Cos’è un chip DSP (Digital Signal Processor)

Un chip DSP (Digital signal processor) è un processore specializzato progettato per eseguire in modo rapido e deterministico operazioni matematiche tipiche dell’elaborazione dei segnali (audio, radio, sensori, immagini), soprattutto su flussi di campioni in tempo reale. Rispetto a una CPU general purpose, un DSP è ottimizzato per ripetere miliardi di volte al secondo calcoli come MAC (multiply–accumulate: moltiplica e somma), filtri digitali, FFT (trasformata veloce di Fourier), correlazioni e convoluzioni, mantenendo bassa latenza e tempi prevedibili.

Caratteristiche architetturali tipiche (non sempre tutte presenti, dipende dalla famiglia):

• Unità MAC dedicate: accelerano filtri FIR/IIR, equalizzatori, cancellazione eco, beamforming.

• Architettura “Harvard” o varianti: bus separati per istruzioni e dati per aumentare la banda interna.

• Pipeline e parallelismo: esecuzione sovrapposta delle istruzioni; spesso SIMD (stessa operazione su più dati) o VLIW (più operazioni per ciclo).

• Indirizzamenti e buffer circolari: utili per finestre e ring-buffer di campioni senza overhead.

• Saturazione e aritmetica fixed-point: molti DSP nascono per fixed-point (Q-format) con saturazione e rounding controllabili; altri sono floating-point per dinamica maggiore e sviluppo più semplice.

• DMA (direct memory access): sposta blocchi di campioni tra periferiche e memoria senza “rubare” cicli al core.

• Interrupt a bassa latenza e timer precisi: fondamentali per audio, controllo motori, telecom.

Cosa fa “in pratica” un DSP:

• Riceve campioni da ADC o da un’interfaccia digitale (es. I²S/TDM per audio, SPI da sensori, LVDS da front-end radio).

• Elabora i campioni con catene di algoritmi: filtri, compressione, estrazione di feature, demodulazione, cancellazioni, stime.

• Produce un’uscita verso DAC, un codec audio, un trasmettitore radio, o invia risultati a un host CPU/MCU.

Dove si usa spesso:

• Audio: equalizzazione, crossover, riduzione rumore, cancellazione eco, compressione/limiter, wake-word.

• Comunicazioni: modem, OFDM, demodulazione, sincronismi, channel estimation.

• Industriale/automotive: controllo motori, power electronics, diagnostica vibrazioni, sensori.

• Visione e sensori: pre-processing, filtri, correlazioni; talvolta in tandem con GPU/NPU.

DSP vs CPU/MCU/GPU (idea rapida):

• DSP: eccelle su streaming numerico e latenza prevedibile.

• CPU: più flessibile (OS, networking, UI), spesso meno efficiente sui loop DSP “puri”.

• MCU: controlli e I/O con consumi bassi; alcuni MCU moderni includono istruzioni DSP, ma non sempre hanno la stessa potenza o banda memoria.

• GPU/NPU: grande throughput parallelo, ma in embedded può essere meno adatta a catene con vincoli duri di latenza/interrupt.

Elementi da guardare quando scegli/valuti un DSP:

• Tipo di calcolo: fixed vs float, precisione, dinamica, saturazione.

• Prestazioni reali: throughput su MAC/FFT, ma anche banda memoria e DMA.

• Latenza: tempi di interrupt, pipeline, cache, determinismo.

• Interfacce: I²S/TDM, ADC/DAC integrati o esterni, CAN/Ethernet, PCIe, SPI, UART.

• Toolchain e librerie: FFT, filtri, codec, framework real-time, debug JTAG.

Schizzo dei collegamenti più importanti (tipico scenario embedded)

                 Clock/oscillator
                       │
Power rails ──► PMIC ──┼──────────────► Reset supervisor
 (core/I/O)            │                      │
                       ▼                      ▼
                    ┌─────────────────────────────┐
JTAG/SWD ◄──────────┤          DSP chip            │◄────────► Host CPU/MCU
Debug/trace          │  Core + MAC/SIMD + IRQ       │   (SPI/UART/PCIe/Ethernet)
                    │  DMA + Timers                │
                    │  Internal RAM/Cache (L1/L2)  │
                    └───────┬───────────┬──────────┘
                            │           │
                     External memory    │
                     (QSPI/DDR/SDRAM)   │
                            │           │
                            ▼           ▼
                      ┌─────────┐   ┌─────────┐
                      │ Flash   │   │  DDR    │
                      └─────────┘   └─────────┘

          Audio / signal I/O path (esempio)
Mic/line ─► ADC/Codec ─► I²S/TDM ─► DSP ─► I²S/TDM ─► DAC/Codec ─► Amp/Speaker

          Sensor / comms (esempi)
Sensors ─► SPI/I²C ───────────────► DSP
Network ─► Ethernet/CAN/USB ───────► DSP (o via host)

Schizzo aggiuntivo “da scheda” (pin-level)
                         ┌──────────────────────────────────────────┐
                         │                 DSP chip                 │
                         │                                          │
Alimentazioni            │  VDD_CORE ──┐                            │
(core)                   │             ├─► Decoupling (C vicino ai pin)
                         │  GND     ───┘                            │
                         │                                          │
Alimentazioni            │  VDD_IO  ──┐                             │
(I/O)                    │            ├─► Decoupling + ferrite (se serve)
                         │  GND    ───┘                             │
                         │                                          │
Clock e reset            │  XTAL_IN ◄── Oscillatore / quarzo ──► XTAL_OUT
                         │  CLK_IN  ◄── Clock esterno (opz.)
                         │  RESET_N ◄── Reset supervisor / PMIC
                         │  BOOT[ ] ◄── Strap resistors (modo boot)
                         │                                          │
Debug                    │  JTAG_TCK/TMS/TDI/TDO ───► Connettore JTAG
                         │  TRST_N (opz.)                            │
                         │                                          │
Memoria esterna (QSPI)   │  QSPI_CS_N ───► Flash CS
Firmware/boot            │  QSPI_CLK  ───► Flash CLK
                         │  QSPI_IO0..3 ◄► Flash IO0..3
                         │                                          │
Memoria esterna (DDR)    │  DDR_CK±    ───► DDR clock diff
Buffer e grandi blocchi  │  DDR_A[ ]   ───► DDR address
                         │  DDR_DQ[ ]  ◄► DDR data
                         │  DDR_DQS±   ◄► DDR strobe
                         │  DDR_CS/WE/RAS/CAS/CKE/ODT ─► DDR control
                         │                                          │
Audio digitale           │  I2S_BCLK  ◄──► Codec BCLK
(catena tipica)          │  I2S_LRCLK ◄──► Codec LRCLK/FS
                         │  I2S_DIN   ◄──  Codec DOUT (verso DSP)
                         │  I2S_DOUT  ───► Codec DIN (da DSP)
                         │  MCLK (opz.)◄──► Master clock
                         │                                          │
Audio analogico (se int.)│  ADC_INx   ◄── Mic/line (con antialias + bias)
(opz.)                   │  DAC_OUTx  ───► Amp (con filtro ricostruzione)
                         │                                          │
Sensori                  │  I2C_SCL/SDA ───► Sensori (pull-up)
                         │  SPI_SCK/MOSI/MISO/CS ─► Sensore/AFE
                         │                                          │
Comunicazione host        │ UART_TX/RX ───► Host/BT module
o rete (se presente)     │ CAN_H/L (via transceiver) ─► Rete CAN
                         │ ETH_TX/RX (via PHY) ─────► Ethernet
                         │                                          │
GPIO                     │ GPIOx ──► LED / enable amp / mute / IRQ ext
                         └──────────────────────────────────────────┘


Note pratiche (collegamenti “critici”)
- Decoupling: molti condensatori piccoli (es. 100 nF) vicino a ogni VDD + qualche bulk.
- Dominio clock: tracce corte, ritorno di massa continuo, evitare crossing su split GND.
- Reset/boot strap: resistenze di pull-up/down definite, stabile prima del rilascio reset.
- DDR: routing controllato (impedenza, lunghezze matched, via-stub minimizzati).
- I²S/TDM: attenzione a master/slave (chi genera BCLK/LRCLK) e al MCLK richiesto dal codec.
- ADC/DAC analogici: separazione analog/digital, filtri, reference pulita, guard