Quelltext der Seite Digitaler Signalprozessor

[[Datei:KL Motorola DSP XSP56001ZL.jpg|mini|Der Motorola [[Motorola 56001|XSP56001]] ist ein DSP aus der 56K-Familie.]]
[[Datei:NeXTcube motherboard.jpg|mini|Der [[NeXTcube]]-Computer von 1990 mit [[Motorola 68040]] (25 MHz) wies auch einen digitalen Signalprozessor Motorola 56001 mit 25 MHz auf (mittig, goldfarbenes IC), der über eine Schnittstelle von außen zugänglich war.]]
Ein '''digitaler Signalprozessor''' (englisch ''digital signal processor'', '''DSP''') ist ein [[Integrierter Schaltkreis|elektronischer Baustein]] und dient der kontinuierlichen [[digitale Signalverarbeitung|Bearbeitung digitaler Signale]], z.&nbsp;B. [[Audiosignal]]e oder [[Videosignal]]e. Zur Verarbeitung [[Analoges Signal|analoger Signale]] wird der DSP in Verbindung mit [[Analog-Digital-Umsetzer]]n und [[Digital-Analog-Umsetzer]]n eingesetzt. Einige DSP-Chips enthalten diese Umsetzer bereits. Der Begriff DSP wird darüber hinaus auch nur für die rechnende Komponente innerhalb einer [[Software]] und [[Elektronik]] verwendet.

== Anwendungen ==
Digitale Signalprozessoren dienen nicht nur als Ersatz für aufwendige analoge [[Filter (Elektrotechnik)|Filtertechnik]], sondern können darüber hinaus Aufgaben ausführen, die analog nur schwer oder überhaupt nicht lösbar wären:
* Frequenzfilter hoher Ordnung mit geringem Phasenfehler, z.&nbsp;B. Klangbeeinflussung beim Abmischen und in [[Mischpult]]en
* [[Kompressor (Signalverarbeitung)|Dynamikkompression]] und [[Rauschunterdrückung]] mit dynamischen ([[Adaptive Regelung|adaptiven]]) Parametern
* [[Störaustastung]] unter Berücksichtigung des Charakters des Signales
* Implementierung von Effekten wie [[Echo]], [[Nachhall#Typen von Nachhallgeräten|Hall]] oder Verfremdung von Stimmen
* [[Echokompensation|Echounterdrückung]]
* [[Datenkomprimierung]] zur digitalen Weiterverarbeitung
* [[Spracherkennung]] und [[Sprachsynthese]]
* [[Signalanalyse]] und Protokollanalyse in [[Oszilloskop]]en
* Schnelle [[Bildverarbeitung#Beispiele|digitale Bildbearbeitung]]
In Anwendungen eingebettete digitale Signalprozessoren werden häufig in [[Mobiltelefon]]en, [[Festplattenlaufwerk]]en, [[Fernseher]]n, [[Digitalkamera]]s, [[Radio]]s, [[Drucker (Gerät)|Druckern]], [[Medizingerät]]en, [[MP3-Player]]n und anderen [[Elektronik|elektronischen]] Geräten verwendet. Diese [[Prozessor]]en werden in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt und sind sehr kostengünstig. Die [[Softwareentwicklung]] für digitale Signalprozessoren wurde durch speziell entwickelte [[Software]] erleichtert. DSPs können vor Ort neu [[Programmierung|programmiert]] werden, um das Produkt zu aktualisieren oder [[Softwarefehler]] zu beheben. Dazu gehören nützliche integrierte Tools für die Softwareentwicklung, z.&nbsp;B. eine [[integrierte Entwicklungsumgebung]], ein [[Quelltext]]-[[Editor (Software)|Editor]], ein [[Compiler]], ein [[Debugger]], ein [[Profiler (Programmierung)|Profiler]] und ein [[Echtzeit]]-[[Betriebssystem]]. Digitale Signalprozessoren bieten die Vorteile von [[Mikroprozessor]]en, sind einfach zu bedienen, flexibel und kostengünstiger.

Digitale Signalprozessoren sind spezialisierte [[Prozessor]]en, die zu einem festen Bestandteil moderner Signalverarbeitungssysteme geworden sind. DSPs ähneln größtenteils Universalprozessoren. Sie können mit einer [[Programmiersprache]] wie [[C (Programmiersprache)|C]] oder [[C++]] [[Programmierung|programmiert]] werden und ein [[Betriebssystem]] ausführen. Der Hauptunterschied zwischen DSPs und herkömmlichen Prozessoren liegt im [[Befehlssatz]] und in der [[Speicherverwaltung]]. Der Befehlssatz eines DSP ist an bestimmte [[Anwendungssoftware]] angepasst.<ref>ScienceDirect: [https://www.sciencedirect.com/topics/computer-science/digital-signal-processor Digital Signal Processor]</ref>

== Funktionsweise ==
Digitale Signalprozessoren sind spezialisierte [[Prozessor]]en, die für die Ausführung von DSP-Funktionen in [[Echtzeit]] optimiert sind, die auf sich wiederholenden [[Multiply-Accumulate]] (MAC) Operationen basieren, die häufig bei der [[Digitales Filter|digitalen Filterung]], z.&nbsp;B. [[Filter mit endlicher Impulsantwort]], und der [[Schnelle Fourier-Transformation|schnellen Fourier-Transformation]] (FFT) verwendet werden. Die DSPs integrieren einen [[Programmierung|programmierbaren]] [[Mikroprozessor]], der normalerweise in eine [[Harvard-Architektur]] integriert ist. Sie bieten eine schnelle Datenverarbeitung durch Implementierung von Einzelbefehlen, SIMD-Operationen (siehe [[Flynnsche Klassifikation#SIMD (Single Instruction, Multiple Data)|Single Instruction, Multiple Data]]), speziellen Befehlen für Kerne mit superskalaren Architekturen, MAC-Berechnungen mit einem Zyklus oder [[Fused multiply-add|Fused Multiply-Add]], parallele Berechnung in mehreren MAC-Einheiten und schnelles [[Datenstrom|Data Streaming]] mit [[Speicherdirektzugriff]], [[Digitaler Ringspeicher|digitale Ringspeicher]], hardwaregesteuertem Loop ohne Overhead und schnellen und erweiterten Präzisionsberechnungen in [[Festkommazahl|Festkomma-]] oder [[Gleitkommaoperation]]en. Sie integrieren auch einige [[Peripheriegerät]]e und [[Datenspeicher]] auf dem Chip für einen eigenständigen Betrieb.

Es gibt viele DSPs auf dem aktuellen Markt, die aufgrund der Fortschritte und Verbesserungen der Halbleitertechnologie in den DSP-Architekturen eine hohe Leistung liefern. Preise und Leistung variieren stark zwischen den wichtigsten DSP-Herstellern und [[IP-Core]]-Anbietern.<ref>Arnaldo Mendez, Mohamad Sawan, in Implantable Biomedical Microsystems, 2015, ScienceDirect: [https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/digital-signal-processor Signal processing hardware]</ref>

== Echtzeitfähigkeit ==
Ein DSP muss eine bestimmte [[Datenmenge]] pro [[Zeitspanne]] sicher verarbeiten können. Dies ergibt sich aus der Forderung einer meist fixen und von außen vorgegebenen [[Datenrate]], mit der die Eingangsdaten in den DSP gelangen bzw. die verarbeiteten Daten wieder ausgegeben werden müssen. Eine Art ''[[Handshake]]'' oder zeitliches Anhalten bei der [[Datenverarbeitung]] ist bei dieser echtzeitfähigen Verarbeitung meistens nicht möglich.

Folgende Maßnahmen dienen dem Erhöhen der Verarbeitungsgeschwindigkeit:
* Spezielle synchrone, serielle Schnittstellen für die Ein- und Ausgabe der [[Digitales Signal|digitalen Signale]].
* Sogenannte [[Multiply-Accumulate|MAC-Befehle]] für die gleichzeitige Multiplikation und Addition in einem Maschinenzyklus.
* Adressgeneratoren für die Implementierung von [[Schleife (Programmierung)|Schleifen]] und [[Ringpuffer]]strukturen ohne softwareseitigen Overhead.
* Implementierung des [[Prozessor]]s in [[Harvard-Architektur]].
* Existenz eines dedizierten Hardware-[[Stapelspeicher|Stacks]].
* Mehrmaliger Zugriff auf den [[Datenspeicher|Speicher]] in einem Zyklus.
* [[Very Long Instruction Word|Very-Long-Instruction-Word]]-Anweisungen.

== Befehlssatz ==
=== Zahlenformate ===
Unterteilt werden Signalprozessoren und deren Befehlssatz nach der Fähigkeit, Rechenoperationen
* entweder ausschließlich mittels [[Festkommaarithmetik]] (englisch ''fixed point'')
* oder zusätzlich auch als [[Gleitkommaarithmetik]] (englisch ''floating point'')
ausführen zu können.

Signalprozessoren mit Festkommaarithmetik sind im Aufbau meist einfacher und haben einen geringeren Stromverbrauch. Dafür ist das Implementieren bestimmter [[Algorithmus|Algorithmen]] komplizierter, da bei jeder Berechnung vom Programmierer bedacht werden muss, ob es möglicherweise zu Überläufen in der Zahlendarstellung kommen kann und auf welcher Stelle sich das Binärkomma befindet. Ein typisches Anwendungsfeld von Festkomma-DSPs ist beispielsweise das Verarbeiten von Audiosignalen. Typische Vertreter von Signalprozessoren mit Festkommaarithmetik ist die DSP-Serie [[ADSP218x]] und [[Blackfin]] BF53x von [[Analog Devices]] sowie die [[Texas Instruments TMS320|TMS320VC5x]] von [[Texas Instruments]].

Signalprozessoren mit Gleitkommaarithmetik sind komplexer im Aufbau, da ihre Rechenwerke die kompliziertere Darstellung der Gleitkommazahlen verarbeiten können. Damit ist bei gleicher Rechenleistung meist ein höherer Stromverbrauch verbunden. Der Vorteil liegt in der meist einfachen Implementierung komplizierter Algorithmen. Ein typisches Anwendungsfeld von Gleitkomma-DSPs ist beispielsweise das Verarbeiten von Videosignalen. Typische Vertreter von Signalprozessoren mit Gleitkommaarithmetik sind die als [[Super-Harvard-Architektur#Analog Devices|SHARC]] bezeichneten Bausteine von Analog Devices und die TMS320VC67x von Texas Instruments.

=== Operationen ===
* Es existieren mehrere Rechenwerke ([[Arithmetisch-logische Einheit|ALUs]]), darunter ein Multiply-Accumulate-Rechenwerk ([[Multiply-Accumulate|MAC]]). Dieses Rechenwerk ermöglicht die Operation ''A* = A + B · C'' in einem einzigen Prozessorzyklus und dient vornehmlich der Geschwindigkeitserhöhung der für spektrale Operationen – etwa der für die [[schnelle Fourier-Transformation]] oder der [[Faltung (Mathematik)|Faltung]] – erforderlichen Berechnungen.
* Auf [[Boolesche Algebra|Boolesche Operationen]] beschränkte [[Rechenwerk]]e werden in einigen DSPs (z.&nbsp;B. [[Texas Instruments|TI]] TMS320Cxx) zur unabhängigen Datenmanipulation eingesetzt (PLU = ''Parallel Logic Unit'').
* Es werden auch ''Address Generation Units'' (AGU) eingesetzt. Die AGU besteht aus programmierbaren Zählern (Counters), Shiftern und anderen logischen Elementen. Dadurch können die Adressberechnungen zum Beispiel für die Operanden parallel zu arithmetischen Operationen ausgeführt werden, um die Speichertransferrate nicht zu verkleinern. Einige AGU unterstützen die Register-indirekte Adressierung mit nachträglicher Inkrementierung. Anwendung finden sie bei Berechnungen, wo Daten wiederholt berechnet werden, die sequentiell im Speicher angeordnet sind. Für den Algorithmus zur schnellen Fourier-Transformation (FFT) wird auch eine [[Bitreversed-Adressierung]] eingesetzt.
* Die ''Execution Unit'' (EXU) hat die Aufgabe der Datenmanipulation. Jeder Cluster darf die Register des Nachbarclusters auslesen. Beispiel: TI TMS320C6201

=== Programmablauf ===
* Verschachteltes No-overhead-Hardware-Looping mittels eines dedizierten Loop-Stacks.
* Die heutigen DSP sind darüber hinaus oft massiv-parallel programmierbar, das heißt in einem einzigen Prozessorzyklus können mehrere Rechen- und/oder Speichertransferoperationen gleichzeitig durchgeführt werden.
* [[Prefetch]] und Predecoding der [[Instruktion]]en ([[Pipeline (Prozessor)|Pipelining]]) für eine sehr hohe Ausführungsgeschwindigkeit der Befehle.
* Schleifenbefehle beschleunigen die Ausführung von Schleifen. Diese werden hardwarekontrolliert ausgeführt. Einige DSPs verwenden Pipelines ([[Pipeline (Prozessor)|Pipelining]]) und Instruction [[Cache]]s, um die Ausführung von Schleifen zu beschleunigen. Man unterscheidet zwei Arten von Schleifenbefehlen:
** ''Single Instruction Hardware Loop'' – Wiederholung einer Operation
** ''Multi Instruction Loop'' – Wiederholung eines ganzen Anweisungsblockes

=== Beispiel ===
Der [[Super-Harvard-Architektur#Analog Devices|SHARC]] ADSP-21065L von [[Analog Devices]] erlaubt etwa folgenden einzyklischen [[Assemblersprache]]n-Befehl:

 F0=F3*F7, F1=F11+F15, F2=F11–F15, DM(I0,M1)=F2, F3=PM(I8,M9);

in dem quasi-gleichzeitig eine [[Gleitkommazahl|Gleitkomma]]-Multiplikation, eine Gleitkomma-Addition, eine Gleitkomma-Subtraktion, ein Schreibzugriff auf den Speicher mit [[modulo]]-zyklischem Postincrement/-decrement sowie ein Lesezugriff auf den Speicher mit modulo-zyklischem Postinkrement/-dekrement stattfindet.

== Kommunikation ==
* Mehrere serielle bzw. parallele I/O-[[Schnittstelle]]n;
* [[Interrupt]]ausführung mit geringem Overhead oder DMA ([[Direct Memory Access]]);
* [[A/D-Wandler]] und [[D/A-Wandler]].

== Geschichte ==
In den frühen 1970er-Jahren entstand im [[Lincoln Laboratory]] der Lincoln FDP (''Fast Digital Processor'') mit Von-Neumann-Struktur als der erste dedizierte digitale Signalprozessor. Anschließend wurde mit der besser geeigneten Harvard-Architektur der LSP/2 gefertigt. Allerdings bestand dieser Rechner noch aus mehreren 1000 diskreten ICs.

Die ersten Einzelchip-DSPs kamen in den frühen 1980ern auf den Markt. Typische Vertreter waren der Intel 2920, TMS32010 von Texas Instruments oder der NEC µPD7720.

== Gegenwart ==
Elemente von DSPs finden sich auch zunehmend in Desktop-CPUs wieder, wie zum Beispiel in den [[AltiVec]]-Erweiterungen des [[PowerPC]] oder (abgeschwächt) in den [[SIMD]]-Erweiterungen von [[Intel]] und [[AMD]]. Dies liegt an der zunehmenden Verbreitung von [[Multimedia]]-Inhalten; Datenformate wie das [[JPEG File Interchange Format|JPEG-Format]], [[MP3]] oder [[Moving Picture Experts Group|MPEG2]] erfordern eine [[Diskrete Kosinustransformation|DCT]]-Kodierung beziehungsweise -Dekodierung, deren Berechnung eigentlich eine klassische DSP-Aufgabe ist. Auch die Berechnung der immer weiter verbreiteten Verschlüsselung profitiert von diesen Befehlssatz-Erweiterungen. Auch im Bereich der Embedded Systeme werden die Microcontroller durch DSP-Funktionalitäten ergänzt, wodurch die Rechenleistung gesteigert und der Stromverbrauch gesenkt werden kann. Typische Beispiele sind der [[Arm Cortex-M4]], die Erweiterung NEON bei den großen Arm Cortex-Cores, der dsPIC von Microchip sowie die XS1-Serie von [[XMOS]].

== Zukunft ==
Der generische DSP bekommt zusehends Konkurrenz durch RISC/CISC-CPUs, die mit speziellen Erweiterungen komplexe Rechenaufgaben wie RSA/AES/3DES hoch optimiert abarbeiten können. Darüber hinaus werden Aufgaben zur schnellen Signalverarbeitung vermehrt in flexible parallele digitale Strukturen verlagert, wie sie z.&nbsp;B. in immer leistungsfähigeren Field Programmable Gate Arrays ([[FPGA]]s) zunehmend und kostengünstig zur Verfügung stehen.

== Anwendungsgebiete ==
Digitale Signalprozessoren finden heute unter anderem in den folgenden Bereichen bzw. Geräten Anwendung:
* [[Mischpulte]] zur Klangbeeinflussung ([[Frequenzspektrum]], [[Tonhöhe]]nanpassung, Hall etc.)
* digitale [[Equalizer]]
* [[FM-Soundprocessing]]
* [[MP3-Player]]
* [[Modem]]s<ref>{{Internetquelle|hrsg=AlgoTron|url=http://www.algotron.com/modems/modems_sum.htm|sprache=englisch|titel=Modem      Data Pump DSP Software|zugriff=2013-05-08}}</ref>
* [[Amateurfunkstelle|Amateurfunkgeräte]]
* [[Software Defined Radio|Hochfrequenz Sender und Empfänger, die über Software konfiguriert werden können]]
* Moderne Empfangsgeräte des [[Kurzwellenrundfunk]]s
* Erzeugung und Demodulation von [[Einseitenbandmodulation]]
* [[Spektrumanalysator]]en
* [[Audiobeschleuniger]] und [[Soundkarte]]n in Personalcomputern
* Bordelektronik in Kraftfahrzeugen (speziell [[Motorsteuerung]])
* [[Festplatten]]
* [[Frequenzweiche (Lautsprecher)|Frequenzweiche]] für [[Lautsprecher]]
* [[Radar]]
* [[Leistungselektronik]] (z.&nbsp;B. Erzeugung spezieller Signalformen zur Ansteuerung von Elektromotoren)
* elektronische Klangerzeuger (z.&nbsp;B. virtuell Analoge [[Synthesizer]])

== Literatur ==
* Texas Instruments: ''[http://focus.ti.com/lit/ds/sprs064d/sprs064d.pdf TMS320F243, TMS320F241 DSP Controllers (Rev. D).] (PDF; 1,5&nbsp;MB)''
* {{Literatur |Autor=Helmut Bähring |Titel=Beispiele für Digitale Signalprozessoren |Hrsg=Helmut Bähring |Sammelwerk=Anwendungsorientierte Mikroprozessoren |Verlag=Springer |Ort=Berlin/Heidelberg |Datum=2010 |Sprache=de |ISBN=978-3-642-12291-0 |DOI=10.1007/978-3-642-12292-7_10}}

== Weblinks ==
* {{DNB-Portal|4054943-4|TYP=Literatur zum Thema}}
* ''[https://www.computerhistory.org/semiconductor/timeline/1979-DSP.html Computer History Museum timeline/1979-DSP].'' In: ''computerhistory.org.''
* [http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/physikalischeelektronik/phys_elektr/phys_elektrse9.html Erläuterungen zu DSPs Uni Ulm]
* [https://www.ibr.cs.tu-bs.de/courses/ws9798/seminar/haverkamp/seminar.html Schrifttum Technisches Seminar zu DSPs]

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4054943-4|LCCN=|NDL=|VIAF=}}

[[Kategorie:Digitaltechnik]]
[[Kategorie:Prozessorarchitektur nach Verwendung]]