Процесор цифрової обробки сигналів (процесор ЦОС, , DSP; ) — це спеціалізований програмований мікропроцесор, призначений для маніпулювання в реальному масштабі часу потоком цифрових даних.

Архітектура сигнальних процесорів має помітні особливості: Швидке виконання операцій, характерних для цифрової обробки сигналів, наприклад, операція «множення з накопиченням» (MAC) (Y:=A*B+X) зазвичай виконується за один такт. Вільні за часом цикли із заздалегідь відомою довжиною. Більшість сигнальних процесорів мають вбудовану оперативну пам'ять, з якої може здійснюватися вибірка декількох машинних слів одночасно. Детермінована робота з відомим часом виконання команд, що дозволяє виконувати планування роботи в реальному часі. Досить велика довжина конвеєра, так що незаплановані умовні переходи можуть займати відносно багато часу. Екзотичний набір регістрів і інструкцій, часто складний для компіляторів. Деякі архітектури використовують VLIW. В порівнянні з мікроконтролерами, обмежений набір периферійних пристроїв — втім, існують «перехідні» чипи, що поєднують в собі властивості DSP і широку периферію мікроконтролерів.

Області застосування Комунікаційне обладнання; Ущільнення каналів передачі даних; Кодування аудіо- і відеопотоків; Системи гідро- і радіолокації; Розпізнавання голосу і зображень; Голосові і музичні синтезатори; Аналізатори спектра; Керування технологічними процесами; Інші області, де необхідна швидкісна обробка сигналів, в тому числі в реальному часі.

Історія До 1980 року декілька компаній виготовили мікросхеми, які можна вважати першими ЦСП. Так, в 1978 Intel випускає «процесор аналогових сигналів» 2120. В його склад входили АЦП, ЦАП і процесор обробки цифрових даних, однак апаратна функція множення була відсутня. В 1979 AMI випускає S2811 — периферійний пристрій, керований основним процесором комп'ютера. Обидві мікросхеми не досягли успіху на ринку.

Перше покоління (початок 1980-х) Історію ЦСП розглядають від 1979–1980 років, коли Bell Labs виготовила перший однокристальний ЦСП Mac 4, а також на «IEEE International Solid-State Circuits Conference '80» були показані µMPD7720 компанії NEC і DSP1 компанії AT&T, які, однак, не набулили широкого вжитку. Стандартом де-факто став випущений трохи пізніше кристал TMS32010 фірми Texas Instruments, який багатьма параметрами і вдалими технічними рішеннями переважав вироби конкурентів. Ось деякі його характеристики: Арифметичний блок: Розмір слова: 16 біт; Розрядність обчислювального пристрою : 32 біт; Швидкість: 5 млн операцій додавання або множення в секунду; Тривалість командного циклу: 160–280 нс; Пам'ять: Оперативна пам'ять: 144–256 слів; Постійна пам'ять програм: 1,5—4 К слів; Програмовна постійна пам'ять: до 4К слів (окремі моделі); Зовнішня шина: Розрядність: 16 біт; Адресовна пам'ять : 4К слів Пропускна здатність: 50 Мбіт/с Пристрої введення-виведення: 8 портів по 16 розрядів

Друге покоління (середина 1980-х) Завдяки прогресу в технологіях, в цей період були випущені ІС з розширеними функціями порівняно з першим поколінням:

Збільшено об'єм оперативної пам'яті до 0,5 К слів; Додана можливість підключення зовнішньої пам'яті програм і пам'яті даних до 128 К слів; Швидкість збільшено в 2—4 рази; Покращено підсистеми переривання і введення-виведення.

Набагато пізніше були зроблені наступні вдосконалення:

Збільшена розрядність даних; Знижено напругу живлення і, як наслідок, енергоспоживання; Введені режими економії енергії; Апаратна підтримка мультипроцесорності (система спільного доступу до зовнішньої пам'яті); Апаратна підтримка кільцевих регістрів; Апаратна підтримка операцій циклів; Розширені способи адресації; Дві внутрішні шини даних, що дозволяє значно прискорити парну обробку даних (координати X/Y, дійсна і уявна частина і т. д.), або віртуально подвоїти розрядність оброблюваних даних; Введена кеш-пам'ять.

Третє покоління (кінець 1980-х) Третє покоління ЦСП прийнято зв'язувати з реалізацією арифметики з рухомою крапкою (комою). Характерні особливості :

Продуктивність: біля 20-40 млн оп./сек. (MIPS); Два блоки оперативної пам'яті по 1 К 32-розрядних слів з можливістю одночасного доступу; Кеш-пам'ять об'ємом 64 слова; Розрядність регістрів: 32 біт; Розрядність арифметичного блоку: 40 біт; Регістри для операцій з підвищеною точністю; Вбудовані контролери ПДП; Розрядність шин: 32 біт для команд і 24 біт для адреси;

Четверте покоління Четверте покоління процесорів ЦОС характеризується значним розширенням комплекту команд, створенням VLIW і суперскалярних процесорів. Помітно виросли тактові частоти. Так, наприклад, час виконання команди MAC () вдалось скоротити до 3 нс.

Найкращі (станом на травень 2008) процесори ЦОС можна характеризувати наступними параметрами:

Тактова частота — 1 ГГц і вище; Багатоядерність; Наявність дворівневого кешу; Вбудовані багатоканальні контролери прямого доступу до пам'яті; Продуктивність десь біля кількох тисяч MIPS і MFLOPS; Виконання до 8 паралельних інструкцій за такт; Сумісність зі стандартними шинами (PCI та ін.)

Оцінка продуктивності Для порівняння характеристик різних процесорів ЦОС використовують спеціальні набори тестів, що імітують деякі розповсюджені задачі цифрової обробки сигналів. Кожний тест складається з декількох невеликих програм, які пишуться на асемблері і оптимізуються під задану архітектуру. Ці тести можуть включати такі задачі:

СІХ- і БІХ-фільтри; Множення векторів; Декодери Вітербі; ШПФ — швидке перетворення Фур'є

Найавторитетнішим пакетом тестів вважається тест BTDImark2000 , який крім вказаних алгоритмів включає також оцінку використаної алгоритмом пам'яті, тривалість розробки системи та інші параметри.

Джерела Craig Marven, Gillian Ewers A simple approach to digital signal processing — Wiley, 1996–236 стор.