FPGA vs. DSP: Was sind die Unterschiede zwischen ihnen

Was ist ein DSP?

Digitale Signalverarbeitung oder DSP ist ein Begriff, der eigentlich selbsterklärend sein sollte. Kopfhörer, Mobiltelefone, intelligente Lautsprecher, Studio-Audiogeräte, Unterhaltungssysteme im Auto und viele andere Geräte enthalten diese Technologie. Tatsächlich dient sie als Grundlage für moderne Audioprodukte. Da CPUs für mehrere Zwecke gedacht sind, sind Sie sich des Konzepts eines Prozessors zweifellos bereits bewusst. Ein DSP ist ein Prozessortyp, der zur Analyse digitaler Signale wie Audio verwendet wird. Sie sind dafür ausgelegt, mathematische Operationen wie Addition und Subtraktion schnell und effizient auszuführen. DSP-Chips sind in verschiedenen Formen, Preisklassen und Leistungsstufen erhältlich. Von winzigen Chips mit geringem Stromverbrauch für die Spracherkennung in intelligenten Lautsprechern bis hin zu Mehrkanalprozessoren in Autos und professioneller Studioausrüstung. Sie werden verwendet, um die Ausführung audiobezogener Algorithmen zu beschleunigen und dabei weniger Strom zu verbrauchen als eine typische CPU.

Abbildung 1: DSP  

Was ist FPGA?

FPGA-Geräte sind mit konfigurierbaren Logikelementen und Speicher ausgestattet. Ein generisches FPGA kann so konfiguriert werden, dass es je nach Bedarf verschiedene Anwendungen unterstützt und betreibt. Die Designs von FPGAs sind außerdem modular und der Endbenutzer kann mehrere Hardwaredesigns implementieren, um sicherzustellen, dass das FPGA in bestimmte Systeme passt. Der Endbenutzer oder Programmierer kann Hardwarebeschreibungssprachen wie Verilog HDL, VHDL und SystemC nutzen, um das Design der Hardware zu implementieren. Darüber hinaus verfügen FPGA-Geräte über eingebetteten Speicher, eingebettete ARM Cortex-M-Prozessoren und DSP-Blöcke, was zu einem eigenständigen System führt, das für einen bestimmten Zweck entwickelt wurde. So entfällt beispielsweise die Notwendigkeit externer Speichergeräte, um den Betrieb eines FPGA-Geräts zu ermöglichen, das große Datensätze verarbeiten kann. Dank der Flexibilität des FPGA-Designs haben Designer die Wahl, die Systemkomponenten des FPGA im eingebetteten Prozessor zu implementieren oder Hardwarekomponenten zu erstellen, indem sie dessen allgemeine Logikressourcen nutzen.

Abbildung 2: FPGA  

Video zu FPGA vs. DSP

FPGA vs. DSP-Funktionen

DSP-Funktionen

• Die verbesserte Harvard-Struktur und die Harvard-Struktur mit getrennten Daten und Programmen werden verwendet, um Anweisungen schneller auszuführen.
• Verkürzung der Ausführungszeit jeder Anweisung durch Verwendung der Pipeline-Technologie.
• Ein Multi-Bus-On-Chip, der gleichzeitigen Datenzugriff und Abruf von Anweisungen verarbeiten kann.
• Multiplikation und Akkumulation können beide im selben Zyklus mithilfe eines unabhängigen Akkumulators und Addierers durchgeführt werden.
• Es ist praktisch für die Datenübertragung, da es über einen seriellen Kommunikationsanschluss und einen DMA-Kanalcontroller.
• Mit einem Interruptprozessor und einem Timingcontroller lässt sich ganz einfach ein kleines System erstellen.
• Es verfügt über Hardware und Software, die zusammenarbeiten können und eine Verbindung zu verschiedenen Speichern herstellen können.

 

FPGA-Funktionen

• Konfigurierbare Logikblöcke
• Programmierbare Verbindungen
• Programmierbares Routing
• Programmierbare E/A-Blöcke
• On-Chip-Speicher
• Blöcke zur digitalen Signalverarbeitung (DSP)
• Verbindung auf Systemebene
• Entwerfen von ASICs mit FPGAs

 

Vor- und Nachteile von DSP

Vorteile von DSP

• Die Flexibilität der Software.
• Geeignet für bedingte Prozeduren, insbesondere anspruchsvolle Aufgaben mit mehreren Algorithmen.
• DSP nutzt höhere Programmiersprachen wie C oder Assembler für die Echtzeit-Programmimplementierung.
• Die Verwendung von DSP-Geräten bietet den Vorteil schneller Software-Updates, die die Zuverlässigkeit, Anpassungsfähigkeit, Austauschbarkeit und Flexibilität des Systems deutlich erhöhen.

 

Nachteile von DSP

• Eingeschränkt durch den seriellen Befehlsstrom.
• Ein DSP kann nur bei Abtastraten von über einigen MHz extrem einfache Berechnungen mit den Daten durchführen.
• Langer Entwicklungszyklus.

 

Vor- und Nachteile von FPGA

Die Vorteile von FPGA

• Die Mehrzahl der insgesamt recht großen Logikgatter und Flipflops des Chips sind Lookup-Tabellenstrukturen.
• Der Implementierungsprozess erfolgt meist über SRAM.
• Großer Maßstab, hohe Integration, schnelle Verarbeitung und effiziente Ausführung.
• Komplexe sequentielle Logikdesigns können mit FPGAs fertiggestellt werden und die Programmierung ist vielseitig, praktisch, einfach durchzuführen und wiederholbar.
• Zahlreiche FPGAs können unbegrenzt und wiederholt programmiert werden. Der Hardware-Overhead kann durch Neukonfiguration verringert werden.

 

Die Nachteile von FPGA

• Nach einem Stromausfall geht normalerweise die ursprüngliche Logikkonfiguration verloren.
• Das Timing ist schwer zu planen.
• Mehrere Ereignisse können damit nicht verarbeitet werden.
• Für den Betrieb unter Bedingungen ist es nicht geeignet.

 

FPGA vs. DSP: Was sind die Hauptunterschiede zwischen ihnen?

	DSP	FPGA
Programmiersprache	C ist eine Assemblersprache, die in der DSP-Programmierung verwendet wird.	HDL, eine gemischte digitale und analoge Beschreibungssprache, die VHDL, Verilog und Verilog-AMS umfasst, wird hauptsächlich von FPGAs verwendet.
Anwendbar Gelegenheiten	DSP eignet sich für Systeme mit niedriger Abtastrate, niedriger Datenrate, Mehrzustandsbetrieb, Verarbeitung anspruchsvoller Multiarithmetikaufgaben, Einsatz von C-Programmierung und Verwendung von Gleitkommazahlen. Es eignet sich auch für Systeme mit Mehrzustandsbetrieb.	FPAG eignet sich für feste oder wiederkehrende Verarbeitungsaufgaben, Festkommanutzung, Blockdiagrammprogrammierung, hohe Datenraten und Systeme mit Hochgeschwindigkeitsabtastrate (einige MHz).
Eigenschaften	Starre Hardware und unzureichende Computerleistung. Um die Leistungsfähigkeit des Systems zu steigern, ist eine Erhöhung der DSP-Anzahl erforderlich.	Dank flexibler Hardware, integriertem Speicher und eingebetteten CPUs ist es ein Arbeitssystem mit erweiterbarer Rechenkapazität.
Kosten	Anwendungsspezifische DSPs sind im Vergleich zu generischen DSPs, die recht günstig sind, teuer. Auch die Neukonfiguration von DSPs ist kostspielig.	FPGAs können so modifiziert werden, dass sie mit einer Vielzahl von Anwendungen funktionieren. Aufgrund ihrer Vielseitigkeit sind sie einfach zu verwenden.

   

FPGA-Platine vs. DSP: Interne Struktur

Der Aufbau von Hardwareschaltkreisen mit einem bestimmten Zweck steht bei FPGA im Mittelpunkt. Die internen Ressourcen sind winzige Komponenten wie Actel FPGA Versailles. Die Entwurfsbeschreibung der Hardwareschaltung wird zunächst mithilfe der Programmiersprache HDL auf den internen Einheiten des FPGA implementiert. Die Signale innerhalb und zwischen den Funktionsmodulen werden durch die Verdrahtungsressourcen innerhalb des FPGA verbunden, um ein größeres Modul zu erstellen. FPGAs können intern digitale Schaltkreise wie ALU, Addierer, Multiplikator, Akkumulator, FIFO, SRAM, DDR-Controller, FFT, HDLC, DMA und PWM implementieren, daher müssen wir sie verwenden, um eine bestimmte oder allgemeine Hardwarefunktion zu konstruieren. Ein oder mehrere Module müssen HDL verwenden, um den Entwurf und die Implementierung im Detail zu beschreiben. Für den Softcore des FPGA kann das moderne FPGA Mikroprozessoren wie ARM7, CoretexM1, Core8051 und andere direkt enthalten. Einige FPGA-Hersteller schließen Hardwaremodule direkt in das FPGA ein. Innerhalb des FPGAs sind dies die Hardcores. Rein digitale Schaltkreise werden mithilfe herkömmlicher FPGAs implementiert. Nur die FPGAs von Actel auf dem Markt haben die digital-analoge Hybrid-PSC-Single-Chip-Technologie übernommen, die das Anwendungsspektrum und die Einsatzmöglichkeiten von FPGAs deutlich erweitert und erweitert hat. Darüber hinaus kann Slew angepasst werden und die meisten FPGAs enthalten Phasenregelkreise wie PLL und DLL. Darüber hinaus verfügt Actel über Hardwarekomponenten wie OSC, RTC und Power Manager. Sogar die Fusion-Serie von Actel verfügt über integrierte 600-kbps-12-Bit-Analogschnittstellen wie ADC und MOSFET-Treiber, interne Ressourcen wie UserFlashMemeory, FlashROM usw. können echte PSC-, Bootloader- und andere Funktionen realisieren.

Abbildung 3: Interne FPGA-Struktur   DSP wird hauptsächlich zur Verarbeitung von Algorithmen verwendet. Multiplikatoren, Addierer und andere Ressourcen machen den Großteil der internen Ressourcen aus. Es gibt Schnittstellen wie SPI und UART, die nur einen bestimmten Befehlssatz akzeptieren. Interne Ressourcen sind vorbereitet und müssen nur neu angeordnet werden, um die Anforderungen des Clients zu erfüllen. Kunden finden es einfach zu bedienen, aber da es nur wenige spezielle Aufgaben erfüllt, wird es hauptsächlich in einigen Nischenbranchen eingesetzt. Darüber hinaus enthalten DSPs eine Phasenregelschleife, einen Zähler, einen Baudratengenerator und in bestimmten Fällen analoge ADC-Schnittstellen.  

FPGA-Board vs. DSP: Funktionalität

Für bestimmte Produktanforderungen von Kunden werden FPGAs häufig verwendet, um digitale Schaltkreismodule zu implementieren. Im Wesentlichen können sie alle digitalen Schaltkreise, konventionelle digitale Funktionsmodule und digitale Verarbeitungsmodule implementieren. Obwohl es viele verschiedene Arten von FPGA-IO-Brücken gibt und verschiedene Arten von FPGAs unterschiedliche IO-Standards und -Protokolle unterstützen, sind die Antriebsfähigkeiten oder Spannungen dieser IOs alle programmierbar. Realisierung jeder Art von digitalem Funktionsschaltkreis sowie Brückenkonvertierungsprotokoll und Hochgeschwindigkeits-, Steuerfeld- und Signalverarbeitung. Darüber hinaus kann Actels Fusion für Energiemanagement, MOSFET-Treiber, Temperaturerkennung, Strom-/Spannungserkennung und seinen proprietären Flash-Prozess verwendet werden. Die Technologie wird mit Batterien betrieben und kann auch dann weiter funktionieren, wenn die Stromversorgung abgeschaltet ist. Sie hat außerdem einen extrem niedrigen Stromverbrauch, verschiedene Betriebsmodi (statisch, Ruhemodus) und eine Funktion namens IGLOO-Chip, der im Ruhemodus nur 5 uW verbraucht. Ein solcher Stromverbrauch kann in mobilen Handheld-Geräten wie Telefonen, GPS und anderen genutzt werden, um praktischere Anwendungen auszuführen. Darüber hinaus wird FPGA verwendet, um die Vorentwurfsverifizierung von ASICs zu realisieren. Darüber hinaus realisiert FPGA DSP-Funktionen, CPU, MCU, Speichercontroller, PWM, SVPWM, Clarke, Park-Vorwärts- und Rückwärtskonvertierungsrealisierung, VGA-Steuerung, Datenkodierung und -dekodierung, Demultiplexing, Signalverarbeitung bis zu Gbps, Protokollkonvertierungsrealisierung usw., die für DSPs alle schwierig zu bewerkstelligen sind. Auch wenn der DSP eine große Anzahl gebrauchsfertiger Hardwaremodule, Schnittstellen und Controller enthält, ist dennoch Softwareprogrammierung erforderlich, um PWM-Steuerung, Schnittstellensteuerung, UART-Schnittstelle, SPI-Schnittstelle und andere Funktionen zu implementieren. DSP kann jedoch aufgrund der Taktzyklusbeschränkung des Befehlssatzes keine übermäßig hohen Signale verarbeiten. Signale wie LVDS sind bei der Verarbeitung von Gbit/s-Signalen eine Herausforderung. Die entsprechenden Anwendungsbereiche werden daher eingeschränkt. Kunden in verschiedenen Branchen haben jedoch unterschiedliche Designstrategien und -prioritäten. DSP ist ein beliebtes Tool unter Designern in mehreren Branchen, einschließlich derjenigen, die Algorithmen und Prozessprotokolle erstellen. Es wäre nicht vorteilhaft, für die Verarbeitung auf FPGA umzusteigen.  

DSP vs. ASIC vs. FPGA vs. SOC

DSP: Die optimale Ausführung komplexerer digitaler Signalverarbeitungsalgorithmen (wie verschiedene Transformations- und Quantisierungsmethoden) erfordert einen spezialisierteren Prozessor namens DSP. Bestimmte unterscheiden sich von Allzweck-Mikroprozessoren dadurch, dass sie im SIMD-Stil (Single Instruction, Multiple Data) implementiert sind, wodurch Anweisungen für mehrere Datenproben ausgeführt werden können, um bestimmte Algorithmen zu beschleunigen.   ASIC: ASIC ist ein Chip, der speziell für eine bestimmte Anwendung hergestellt wird. Es wird normalerweise von einem Unternehmen für einen bestimmten Zweck oder nur für einen Kunden erstellt. Da es auf eine bestimmte Verwendung zugeschnitten ist, kann es so erstellt werden, dass es die Leistungs- und Performanceanforderungen dieser Anwendung erfüllt.   FPGA: Um programmierbare Hardwaredesigns zu konstruieren, ist ein FPGA eine Sammlung programmierbarer Komponenten mit einer programmierbaren Schnittstelle. Designs werden häufig in HDL-Dateien aufgezeichnet, die anschließend für die FPGA-Technologie synthetisiert, in ein FPGA heruntergeladen und in Verbindung mit anderen Systemkomponenten verwendet werden können. Im Gegensatz zu einem ASIC ist eine Neukonfiguration einfach, indem das Design geändert und auf dasselbe FPGA hochgeladen wird, was es besonders hilfreich für das Prototyping und die Durchführung von Anpassungen macht.   SOC: Ein SOC ist eine Art integrierter Halbleiter, der einen Mikroprozessor zusammen mit anderen Komponenten auf Systemebene auf einem einzigen Chip beherbergen kann.    

Fazit zu FPGA vs. DSP

Herkömmliche DSPs verwenden eine eindimensionale Technik, um Signale zu verarbeiten oder Daten zu analysieren. In einer digitalisierten Umgebung, in der es zahlreiche und innerhalb eines Systems miteinander verbundene Anwendungen gibt, sind jedoch Signalverarbeitungssysteme mit flexiblen, erweiterten und dezentralen Funktionen erforderlich. FPGAs bieten eine umprogrammierbare Lösung, die die Anforderungen vieler DSP-Anwendungen erfüllt. Ohne umfassende technische Kenntnisse der Hardwarebeschreibungssprache können Entwickler einen Ablauf mit Hardwarebeschleunigung erstellen, indem sie Legacy-Codes verwenden, um Funktionen auszuführen. Darüber hinaus bieten FPGA- und SoC-Entwicklungskarten Designern skalierbare Funktionen für die schnelle Erstellung von Prototypen eingebetteter Systeme wie DSPs. Im Vergleich zu einem typischen Mikroprozessor haben Endbenutzer bei Verwendung einer Entwicklungskarte mehr Designoptionen. Für Ihre Anwendungen ist der Wechsel von herkömmlichen DSPs zur Flexibilität, die Host-Entwicklungskarten bieten, die beste Vorgehensweise.