Ein DSP (Digitaler Signalprozessor, englisch digital signal processor) ist ein spezialisierter Mikroprozessor, der kontinuierlich digitale Signale verarbeitet – etwa Audio-, Video- oder Sensordaten. Während eine normale CPU für möglichst viele verschiedene Aufgaben optimiert ist, ist ein DSP auf wenige, dafür extrem schnelle Rechenoperationen zugeschnitten: Filtern, Verschieben und Umrechnen von Signalwerten in Echtzeit.
Warum ein eigener Prozessor für Signale?
Audio- und Sensorströme fallen mit fester Rate an: Ein Mikrofon liefert zum Beispiel 48.000 Werte pro Sekunde, ein Radar tausende Messungen pro Puls. Für jeden Wert muss der Prozessor in der Zeitspanne bis zum nächsten Wert fertig sein, sonst geht das Signal verloren. Ein DSP garantiert diese Echtzeitverarbeitung durch eine Architektur, die genau auf die typischen Signalverarbeitungs-Schleifen ausgelegt ist: Multiply-Accumulate-Operationen, zyklische Puffer (Ringbuffer) und Hardware-Schleifen ohne Sprung-Overhead.
Architektur eines DSP
- Harvard-Architektur: Programm- und Datenspeicher sind getrennt, sodass der DSP im selben Takt einen Befehl holen UND auf Daten zugreifen kann – anders als die klassische Von-Neumann-Architektur mit einem einzigen Speicherbus.
- MAC-Einheit: Der Kern jedes DSP ist die Multiply-Accumulate-Operation (Multiplizieren und Addieren in einem Schritt). Viele DSPs führen eine MAC pro Takt aus – das ist die Grundoperation von FIR-Filtern und der diskreten Fouriertransformation (FFT).
- Fixed-Point vs. Floating-Point: Die meisten DSPs rechnen mit Festkomma-Zahlen (Fixed-Point), weil das günstiger, schneller und stromsparender ist als Gleitkomma. Floating-Point-DSPs mit eigener FPU gibt es vor allem im Audio-Profi- und Automobilbereich.
- VLIW und SIMD: Moderne DSPs nutzen VLIW mit mehreren Operationen in einem breiten Befehlswort sowie SIMD, um mehrere Signalwerte parallel zu berechnen.
Beispiele und Hersteller
Texas Instruments ist mit der C6000-Familie (u.a. C64x, VLIW mit bis zu 8 Funktionseinheiten) einer der Marktführer bei Allzweck-DSPs. Qualcomm verbaut in seinen Snapdragon-SoCs DSP-Kerne namens Hexagon für Audio, Kamera und Sensorfusion. Weitere bekannte DSP-Familien sind die SHARC-Prozessoren von Analog Devices und DSPs von NXP.
Anwendungen
- Audio: Entzerrer, Rauschunterdrückung, Sprachcodecs (MP3, AAC, Opus)
- Kommunikation: Modems, Breitband-Funk, digitale Filter in Basisstationen
- Sensorik: Radar, Sonar, medizinische Bildgebung (Ultraschall, MRT-Vorverarbeitung)
- Antriebstechnik: Feldorientierte Regelung von Elektromotoren
Abgrenzung zu anderen Prozessoren
Eine GPU ist auf massive Parallelverarbeitung für Grafik und allgemeine Rechenlasten ausgelegt (siehe GPGPU), eine CPU auf vielseitige Allzweck-Aufgaben. Ein DSP sitzt dazwischen: spezialisiert auf deterministische, zeitkritische Signalströme. Bei Interrupt und niedriger Latenz sind DSPs oft den General-Purpose-Kernen überlegen; moderne SoCs kombinieren CPU, DSP und GPU auf einem Chip.
Verwandte Grundlagen: Mikroarchitektur, Register-Bank, Assembler.