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Meilensteine der Elektronik Der ADSP-2100 und seine seit drei Jahrzehnten erfolgreiche Prozessorarchitektur

| Redakteur: Richard Oed

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.

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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)

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.

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