Procesamiento de señales digitales de punto fijo frente a punto flotante

La innovación comienza con el procesamiento de señales digitales

Los procesadores de señales digitales (DSP) son esenciales para el procesamiento en tiempo real de datos digitalizados del mundo real, ya que realizan los cálculos numéricos de alta velocidad necesarios para permitir una amplia gama de aplicaciones, desde productos electrónicos de consumo básicos hasta instrumentación industrial sofisticada. Software programable para una máxima flexibilidad y respaldado por herramientas de desarrollo de bajo costo y fáciles de usar, los DSP permiten a los diseñadores crear características innovadoras y diferenciar el valor de sus productos, y llevar estos productos al mercado de manera rápida y rentable.

Hay muchas consideraciones que los desarrolladores de sistemas sopesan cuando seleccionan procesadores de señales digitales para sus aplicaciones. Entre los factores clave a considerar se encuentran las capacidades computacionales requeridas para la aplicación, los costos del procesador y del sistema, los atributos de rendimiento y la facilidad de desarrollo. Al equilibrar estos factores, los diseñadores pueden identificar el DSP que mejor se adapta a una aplicación.

Punto fijo vs punto flotante

El procesamiento de señales digitales se puede dividir en dos categorías: punto fijo y punto flotante. Estas designaciones se refieren al formato utilizado para almacenar y manipular representaciones numéricas de datos. Los DSP de punto fijo están diseñados para representar y manipular números enteros (números enteros positivos y negativos) a través de un mínimo de 16 bits, lo que produce hasta 65 536 patrones de bits posibles (2^dieciséis). Los DSP de punto flotante representan y manipulan números racionales a través de un mínimo de 32 bits de manera similar a la notación científica, donde un número se representa con una mantisa y un exponente (p. ej., A x 2^Bdonde 'A' es la mantisa y 'B' es el exponente), arrojando hasta 4.294.967.296 posibles patrones de bits (2³²).

El término 'punto fijo' se refiere a la manera correspondiente en la que se representan los números, con un número fijo de dígitos después y, a veces, antes del punto decimal. Con la representación de punto flotante, la ubicación del punto decimal puede 'flotar' en relación con los dígitos significativos del número. Por ejemplo, una representación de punto fijo con una convención de colocación de punto decimal uniforme puede representar los números 123,45, 1234,56, 12345,67, etc., mientras que una representación de punto flotante podría representar además 1,234567, 123456,7, 0,00001234567, 1234567000000000, etc. Como tal, el punto flotante puede admitir un rango de valores mucho más amplio que el punto fijo, con la capacidad de representar números muy pequeños y números muy grandes.

Con la notación de punto fijo, los espacios entre números adyacentes siempre equivalen a un valor de uno, mientras que en la notación de punto flotante, los espacios entre números adyacentes no están uniformemente espaciados: el espacio entre dos números es aproximadamente diez millones de veces menor que el valor de los números (formato estándar ANSI/IEEE Std. 754), con grandes espacios entre números grandes y pequeños espacios entre números pequeños.

Rango dinámico y precisión

La exponenciación inherente a la computación de punto flotante asegura una mucho mayor gama dinámica – los números más grandes y más pequeños que se pueden representar, lo cual es especialmente importante cuando se procesan conjuntos de datos extremadamente grandes o conjuntos de datos donde el rango puede ser impredecible. Como tal, los procesadores de punto flotante son ideales para aplicaciones de computación intensiva.

También es importante considerar los formatos de punto fijo y flotante en el contexto de la precisión: el tamaño de los espacios entre números. Cada vez que un DSP genera un nuevo número a través de un cálculo matemático, ese número debe redondearse al valor más cercano que se pueda almacenar a través del formato en uso. Redondear y/o truncar números durante el procesamiento de la señal produce naturalmente un error de cuantificación o 'ruido': la desviación entre los valores analógicos reales y los valores digitales cuantificados. Dado que los espacios entre números adyacentes pueden ser mucho mayores con el procesamiento de punto fijo en comparación con el procesamiento de punto flotante, el error de redondeo puede ser mucho más pronunciado. Como tal, el procesamiento de punto flotante produce una precisión mucho mayor que el procesamiento de punto fijo, lo que distingue a los procesadores de punto flotante como el DSP ideal cuando la precisión computacional es un requisito crítico.

Consideraciones clave: costos, facilidad de desarrollo y rendimiento

Las consideraciones de rango dinámico y precisión suelen definir los criterios utilizados por los diseñadores para determinar si los procesadores de punto fijo o de punto flotante son ideales para una aplicación; donde las demandas computacionales son altas, se prefiere el punto flotante. Pero hay muchos otros factores interrelacionados importantes a considerar al elegir entre los dos formatos.

costo del procesador: La capacidad de un diseñador para reducir los costos de la lista de materiales (BOM) de un producto tiene un impacto directo en los precios competitivos, la penetración en el mercado y la rentabilidad. Los DSP de punto fijo se utilizan en una mayor cantidad de aplicaciones de alto volumen que los DSP de punto flotante y, por lo tanto, suelen ser menos costosos que los DSP de punto flotante debido a la escala de fabricación. Las variables del sistema en un chip (SOC), incluida la memoria integrada, los periféricos integrados específicos de la aplicación y las opciones de conectividad también pueden afectar el costo y la funcionalidad de los procesadores de punto fijo y de punto flotante.

Facilidad de desarrollo: Cuanto más fácil sea para un diseñador desarrollar un producto, más probable es que el producto pueda lanzarse al mercado antes que la competencia. Por lo general, es más fácil desarrollar algoritmos para DSP de punto flotante, ya que los algoritmos de punto fijo requieren una mayor manipulación para compensar el ruido de cuantificación. Como tal, los diseñadores suelen elegir DSP de punto flotante cuando implementan algoritmos complejos. Una vez más, las variables SOC pueden acortar los ciclos de desarrollo de productos, al igual que el ecosistema de herramientas de desarrollo de productos asociadas y el software de soporte de terceros.

Actuación: La velocidad con la que un DSP ejecuta operaciones en una aplicación es una consideración crítica. Los diseñadores deben implementar el formato DSP que procesará los algoritmos con la mayor eficiencia. Si bien es posible programar código de punto fijo para un procesador de punto flotante y viceversa, pueden surgir importantes limitaciones de rendimiento. La eficiencia del rendimiento también puede afectar la eficiencia energética. Por ejemplo, en un caso en el que se implemente un procesador de punto flotante para ejecutar tareas de punto fijo, el consumo de energía podría ser mayor que si se hubiera implementado un procesador de punto fijo, lo que puede afectar la fuente de alimentación y los requisitos de refrigeración. , así como los costes de lista de materiales asociados.

En resumen, los DSP de punto flotante están optimizados para aplicaciones especializadas de computación intensiva, mientras que los DSP de punto fijo están optimizados para aplicaciones generales de gran volumen. Los costos de desarrollo pueden ser más altos para el punto fijo, debido a la dificultad relativa de la implementación del algoritmo, pero el costo del producto final a menudo se reducirá. Los costos de los productos para las aplicaciones que aprovechan los DSP de punto flotante pueden ser más altos, debido al costo del procesador y a los menores volúmenes de fabricación, pero los diseñadores obtendrán los beneficios de la facilidad de desarrollo y una mayor precisión general del sistema. En última instancia, los requisitos del conjunto de datos asociados con la aplicación de destino dictarán la necesidad de un procesamiento de punto fijo o de punto flotante.

Dispositivos analógicos: liderando la industria en innovación DSP

Los procesadores de señal digital de Analog Devices, que ofrecen un rendimiento y un valor excepcionales, y se complementan con un rico ecosistema de herramientas de desarrollo, aplicaciones y soporte de terceros, son los procesadores elegidos para una amplia gama de aplicaciones innovadoras.

ADI de aleta negra® Procesadores de señales digitales de punto fijo

Los procesadores de señales digitales Blackfin de punto fijo de 16/32 bits de Analog Devices están diseñados específicamente para satisfacer las demandas computacionales y las limitaciones de energía de las aplicaciones de comunicaciones, video y audio integradas de la actualidad. Los procesadores Blackfin ofrecen un rendimiento y una eficiencia energética innovadores con un modelo de programación RISC, que combina la funcionalidad avanzada de procesamiento de señales con los atributos de facilidad de uso que se encuentran en los microcontroladores de propósito general. Esta combinación de atributos de procesamiento permite que los procesadores Blackfin se desempeñen igual de bien tanto en aplicaciones de procesamiento de control como de procesamiento de señales, en muchos casos eliminando el requisito de procesadores heterogéneos separados. Esta capacidad simplifica enormemente las tareas de implementación del diseño de hardware y software.

ADI Sharc® Procesadores de señales digitales de coma flotante

Los procesadores de señal digital SHARC de coma flotante de 32 bits de Analog Devices se basan en una arquitectura Super Harvard que equilibra el rendimiento excepcional del núcleo y la memoria con capacidades de rendimiento de E/S sobresalientes. Esta arquitectura Super Harvard amplía los conceptos originales de buses de memoria de datos y programas separados al agregar un procesador de E/S con sus buses dedicados asociados. Además de satisfacer las demandas de las aplicaciones de procesamiento de señales en tiempo real más intensivas en computación, los procesadores SHARC integran grandes arreglos de memoria y periféricos específicos de aplicaciones diseñados para simplificar el desarrollo de productos y reducir el tiempo de comercialización.

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