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
