CPU vs. DSP vs. FPGA: Was ist der Unterschied zwischen ihnen?

Was ist eine CPU?

Was ist ein digitaler Signalprozessor (DSP)?

Was ist FPGA?

CPU vs. DSP vs. FPGA Funktionen

CPU-Funktionen

• Der kleine Cache des Prozessors ist der Ort, an dem Daten an die CPU gesendet werden, nachdem sie aus dem Hauptspeicher abgerufen wurden.
• Neuere Prozessordesigns verfügen über mehrere Kerne. Diese Kerne sind voneinander getrennt und bestehen aus Cache-Speicher.
• Die Geschwindigkeit der CPU wird häufig in GHz oder MHz angegeben. Eine schnellere Aufgabe wird von einem Prozessor mit einer höheren Frequenz erledigt.
• Die physische Einheit hat zwei parallel arbeitende logische Kerne. Mit steigender Anzahl der Kerne beschleunigt sich der gesamte Prozess.
• Multi-Core-CPUs haben mehr Bandbreite als Single-Core-Prozessoren.

DSP-Funktionen

• Der Hauptzweck digitaler Signalprozessoren besteht darin, wiederholte und rechenintensive Aufgaben zu erleichtern.
• Die meisten digitalen Signalprozessoren verfügen über eine leistungsstarke Datenroute und die Fähigkeit, große Datenmengen schnell in den Speicher zu übertragen.
• Diese Prozessoren bieten unterschiedliche Befehlssätze zur Verbesserung der Hardwareeffizienz.
• Digitale Signalprozessoren haben zwei Hauptmerkmale: eine Datenpipeline mit Mehrfachzugriffsspeicherlayouts und schnelle Multiplikations-Akkumulationseinheiten.
• Die Leistung des Prozessors wird normalerweise durch die Verwendung von Pipelines verbessert. Daher wird Pipelining jetzt von den meisten Prozessoren verwendet, aber wenn die Geschwindigkeit verbessert wird, wird Pipelining die Programmierung viel schwieriger machen.

FPGA-Funktionen

• Wirklich komplex.
• Preiswert.
• Erhöhte Integration
• Vermeiden Sie das ASIC-Problem.
• Es ist ein Online-Test in Echtzeit.
• Mehrere FPGAs haben einen RAM-Block.
• Zuverlässigkeit und hohe Dichte
• Das PLD und das FPGA mit kleiner physischer Größe sind kompatibel.
• Darüber hinaus ist die Programmierung unglaublich anpassungsfähig.

CPU vs. DSP vs. FPGA: Vor- und Nachteile

Vor- und Nachteile der CPU

• Die CPU ist die Hauptkomponente eines Computers und dient als dessen Gehirn und Herz.
• Sie ist kompakt und passt gut in den Steckplatz des Motherboards.
• Es verarbeitet geschäftliche und mathematische Daten schneller.

• Unfähigkeit, große Projekte zu bewältigen, die Millionen ähnlicher Aktionen erfordern, aufgrund schlechter Parallelverarbeitung.
• Die Weiterentwicklung von CPUs schreitet ebenfalls langsam voran.
• Nicht alle Systeme oder Software sind damit kompatibel; Beispielsweise kann eine ARM-CPU keine Software ausführen, die für einen x86-Intel-Prozessor entwickelt wurde.

Vorteile und Nachteile von DSP

• Digitale Systeme in DSP können kaskadiert werden, ohne dass Ladeprobleme auftreten.
• Auf diese Weise können digitale Schaltkreise schnell und kostengünstig in großen Mengen repliziert werden.
• Digitale Schaltkreise sind weniger anfällig für Bauteilwerttoleranzen.
• Da die digitalen Signale offline verarbeitet werden können, lassen sie sich bequem übertragen.
• Das Programm eines digitalen programmierbaren Systems kann aktualisiert werden, um die an der digitalen Signalverarbeitung beteiligten Vorgänge zu ändern.
• Im Vergleich zu analogen Systemen ist die Genauigkeit digitaler Systeme einfacher zu kontrollieren.
• Durch den Einsatz von DSP-Technologie können komplexe Signalverarbeitungsalgorithmen erstellt werden.
• Magnetische Medien wie Magnetbänder können problemlos digitale Signale speichern, ohne dass die Wiedergabequalität des Signals darunter leidet.

• DSP erfordert ADC- und DAC-Module, da vor dem ADC ein Anti-Aliasing-Filter und nach dem DAC ein Rekonstruktionsfilter erforderlich ist.
• DSP verschwendet mehr Strom als ASP, da es Signale schneller verarbeitet und insgesamt über mehr interne Hardwareressourcen verfügt.
• DSP-Chips sind sehr teuer, daher ist es wichtig, die richtigen ICs für den Job auszuwählen.
• Um dieselben Informationen wie ASP zu übertragen, benötigt DSP mehr Bandbreite.
• Obwohl es möglich ist, die Bitrate über einen bestimmten Punkt hinaus zu erhöhen, ist es auch möglich, die Datenmenge zu reduzieren. Jeder DSP verfügt über ein einzigartiges Hardware-Design und einen einzigartigen Satz von Softwareanweisungen, was spezielle DSP-Programmierkenntnisse erfordert. Daher kann an den Geräten nur von hochqualifizierten Ingenieuren gearbeitet werden.

Vorteile und Nachteile von FPGA

• Keine NRE (Non Recurring Expenses): Es gibt keine NRE (Non Recurring Expenses), die oft mit ASIC-Designs verbunden sind. Dies fehlt bei FPGA. FPGA-Tools kosten wenig.
• Weniger komplizierter Designprozess: Dies liegt daran, dass die Software den Großteil des Routings, der Platzierung und des Timings übernimmt. Es ist weniger manueller Aufwand erforderlich. Die komplizierte und zeitaufwändige Grundrissplanung, Platzierung und Verlegung sowie die Zeitanalyse werden durch das FPGA-Designverfahren eliminiert.
• Vorhersehbarerer Projektzyklus: Da die Designlogik bereits im FPGA-Gerät generiert und überprüft wurde, werden durch den FPGA-Designfluss potenzielle Neudrehungen, Waferkapazitäten usw. des Projekts eliminiert.
• Neuprogrammierbarkeit vor Ort: Ein sofortiger Remote-Upload eines neuen Bitstreams, d. h. Ihrer Software, ist möglich. ASICs können 50.000 US-Dollar kosten und benötigen 4 bis 6 Wochen, um dieselben Änderungen vorzunehmen, die ein FPGA in wenigen Minuten durchführen kann. Abhängig von den Hardwarespezifikationen reichen die FPGA-Preise von einigen wenigen Dollar bis zu vielen Hundert Dollar oder mehr.
• Wiederverwendbarkeit: Der grundlegende Vorteil von FPGA ist seine Wiederverwendbarkeit. Das Design kann als Prototyp auf einem FPGA erstellt und auf nahezu genaue Ergebnisse überprüft werden, bevor es auf einem ASIC implementiert wird. Wenn das Design Fehler enthält, ändern Sie den HDL-Code, erzeugen Sie einen Bitstrom, programmieren Sie das FPGA und führen Sie einen weiteren Test aus.Moderne FPGAs können teilweise und dynamisch neu konfiguriert werden.

• FPGAs verbrauchen mehr Strom. Die Leistungsoptimierung liegt außerhalb Ihrer Kontrolle.
• Sie müssen die Ressourcen des FPGA nutzen. FPGAs beschränken somit die Designgröße.
• Gut für die Produktion in kleinem Maßstab. Im Vergleich zur ASIC-Implementierung steigen die Kosten pro Produkt mit zunehmender Menge.

CPU-Anwendungen

• Server: CPUs werden in Servern verwendet, also in Computern, die zur Datenverarbeitung und -speicherung eingesetzt werden. Da Server häufig über viele CPUs verfügen, können sie mehrere Anfragen gleichzeitig verarbeiten.
• Smartphones: Smartphones verwenden CPUs. Smartphone-CPUs sind häufig weniger leistungsstark als Desktop- oder Laptop-CPUs, können aber dennoch die meisten Programme ausführen.
• Tablets: Tablets verwenden ebenfalls CPUs. Generell sind Tablet-CPUs mit Smartphone-CPUs vergleichbar.
• Autos: Motor, Getriebe und andere Systeme von Autos werden alle von CPUs gesteuert. Auto-CPUs haben normalerweise eine geringere Verarbeitungskapazität als andere CPU-Typen, können aber dennoch komplexe Berechnungen durchführen.
• Haushaltsgeräte: CPUs sind in Geräten wie Mikrowellen, Kühlschränken und Waschmaschinen zu finden. Haushalts-CPUs haben oft eine geringere Verarbeitungskapazität als andere CPU-Typen, können aber dennoch die Funktionen des Geräts verwalten.
• Medizinische Geräte: MRT-Geräte und Herzschrittmacher sind zwei Beispiele für medizinische Geräte, die CPUs verwenden. Da CPUs medizinischer Geräte wichtige Funktionen fehlerfrei ausführen können müssen, sind sie häufig äußerst leistungsstark und zuverlässig.
• Industrieroboter: Industrieroboter verwenden CPUs, um Vorgänge wie Schweißen, Lackieren und Montieren auszuführen. Da Industrieroboter-CPUs diese Aufgaben präzise und konsistent ausführen können müssen, sind sie häufig äußerst leistungsstark und präzise.

DSP-Anwendungen

• Wird für Up- und Downsampling während der Abtastung verwendet
• Verarbeitung im Zeitbereich: Korrelation und Faltung
• Fensterung, Fourier-Transformationen und Frequenzanalyse
• Bild- und Audioverarbeitung
• Elektrokardiogramm, diagnostische Bildgebung (CT, MRT, Ultraschall und andere Arten),
• Analyse, Speicherung und Abruf medizinischer Bilder
• Steuerung und Überwachung des Prozesses
• Sonar, Radar
• Datenerfassung, Aufzeichnung und Analyse von Erdbeben
• Daten- und Sprachkomprimierung
• Entwurf von FIR- und IIR-Filtern bei der Filterung

FPGA-Anwendungen

• ASIC-Prototyping: ASIC-Prototyping mit FPGAs bietet schnelle und präzise SoC-Systemmodellierung und Verifizierung eingebetteter Software.
• Rechenzentrum: Entwickelt, um den Wert von Cloud-Installationen zu maximieren, indem Server, Netzwerke und Speicheranwendungen mit hoher Bandbreite und geringer Latenz unterstützt werden.
• Hochleistungsrechnen und Datenspeicherung: Lösungen für Network Attached Storage (NAS), Storage Area Network (SAN), Server und Speichergeräte für Hochleistungsrechnen und Datenspeicherung.
• Industrie: Für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich industrieller Bildgebung und Überwachung, industrieller Automatisierung und medizinischer Bildgebungsgeräte, ermöglichen AMD FPGAs und gezielte Designplattformen für Industrie, Wissenschaft und Medizin (ISM) ein höheres Maß an Flexibilität, eine schnellere Markteinführung und insgesamt niedrigere einmalige Entwicklungskosten (NRE).
• Medizin: Die Virtex FPGA- und SpartanTM FPGA-Familien können verwendet werden, um eine Reihe von Computer-, Anzeige- und E/A-Schnittstellenanforderungen für Diagnose-, Überwachungs- und Therapieanwendungen zu erfüllen.
• Unterhaltungselektronik: Konvergente Mobiltelefone, digitale Flachbildschirme, Informationsgeräte, Heimnetzwerke und Set-Top-Boxen für den Privatgebrauch sind nur einige Beispiele für voll ausgestattete Verbraucheranwendungen der nächsten Generation, die durch kostengünstige Unterhaltungselektroniklösungen ermöglicht werden können.

Wie wählt man den richtigen Prozessor aus?

• Die individuellen Spezifikationen der Anwendung
• Die Leistungsanforderungen der Anwendung
• Der Flexibilitätsbedarf der Anwendung
• Der Preis des Prozessors

Fazit