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デジタルシグナルプロセッサ(Digital Signal Processor, DSP)は、デジタル信号処理に特化したマイクロプロセッサであり、一般にリアルタイムコンピューティングで使われる。

◆ 概要

デジタル信号処理のアルゴリズムは一般に大量の演算を一群のデータに対して素早く行う必要がある。アナログからデジタルに信号を変換し、それを操作し、再びアナログに戻す(下図参照)。多くのデジタル信号処理はレイテンシに制約がある。すなわち、デジタル信号処理がある時間以内に完了しないと、システムは役に立たない。

多くの汎用マイクロプロセッサやオペレーティングシステムでも、デジタル信号処理のアルゴリズムを正しく実行できる。しかし、そのようなマイクロプロセッサは消費電力や大きさの関係で、携帯電話やPDAなどには適さなかった。デジタル信号処理に特化したDSPは、より安価でより低消費電力でありながら、より高性能を提供する。ただしその差は小さくなっており、マイクロコントローラにデジタル信号処理機能を持たせたものも増えている。21世紀初頭現在では、新規にDSPを使用した開発は少なくなっている。

特定の演算処理を高速に行なうことを目的に作られ、音声処理・画像処理などに使われることが多い。レーダーなどの信号処理や無線通信回線の信号の変調・復調等でも使用されていた。DTM用音源ボードなどのPC用拡張ボードに使用されたほか、携帯電話、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、電子楽器などに使用された。高速フーリエ変換のような演算を行ない、アナログでは不可能なフィルタ動作や信号情報の圧縮・変調・復調処理などを行なった。

DSPのアーキテクチャは、デジタル信号処理に最適化されている。以下では、そのような特徴を解説する。

◆ アーキテクチャ

・ ハードウェアによるモジュロアドレッシングにより、リングバッファを実装した際にループで毎回境界チェックする必要がない。

・ データストリーミングのためのメモリアーキテクチャになっており、DMAを頻繁に使用する。

・ プログラムメモリとデータメモリの分離(ハーバード・アーキテクチャ)

・ 特殊なSIMD演算が可能

・ 積和演算を高速に実行できるように高速乗算器を持つ。特に整数演算の場合は積和演算器を持つものが多い。FIRフィルタや高速フーリエ変換 (FFT) といったデジタル信号処理では、積和演算の性能が非常に重要である。

・ ビット反転アドレッシングという特殊なアドレッシングモードがあり、FFT処理でよく使われる。

・ メモリ管理ユニットを持たない。DSPはマルチタスクは可能だが、仮想記憶やメモリ保護はサポートしていない。仮想記憶をサポートしたOSでは、プロセスを切り替える際のコンテキストスイッチに時間がかかり、レイテンシを増大させるためである。

・大量の繰り返し処理を分岐命令によるオーバーヘッドなしに高速に実行できる(遅延分岐方式であり、つまりディレイスロットが存在する)

オーバーヘッドなしの繰り返し分岐命令以外の特徴はCPUに含まれている場合が多い。

◇ プログラムのフロー

・ 浮動小数点数演算ユニットは直接データパスに組み込まれている。

・ パイプラインアーキテクチャ

・ 多数の積和演算器を並列動作させることで、演算性能を高める。

・ ハードウェアでループを制御し、ループ操作にかかるオーバーヘッドを低減または排除している。

◇ メモリアーキテクチャ

・ DSPのメモリアーキテクチャは、複数のデータと命令を同時にフェッチできるようになっている。以下のいずれかである。

  ・ ハーバード・アーキテクチャ

  ・ ノイマン・アーキテクチャの修正版

・ Direct Memory Access を多用

・ 特殊なメモリアドレス計算ユニット

◇ データ操作

・ 飽和演算(算術オーバーフロー、算術アンダーフローをそれぞれ最大値・最小値に丸める)を行う。汎用CPUで最大値に1を加えると、例外を起こさない場合でも最大値ではなくなる。飽和演算モードを設定できる場合もある。

・ 高速化のために固定小数点演算を使うことが多い。

・ シングルサイクルの処理によってパイプラインの効率を高めている。

◇ 命令セット

・ 積和演算命令は、行列処理(フィルタリングにおける畳み込み、ドット積、ホーナー法などの多項式計算)で頻繁に使用する。

・ 並列性を強化する命令: SIMD、VLIW、スーパースケーラ

・ モジュロアドレッシング(リングバッファ用)とビット反転アドレッシング(高速フーリエ変換用)

◆歴史

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