Signalprozessoren von Analog Devices

Der ADSP-2100 und seine seit drei Jahrzehnten erfolgreiche Prozessorarchitektur

| Redakteur: Richard Oed

1986 erschienen, legte der ADSP-2100 den Grundstein für eine erfolgreiche Architektur.
1986 erschienen, legte der ADSP-2100 den Grundstein für eine erfolgreiche Architektur. (Bild: Analog Devices)

1986, vor mehr als dreißig Jahren, stellte Analog Devices mit seinem ADSP-2100 einen digitalen Signalprozessor (DSP) vor, der in vielen Bereichen wegweisend war, und dessen Derivate heute noch erhältlich sind.

Getrieben wurde die Entwicklung von DSPs in den späten 1970er- und frühen 1980er-Jahren von nach immer mehr Rechenleistung verlangenden Applikationen in der Militärtechnik, Telekommunikation oder der Bildverarbeitung. Die Rechner sollten in der Lage sein, die aufwändige analoge Filtertechnik zu ersetzen. Aber das Ziel war es auch, zusätzliche Aufgaben wie die Berechnung einer Fast Fourier Transformation (FFT) durchführen zu können, und dies alles bei einer möglichst geringen Stromaufnahme.

Bit-Slices wurden weitgehend überflüssig

Bevor digitale Signalprozessoren technisch realisierbar waren, wurden für Echtzeitanwendungen Rechner in Bit-Slice-Technologie verwendet, die auf meist 4-Bit breiten Einzelschaltkreisen aufbauten. Durch Aneinanderreihung konnten beliebige Wortgrößen erreicht werden, allerdings bei einer Leistungsaufnahme, die im Bereich von mehreren Watt lag.

Die fortschreitende Integration von Schaltkreisen machte dann Anfang der 1980er-Jahre den Aufbau von DSP-Systemen aus einzelnen Komponenten möglich. Zum Einsatz kamen Bauelemente wie die ADSP-3210 MAC-(Multiply/Accumulate-)Einheit und die ADSP-3220 ALU (Arithmetic & Logic Unit), zusammen mit dem ADSP-1401 Programm-Sequenzer und dem ADSP-1410 Adressgenerator, alle von Analog Devices. Der hohen Flexibilität stand hier ebenfalls eine große Stromaufnahme gegenüber.

Weitere Fortschritte in der Halbleitertechnologie machten digitale Signalprozessoren möglich, die alle Komponenten auf einem Chip zusammenfassten. 1986 stellte Analog Devices mit dem ADSP-2100 seinen ersten Prozessor einer Serie von 16-Bit Festkomma-DSPs vor, die mehrere Busse, einen leistungsfähigen Befehlssatz und die voneinander unabhängigen Recheneinheiten ALU, MAC-Einheit und Barrel-Shifter zum Verschieben von Datenwörtern miteinander auf einem Chip vereinigten. Bis heute ist diese mit dem ADSP-2100 eingeführte Architektur die Basis einer Vielzahl von DSPs von Analog Devices.

Die modifizierte Harvard-Architektur beschleunigte die Berechnung

Mit seiner Zykluszeit von 125 ns und einer Leistungsaufnahme von nur 0,6 W setzte der ADSP-2100 bei seinem Erscheinen Maßstäbe. Die verwendete modifizierte Harvard-Architektur erlaubte es, den Programmbus nicht nur für Befehle zu verwenden, sondern auch für Daten. Damit konnten bei Programmausführung aus dem 16 Worte tiefen Programm-Cache (der ADSP-2100 besaß keinen internen Speicher) beispielsweise Berechnungen von Filtern deutlich beschleunigt werden, da die Abtastwerte über den 16-Bit Datenbus, die Koeffizienten aber über den 24-Bit breiten Programmbus zu den Recheneinheiten transportiert wurden.

Dadurch erreichte dieser Prozessor bei der Mehrheit von DSP-Algorithmen die Leistung einer 3-Bus Architektur. Alle Befehle konnten in einem Zyklus abgearbeitet werden, was durch eine dreistufige Pipeline möglich wurde. Zusätzlich gab es noch eine Vielzahl interner Register, darunter auch Shadow-Register für eine schnelle Kontext-Umschaltung bei Interrupts. Die Berechnung einer 1024 Punkte FFT benötigte auf diese Weise nur 7,2 ms, ein für die damalige Zeit ausgezeichneter Wert. Entsprechend begeistert reagierten die Kunden und einer davon, Rick Hudson von Applied Microsystems, wurde 1991 in der Analog Dialogue 25-1 mit den folgenden Worten zitiert: „Endlich ein DSP-Chip eines großen Herstellers, der FFTs berechnen kann, als gäbe es kein Morgen.“

Der ADSP-2100 wurde schnell zum Standardprozessor für viele Anwendungen. Besonders erfolgreich war er bei Audioapplikationen, wofür er aufgrund seines 40-Bit breiten Ergebnisregisters der MAC-Einheit besonders geeignet war.

Eine vollständige Entwicklungsumgebung war vorhanden

Aber auch bei Universitäten war der DSP für Forschung und Lehre sehr beliebt, insbesondere wegen seines äußerst einfachen und dabei extrem leistungsfähigen Befehlssatzes, und seiner vollständigen Entwicklungsumgebung. Standen zu Beginn Assembler, Linker, Simulator und Emulator sowie ein System-Builder zur Beschreibung des Systems zur Verfügung, so kam bald ein ANSI-C kompatibler Compiler hinzu. Alle Entwicklungstools waren nicht nur für IBM Personal Computer unter MS-DOS, sondern auch für VAX-Rechner mit dem Betriebssystem VMS verfügbar, später ebenso für SUN-Workstations unter Solaris.

1988 wurde eine A-Version des ADSP-2100 mit einer 1,0 µm Struktur (statt bisher 1,5 µm) auf den Markt gebracht. Diese erlaubte durch eine höhere Taktfrequenz von 12,5 MHz, statt der bisherigen 8 MHz, die Ausführung einer 1024 Punkte FFT in 3,0 ms. Dem ADSP-2100A folgte 1989 der ADSP-2101, der der bestehenden Architektur ein 1 K großes Daten- und ein 2 K großes Programm-RAM, sowie zwei serielle Schnittstellen mit Companding-Hardware und einen Timer hinzufügte.

Viele Varianten folgten

Im Laufe der Jahre erschienen weitere Derivate. So 1990 der ADSP-21msp50, der als Mixed-Signal Prozessor den Kern des ADSP-2101 mit einem zweikanaligen 16-Bit 8 kSamples/s Sigma-Delta A/D- und einem 16-Bit 1 MHz D/A-Wandler kombinierte. Damit konnte ein vollständig integriertes Signalverarbeitungssystem im Sprachband bis 4 kHz realisiert werden.

Weitere Abkömmlinge des ADSP-2100 sind die Fließkomma-DSPs der 1991 erschienen ADSP-21020 Reihe und deren Weiterentwicklung, den Prozessoren der 1994 eingeführten SHARC-Prozessoren der ADSP-21060 Familie (SHARC = Super Harvard Architecture Computer). Diese war im Audio-Bereich so erfolgreich, dass einige Hersteller sogar mit dem SHARC-Logo auf ihren Produkten warben.

Moderne Varianten der digitalen Signalprozessoren der ADSP-21xx Familie mit höherer Taktfrequenz, erweitertem Speicher, zusätzlicher Periphere und unterstützt von einer modernen Entwicklungsumgebung werden heute noch, über dreißig Jahre nach Einführung des ADSP-2100, von Analog Devices neu in den Markt eingeführt. Die Zeit der DSPs ist noch nicht vorüber, die digitale Signalverarbeitung besitzt weiterhin große Bedeutung.

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