с элементами переменной разрядности (заявка на выдачу изобретения No 98110876). Имеются два идентичных программируемых интерфейса для работы с внешней памятью различного типа и два коммуникационных порта, аппаратно совместимых с портами процессора TMS320C4x, для построения многопроцессорных систем. Процессор производится по 0,5-мкм КМОП-технологии на заводе фирмы Samsung. Тактовая частота его – до 50 MГц (время выполнения любой инструкции - 20 нс), напряжение питания - 2,7-3,6 В, потребляемая мощность на частоте 50 МГц – около 1,3 Вт. Особенность процессора - уникальная архитектура NeuroMatrix®, позволяющая работать с данными переменной разрядности, от 1 до 64 бит*. Процессоры уже полгода доступны в России по цене от 20-60 долл. в зависимости от объема партии.
НТЦ "Модуль" предлагает не только процессор, но и процессорное ядро NeuroMatrix® Core (NMC) для интеграции при заказном и полузаказном проектировании. Это ядро высокопроизводительного DSP с VLIW/SIMD-архитектурой, состоящее из 32-разрядного RISC-процессора и 1–64-разрядного сопроцессора и выполняющее от 1 до 288 операций умножения с накоплением за один процессорный такт. Ядро содержит всего 80 тыс. эквивалентных вентилей. При 0,25-мкм технологии возможна работа на тактовой частоте до 123 МГц. Фирма объявила о продаже лицензии на процессор компании Fujitsu Microelectroniс Europe. Эта неэксклюзивная патентная лицензия будет действовать четыре года (с правом пролонгации). По-видимому, пока это единственная сделка такого рода с участием отечественной фирмы.
На рынке связных процессоров DSP испытывают сильную конкуренцию со стороны ПЛИС, универсальных микропроцессоров и специализированных ИС. Как показано выше, возможна реализация связного процессора на базе всех или части указанных технологий, хотя всегда преобладает какая-нибудь одна из них. Например, если алгоритмы сложны и DSP не может “справиться” с ними, целесообразно их воплотить на аппаратном уровне в заказных ИС. При этом изготовители могут либо добавлять в библиотеки специализированных ИС элементы DSP, либо объединять DSP- и микроконтроллерные или микропроцессорные ядра. В последнем случае изделия продаются как стандартные, ориентированные на специальные применения, такие как системы управления дисководами и модемной связью, сжатия видеоизображений и др. Это так называемые стандартные специализированные DSP (табл.).
Простые алгоритмы достаточно легко реализовать с помощью универсальных микропроцессоров, архитектура которых предусматривает возможность обработки сигнала. И изготовители все чаще прибегают к ним. Пример такой схемы – процессор типа SH-DSP фирмы Hitachi, выполненный на базе популярного микроконтроллера SH2. Функции обработки сигнала на одном кристалле с контроллером планирует реализовать фирма Intel в разрабатываемой схеме StrongARM. С этой же целью в будущем 64-разрядном процессоре IA-64 используется VLIW-архитектура. В плане развития технологии “системы на кристалле”, выполняющей функции передачи и преобразования голоса и данных, такие известные компании, как LSI Logic, VLSI Technology, National Semiconductor, Samsung, также намерены интегрировать DSP-ядра в свои микропроцессоры. Фирма AMD планирует расширить возможности микропроцессора К6-III за счет добавления DSP-ядра, графических и связных функций.
Еще совсем недавно для программирования схем DSP было достаточно ассемблера, сегодня центр тяжести сместился к программам-компиляторам. По-видимому, программное обеспечение для DSP будет развиваться так же, как и для ПК. Производители сигнальных процессоров повторяют путь, пройденный поставщиками связного оборудования: слияние трех-четырех поставщиков, активно продвигающих новейшую технологию в основном в области программного обеспечения, а не аппаратных средств. И действительно, сегодня около 60% инженерных ресурсов, связанных с разработкой связных процессоров, идет на создание ПО. На него приходится 80% затрат на разработку технических средств для встроенных процессоров, независимо от того, является ли это составлением исходного кода или объединением отдельных частей программного кода. Интересное решение проблемы сокращения сроков разработки сигнальных процессоров (с 18 до 6 месяцев, по утверждению разработчиков) приняла фирма Zilog. Заключив соглашение на совместную разработку с компанией Production Languages Corp. (PLC), она смогла лицензировать инструментальные средства SD/ToolSmith компании PLC, основанные на запатентованной технологии совместной разработки процессора/средств проектирования (в том числе ассемблера, программы компиляции, средств эмуляции и отладки). В результате заказчик сигнального процессора может утвердить конструкцию до начала промышленного производства изделия.
Фирма Motorola расширила соглашение с британской компанией Signals & Software с целью создания ПО для следующего поколения DSP семейства Star*Core. Фирма Signals & Software уже начала разработку ПО на базе инструментальных средств Star*Core фирмы Motorola для пейджеров, телефонов сотовых и персональных систем связи, стационарных станций. В результате к моменту появления в следующем году первых изделий семейства Star*Core заказчики уже смогут приобрести и программные приложения для них. Соглашение предусматривает создание обширного комплекта программ, в том числе для вокодеров CDMA- и TDMA-стандартов, факсов 3G-систем, модемов.
Исключительное значение разработке ПО для связных сигнальных процессоров придает фирма Texas Instruments, о чем свидетельствует приобретение ею компании Telogy Networks, занимающейся разработкой связного ПО. В сентябре фирма сообщила о создании технологии программирования в реальном времени eXpressDSP – завершенной открытой программной среды, которая должна на порядок увеличить число DSP-приложения и на 50% сократить сроки проектирования продукта. Четыре ключевых составляющих eXpressDSP, позволяющих разработчикам быстро и полно реализовать возможности DSP, – зто мощные инструментальные средства проектирования, расширяемое программное обеспечение реального времени, стандарты, обесечивающие способность к взаимодействию и, наконец, постоянно расширяемая база программных модулей других фирм для DSP компании Texas Instruments. Новую программную технологию eXpressDSP уже приняли более 40 работающих совместно с Texas Instruments фирм. Среди прочих – это ADT, Blue Wave Systems, D2 Technologies, DSP Software Engineering, Delphi Communications, Momentum Data Systems, Precise Software Technologies, Spectrum Digital и др.
Сегодня разработкой ПО для сигнальных процессоров на фирме Texas Instruments занято 300 сотрудников и столько же вне ее. Во всем мире программы для DSP могут писать всего лишь около 30 тыс. конструкторов. Texas Instruments считает, что их должно быть сотни тысяч. Поэтому неудивительно, что фирма, придерживаясь принципа – чем больше специалистов будет разрабатывать ПО для DSP, тем большее применение они найдут, – финансирует курсы разработки программных средств DSP в 900 университетах мира.
Какова ситуация на других рынках DSP-схем? Объем продаж DSP для контроллеров дисководов в 1999 году составит примерно 500 млн. долл., на такую же сумму будет продано схем для управления функциями цифрового канала считывания. Плотность записи накопителей на жестких дисках в последние несколько лет ежегодно увеличивается на 60%, что намного превосходит темпы, определяемые законом Мура. И уже в конце 1999 года ожидалось увеличение емкости 3-дюймового жесткого диска в среднем с 4,3 до 10 Гбайт. Неуклонное увеличение плотности записи дисков требует применения более быстродействующих процессоров и более сложного алгоритма управления. Основной поставщик DSP для контроллеров дисковых накопителей – Texas Instruments. Другие крупные фирмы на этом рынке – Cirrus Logic, IBM, Lucent Technologies, NEC и STMicroelectronics. Ведущий поставщик ИС для управления функциями канала считывания – фирма Lucent. Успешно выступают в этом секторе Cirrus Logic, Texas Instruments и STMicroelectronics. Правда, большинство этих компаний в своих отчетах не включают такие схемы в категорию сигнальных процессоров, несмотря на то, что они – программируемые устройства.
Большой и перспективный рынок – программируемые DSP для аудиоаппаратуры. Сейчас это в значительной степени касается профессиональных средств звукозаписи. В бытовых устройствах воспроизведения используются непрограммируемые схемы DSP. И этим рынком нельзя пренебрегать, поскольку продажи систем синтезирования звука оцениваются в несколько сот миллионов долларов. Самый “горячий” сектор рынка аудиоаппаратуры в этом году – персональные плейеры МР3-формата, пригодные для воспроизведения музыкальных файлов со страниц Интернета*. Фирма Micronas Intermetall ежеквартально отгружает для самых популярных МР3-плейеров семейства Rio компании Diamond Multimedia сотни тысяч схем DSP-кодера. Но на рынке представлена полдюжина плейеров, в которых используются DSP-схемы фирм STMicroelectronics, Texas Instruments и др. Во второй половине 1999 года Toshiba выпустила новую серию сигнальных процессоров для поддержки различных форматов сжатия сигнала, используемых в телевизорах, а также портативных аудио- и DVD-плейерах. Процессор типа TC9446F-004 предназначен для декодеров сигналов МР3 и ААС-форматов, широко используемых при перекачке аудиофайлов из Интернета, а TC9446F-004 – для декодеров цифровых систем звуковоспроизведения Dolby, аудиовизуальных систем домашних кинотеатров. В схемах новой серии могут быть реализованы функции цифровой фильтрации, регулировки громкости, контроля динамического диапазона, эквалайзера.
Но, пожалуй, самое интересное достижение этого года – реализация Dolby технологии цифрового кодера (DDCE – Dolby Digital Consumer Encoder) в сигнальном процессоре DSP56362 фирмы Motorola. DDCE – технология кодирования аналоговых стереосигналов для хранения их в цифровой форме. Сейчас схема DSP56362 используется в различных аудио/видеоприемниках и DVD-проигрывателях, цифровых телевизорах и автомобильных системах. DDCE- сертификация схемы позволит уже в следующем году выпустить DVD-проигрыватели для воспроизведения как новейших цифровых, так и обычных аналоговых ТВ-программ. Схема DSP56362 – первый аудиосигнальный процессор марки Symphony, выполненный на базе ядра DSP56300. Благодаря своей высокой производительности (100 MIPS) процессор может работать во всех основных многоканальных аудиостандартах. Предвидя большой спрос на DVD-изделия, фирма сейчас разрабатывает систему второго поколения, которая позволит исключить необходимость применения внешней памяти. Позже, в этом году, Motorola представила и вариант реализации на базе DSP56362 технологии “звук-вокруг” (THSurround EXTM – разработка Lucasfilm и Dolby Laboratories) в домашних условиях. Помимо самой схемы DSP56362 фирма поставляет обширный набор инструментальных средств проектирования.
Перспективным рынком для DSP станут цифровые AM/FM-приемники, которые должны появиться на американском рынке в 2001 году. Цифровая техника должна обеспечить сопоставимое с записью на компакт-диске воспроизведение транслируемых по AM/FM-каналам программ. Если принять во внимание 600 млн. радиоприемников, имеющихся сегодня в США, возможности этого рынка трудно переоценить. И здесь фирма Texas Instruments вновь пытается обойти конкурентов. Она заключила соглашение с компанией USA Digital Radio, согласно которому ПО последней будет объединено с сигнальными процессорами серии С6х. Цель соглашения – создание коммерческих процессоров, способных поддержать стандарты цифровых радиоприемников.
Широко используются DSP-схемы и в бытовой технике, в том числе в контроллерах двигателей. Согласно прогнозам, в 2002 году для этих систем будет продано около 600 млн. DSP. По оценкам Texas Instruments, применение DSP-контроллеров для управления работой мотора позволяет снизить энергопотребление холодильника на 25% (по данным фирмы Analog Devices, – на 30–50%), а кондиционера или обогревателя воздуха – на 80%. В 2003 году в мире будет продано около 15 млрд. электромоторов, и если даже всего в 10% из них будут использованы цифровые средства управления, продажи DSP-схем окажутся огромными. Texas Instruments активно готовится к освоению столь перспективного рынка, выпустив семейство однокристальных DSP-контроллеров TMS320C2000, характеризуемых привлекательным для потребителя соотношением стоимость – рабочие характеристики: производительность процессоров 30 MIPS (примерно на 50% выше, чем у современных DSP-контроллеров), а цена TMS320LC2402 – 2,95 долл. при закупке партии в 10 тыс.шт. и менее 2 долл. при поставках на условиях OEM. Благодаря возможности программирования, функции большинства схем семейства можно расширять за счет внесения изменений в программу даже через несколько лет после выпуска изделия, в котором они использованы.
Всего лет пятнадцать назад возможность цифровой обработки сигнала рассматривалась в основном теоретически. Единственные системы, способные произвести цифровую обработку, представляли собой громоздкие вычислительные комплексы и суперкомпьютеры. И даже они не могли обеспечить обработку в реальном времени. Например, сейсмические данные, собранные в полевых условиях, записывались на магнитный накопитель, который пересылался в компьютерный центр, где обработка данных длилась несколько часов или даже дней. Первые системы цифровой обработки сигнала, выполненные на биполярных базовых кристаллах, появились в конце 70-х. Для создания системы требовалось большое число таких блоков-”кирпичей”. Ситуация начала меняться лишь в начале 80-х с появлением однокристального КМОП-сигнального процессора. Эти однокристальные процессоры первоначально нашли применение в устройствах с низким быстродействием: декодерах говорящих игрушек, простейших контроллерах и вокодерах. Сегодня их можно найти повсеместно: дома (показ фильмов по заказу, прием программ прямого спутникового телевидения, игры виртуальной реальности, средства управления бытовыми электроприборами), в офисе (для одновременной передачи голоса и данных по одной телефонной линии, системах видеоконференцсвязи, в интеллектуальном оргоборудовании), учебных заведениях (системы обучения с индивидуальным планированием занятий, интерактивные видеоклассы), при путешествиях и поездках (сотовые системы связи, портативные беспроводные факс/модемы, автомобильные амортизаторы, распознающие препятствия на дороге, видеокарты, указывающие местоположение автомобиля и оптимальный маршрут к пункту назначения). И области их применения непрерывно расширяются.
Status’99.
EDTN’s Top EDTN News: 09/30/98
www.edtn.com/news/topstory.html
www.semibliznews.com/pub/01b99/aylesworth.html
www.eet.com/myf99/ceo_dickson.html
Electronic Buyers’ News. 03/29/99
www.eet.com/myf99/ao_strauss.html
www.eet.com/story/OEG19990504S0010
www.eet.cpm/myf99/ao_donovan.html
www.semibliznews.com/pub/01b99/rodgers.html
204.247.196.14/sbn/sbnh2/news/19990609a7.shtml
204.247.196.14/sbn/sbnh2/news/19990610a4.shtml.
204.247.196.14/sbn/sbnh2/news/19990607a10.shtml.
204.247.196.14/sbn/sbnh2/news/19990521a4.shtml.
204.247.196.14/sbn/sbnh2/news/19990524a14.shtml.
www.electronicnews.com/enews/Issue/1999/09201999/38txnjd.asp
EE Times, 11/01/99.
Отзывы читателей
