система dsp что это
DSP-процессоры: назначение и особенности
DSP-процессоры: назначение и особенности
Большинство из нас в повседневной жизни постоянно сталкивается с различными компьютерными системами: процессорами общего назначения (general-purpose, в основном x86) в ноутбуках и рабочих станциях, их мощными многоядерными версиями в датацентрах, мобильными процессорами в телефонах, многочисленными контроллерами в бытовой технике и на транспорте. Но помимо всех упомянутых вариантов есть ещё одно важное, хотя и редко упоминаемое семейство: цифровые сигнальные процессоры, чаще именуемые Digital Signal Processors или просто DSP.
Именно DSP решают задачи обработки больших объёмов информации в реальном времени, возникающие при передаче данных (звонков и мобильного Интернета) в мобильных сетях, обработке фотографий и восстановлению звука. Даже в топовых телефонах вся эта работа выполняется не на мощных ARM-ядрах, а на специализированных DSP.
В этой статье будет кратко изложена история DSP, их отличие от процессоров общего назначения, особенности их архитектуры, а также будет подробно рассказано о способах оптимизации кода.
История
Первые DSP появились в 1970-х годах. Эти процессоры стали логичным развитием специализированных аналогово-цифровых устройств, предназначенных для обработки речи, прежде всего её кодирования и фильтрации (прорыв в соответствующих научно-технических отраслях стал возможен благодаря спросу на эти технологии в годы Второй Мировой войны). Трудоемкость и сложность разработки устройств под каждую возникающую задачу, а также успехи в развитии электронной базы (широкое распространение технологии MOSFET) и математических алгоритмов (БПФ, цифровая фильтрация) привели к возможности создания универсальных, т.е. программируемых, цифровых процессоров, которые могли быть с помощью программ адаптированы для широкого класса задач. Адаптируемость на практике означала снижение стоимости разработок, сокращение времени выхода на рынок (time-to-market), возможность послепродажного обновления алгоритма для устранения ошибок, возможность поддержки новых требований пользователей. Во многих случаях эти возможности с лихвой компенсировали ухудшение производительности по сравнению со специальными ускорителями.
Рис. 1 Первый крупный успех DSP: планшет Speak&Spell (Texas Instruments, 1978) Рис. 2 С момента появления стандарта GSM DSP являются обязательным компонентом мобильных сетей Рис. 3 Обработка изображений в камерах (дебайеризация, удаление шумов, фильтрация) также выполняются на DSP (источник: https://snapshot.canon-asia.com/india/article/en/5-things-made-possible-with-digic-image-processor)
Из-за необходимости обработки в реальном времени и экономии электроэнергии DSP сильно отличались от процессоров общего назначения. В каком-то смысле они были первым примером программируемых вычислительных ускорителей, т.е. процессоров, максимально эффективно решающих определённый класс задач.
Преимущества DSP
Чем же именно отличаются DSP от обычных мощных процессоров общего назначения, особенно таких мощных как Intel Xeon или Cortex-A, и почему процессоры общего назначения не используют для обработки сигналов? Чтобы ответить на этот вопрос посмотрим на топологию современного процессора от Intel.
Рис. 4 Intel Skylake (источник: https://en.wikichip.org/wiki/intel/microarchitectures/skylake_(client) )
Из рисунка мы видим, что значительная часть площади кристалла отводится не под вычислительные ресурсы, а под сложную логику определения зависимостей, спекулятивного исполнения (out-of-order speculative execution) и составления расписания (scheduling). В сумме накладные расходы приводят к тому, что “КПД” процессора, т.е. энергия, затрачиваемая на выполнение реальных вычислений, составляет менее 1%:
While a simple arithmetic operation requires around 0.5–20 pJ, modern cores spend about 2000 pJ to schedule it.
Conventional multicore processors consume 157–707 times more energy than customized hardware designs.
(из статьи “Rise and Fall of Dark Silicon”, приведённой в списке литературы).
Чтобы сделать сравнение более конкретным, возьмём мощный процессор общего назначения от Intel и мощный DSP фирмы Texas Instruments (например Skylake Xeon Platinum 8180M и TMS320C6713BZDP300):
Что такое DSP-процессор звука? Для чего он в магнитоле?
Рекомендуемые статьи
Штатная магнитола Android на базе Allwinner TS9. Преимущества модели
Другими словами, встроенный звуковой DSP-процессор быстро изменяет поток цифровых сигналов, управляет задержками на каждом канале. Это высокоскоростная аппаратная схема, которая выполняет арифметические функции, манипулируют битами, оптимизируя большие объемы данных, чтобы быстро изменять их.
Разберем на примере:
Представьте себе ваш автомобиль изнутри с его «неправильной» формой, изгибами, со всем его наполнением: панелью, креслами и другим – все эти составляющие – это амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) вашего авто.
Среда с подобными АЧХ считается «неправильной», так как звук передается не так как в большой пустой комнате, салон с большим количеством элементов поглощает часть звука, часть просто искажается. По итогу, мы получаем не то звучание, которое излучают динамики, даже если вы воспроизводите звук в максимально высоком качестве без сжатия аудиофайла.
Так же, важным является расположение водителя и пассажиров относительно динамиков. На восприятие музыки влияет разность в громкости и силе динамиков, один будет звучать не так громко и сильно, как тот, что находится ближе. Чтобы звучание не искажалось, слушатель должен находиться по центру на равном удалении от динамиков. Но, в машине, это конечно невозможно.
| Звуковая сцена — это «точность, с которой воспроизводящая система передает звуковую информацию о размере, форме и акустических характеристиках исходного пространства записи и размещения исполнителей внутри звуковой сцены в помещении для прослушивания». |
Магнитола позволяет грамотно управлять звуковой сценой, смещать ее в любом направлении. Задержки, которые производит микропроцессор, позволяют гармонично построить звучание относительно «неправильной» формы салона и расположения динамиков. Эти специальные задержки длятся миллисекунды, но за это время они выстраивают звук таким образом, чтобы он воспринимался четко без искажений со всех сторон в точке слушателя.
Звуковой процессор DSP Bu3210x позволяет произвести тонкую настройку 11 полосного эквалайзера НЧ/СЧ/ВЧ с фильтрами среза частот, регулировкой добротности, тонкомпенсацией, поканальными задержками и функцией Loud. Есть возможность усиления басов на разных частотах, сохраняя чистоту звука.
В андроид магнитолу Allwinner TS9 встроен звуковой усилитель TDA7850 MOSFET. Усилитель согласуется с акустикой 2Ом, АЧХ соответствует классу Hi-Fi аудио: имеет низкий уровень паразитных шумов, высокий показатель соотношения сигнал/шум. Благодаря этому получается чистая насыщенная звуковая картина.
Чем ниже сопротивление акустики, тем больше искажений дает усилитель, чем выше сопротивление акустики, тем меньше дает искажений усилитель.
Добиться подобной настройки звуковой сцены в магнитолах без данного процессора очень сложно
Из дополнительных возможностей, следует выделить управление функциями магнитолы посредством кнопок управления на руле при наличии встроенных или дополнительно установленных пульта ДУ. Не снимая рук с руля, можно управлять громкостью звука, переключать музыкальные треки, а так же использовать другой функционал настроенный вами.
Помимо 2 линейных стерео аудио-входов (тюльпаны), 4 линейных аудио-выхода (тюльпаны) на внешний нештатный аудио-усилитель, предусмотрен отдельный линейный выход на Subwoofer.
Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library
Персональные инструменты
DSP (Digital Signal Processor)
Реальный масштаб времени (реальное время работы, Real Time Scale) – это такой режим работы устройства, при котором регистрация и арифметическая обработка (а при необходимости и анализ, визуализация, сохранение, систематизация, синтез и передача по каналам связи) данных производится без потерь информации, поступающей от ее источника
Содержание
Описание
Цель DSP
Цель DSP состоит в том, чтобы обычно измерять, фильтровать и/или сжимать непрерывные реальные аналоговые сигналы. Большинство микропроцессоров общего назначения могут также успешно выполнить алгоритмы цифровой обработки сигналов, но у выделенного DSP обычно есть лучшая степень эффективности, таким образом, они более подходят в портативных устройствах, таких как мобильные телефоны, из-за ограничений потребляемой мощности. DSP часто использует специальную архитектуру памяти, которая в состоянии выбрать многократные данные и/или инструкции одновременно.
Цифровая обработка
Алгоритмы цифровой обработки сигналов обычно требуют быстрое выполнение большого количество математических операций и неоднократность на ряде выборок данных. Сигналы (возможно, от аудио или видео) постоянно преобразовываются из аналогового в цифровой сигнал, используются в цифровой форме, и затем преобразовываются назад в аналоговую форму. У многих приложений DSP есть ограничения на задержку; т.е. для системы, чтобы функционировать, операция DSP должна быть завершена в некотором установленном времени и задержана, обработка не жизнеспособна.
Преимущества DSP
Большинство микропроцессоров общего назначения и операционных систем могут успешно выполнить алгоритмы DSP, но не подходят для использования в портативных устройствах, таких как мобильные телефоны из-за ограничений эффективности питания. А специализированный, цифровой сигнальный процессор, однако, имеет тенденцию предоставлять решение меньшей стоимости, с лучшей производительностью, более низкой задержкой и без необходимости специализированного охлаждения или больших батарей.
Архитектура
Архитектура и ее особенности
Архитектура ЦСП имеет ряд особенностей, в отличии от микропроцессоров общего применения. Она заключается в максимальном ускорении выполнения однотипных задач по цифровой обработке сигналов (поиск сигналов, преобразование Фурье и т.п.). В математике такие задачи приводятся к более простым по правилу «разделяй и властвуй». В нашем случае таким типом подзадач является поэлементное произведение элементов многокомпонентных векторов действительных чисел(это числа, которые могут быть записаны в виде конечной или бесконечной (периодической или непериодической) десятичной дроби.) и последующему суммированию результатов произведения.
Исходя из этого, процессоры специально оптимизируют под определенные операции(в нашем случае под перемножение и суммирование). В следствии чего растет производительность и быстродействие. Первоочередно ЦСП направлены на многократное умножение с очень быстрым расчетом адресов перемножаемых элементов массивов:
Однако архитектура изменялась из-за ограниченности аппаратных ресурсов первых ЦСП. Память делилась на независимые сегменты, детерминированная работа команд(время выполнения известно) дала начало планированию работы в реальном времени, из-за маленького конвейера несанкционированные переходы происходят гораздо быстрее чем в универсальных, редкий набор регистров и инструкций.
Архитектура программного обеспечения
Цифровые сигнальные процессоры иногда используют жестко фиксированное по времени кодирование, чтобы упростить аппаратные средства и эффективность кодирования умножения. Многократные арифметические модули могут потребовать, чтобы архитектура памяти поддерживала несколько выполнений за командный цикл. Специальные средства управления циклом, такие как архитектурная поддержка выполнения нескольких командных слов в очень трудном цикле, без издержек для вызовов команды или тестирования выхода.
Аппаратная архитектура
Архитектура памяти
DSP обычно оптимизируется под потоковую передачу данных и использует специальную архитектуру памяти, которая в состоянии выбрать многократные данные и/или инструкции одновременно, такие как Гарвардская архитектура или измененная архитектура фон Неймана, которые используют отдельную программу и памяти данных (иногда даже параллельный доступ на многократных шинах данных).
Адресация и виртуальная память
DSPS часто использует многозадачные операционные системы, но не имеет никакой поддержки виртуальной памяти или защиты. Операционные системы, которые используют виртуальную память, требуют большего количества времени для переключения среди процессов, которое увеличивает задержку.
Примеры: TMS320Cхххх, ADSP-21XX
Особенности ЦСП
Характерные особенности ЦСП (DSP):
Основные параметры ЦСП
Основные параметры ЦСП:
Сферы применения
Выделяют достаточно много сфер применения ЦСП.
Сферы применения DSP:
Зачастую, это сферы, где необходима быстродействующая обработка каких либо сигналов (информации).
История
В 1976г. году Ричард Уиггинс предложил концепцию «Speak & Spell» Полу Бредлову, Ларри Брантингхаму, и Джину Францу в научно-исследовательском центре Texas Instruments (Даллас). Два года спустя, в 1978г., они создали первую «Speak & Spell» с технологической главной центральной частью, являющейся TMS5100, как первый цифровой сигнальный процессор отрасли. Это также влекло другие этапы, будучи первой микросхемой, для использования кодирования с линейным предсказанием, чтобы выполнить речевой синтез.
В свою очередь, Intel 1978г. производил «процессор аналогового сигнала»-2920. Он включал конвертер из аналогового сигнала в цифровой и обратно, на микросхеме с встроенным внутрь сигнальным процессором, но он не обладал аппаратным множителем и не пользовался спросом на рынке. В 1979г. AMI выпускал периферийный прибор обработки данных-S2811. Он создавался, как связующее устройство микропроцессора, со способностью настройки владельцем. S2811, аналогично, не пользовался спросом на рынке.
В 1980г. реализован первый автономный процессор: DSP – NEC µPD7720 и AT&T DSP1 – были представлены на МК(Международной Конференци) Твердотельных схем ’80. Эти два процессора вдохновили исследование в телекоммуникациях PSTN.
Около пяти лет назад начало распространяться 2-е поколение ЦСП. У них было 3-и памяти для хранения 2-х операндов в одно и то же время, и включали аппаратные средства, для ускорения сложных циклов, а также существовал наименьший адресуемый элемент, способный к адресации цикла. Какие-то из них управляются на 24-х-разрядных переменных и похожей модели, но для MAC затратилось 21 нс. Это такие устройства, как: AT&T DSP16A, Motorola 56000.
Четвертое поколение лучше всего характеризуется изменениями в системе команд и кодировании/декодировании инструкции. Были добавлены расширения SIMD, VLIW и появились суперскалярная архитектура. Как всегда, тактовые частоты увеличились, MAC потребовал 3 нс.
Что такое мобильная DSP?
Научись получать доступ к мобильному рекламному инвентарю, используя данные в реальном времени и в автоматическом режиме.
Что такое Mobile DSP?
Ну да, еще одна непонятная аббревиатура, которых там много в IT и в цифровой рекламе, в частности. Но эта – одна из важных.
DSP – Demand-side platform (платформа со стороны спроса)
Звучит пугающе? Позвольте я вам разъясню. Все эти технические аббревиатуры, как Монстры в «Комнате страха». Снимите с них маску, и под ней окажется нормальное (во всяком случае человеческое) лицо.
Держитесь за мою руку, и смелей, я проведу вас через эту «комнату страха» рекламных технологий.
Так, что же такое DSP?
Demand-side platform (DSP) – это программное обеспечение, которое облегчает покупку и продажу онлайн рекламы. Это цифровой инструмент, используемый Рекламодателями и Агентствами для эффективного поиска лучших площадок (инвентаря) для размещения их рекламы, в соответствии с необходимыми им параметрами.
Эти параметры сам рекламодатель (или агентство его представляющее) выбирает из возможных. Рекламодатель может отсортировать инвентарь издателя, сегментируя аудиторию (по демографическим параметрам, интересам, локации и т.д.) или по виду инвентаря (примеры: видео, мобайл, десктоп и т.д.).
Смысл в том, что с DSP, весь этот процесс поиска и сортировки, который в прошлом осуществлялся вручную и был очень долгим и малоэффективным, теперь делается автоматически с помощью компьютера.
Это быстрей. Это гораздо более эффективней. И к тому же дешевле.
По всем параметрам – в выигрыше!
А что же с приставкой Мобильная?
Мобильная DSP предназначена для решения многих специфических задач, которые поставила «мобильная революция». Вот некоторые из них:
Чтоб найти мобильный инвентарь, mobile DSP интегрируется со специальными цифровыми площадками, называющимися рекламными биржами (ad exchanges). Это то место, где издатель размещает свои площадки для рекламы. Наша DSP интегрирована со всеми самыми крупнейшими мобильными рекламными биржами.
После того как DSP интегрируется с рекламными биржами, она получает доступ к показу рекламы на миллионах площадок по всему интернету. И к тому же, сам процесс поиска и покупки рекламы занимает миллисекунды.
Все это происходит с помощью аукционов в реальном времени, в мире цифровой рекламы называющихся RTB (real-time bidding).
В этом процессе, DSP решает на какой площадке лучше покупать размещение, основываясь на параметрах, заданных рекламодателем, и делает ставки (bid) чтоб определить окончательную цену.
Последствия использования Мобильной DSP
DSP, особенно мобильные, меняют всю систему покупки и продажи цифрового медиа. DSP делает этот процесс более быстрым, эффективным, и лучше оптимизированным, используя большое разнообразие данных, которых с каждым днем все больше и они все доступнее.
Это означает, что человек больше не участвует в установлении окончательной цены.
Но это не обязательно плохо.
DSP позволяет покупателям рекламы вместо этого планировать стратегию и оптимизировать свою рекламную кампанию, а не погрязнуть в рутине надоедливых повторяющихся операций.
И это гораздо более интересно и продуктивно, не так ли?
Система dsp что это
DSP (Demand Side Platform) – это организации, которые покупают данные у поставщиков для использования их в рекламе. Также DSP называют инструмент, необходимый для автоматической закупки рекламы.
Термины, связанные с DSP
Programmatic buying – сам процесс автоматизированной покупки таргетированной рекламы. Он осуществляется в формате аукциона, при этом учитываются интересы и потребности конкретных пользователей. Для функционирования Programmatic buying необходим ряд сервисов и платформ.
Data Suppliers – это поставщики готовых данных о пользователях. Они бывают 2 типов:
SSP (Supply Side platform) – это специальные платформы для издателей. С их помощью рекламные сети и сайты могут продавать рекламные площади.
Ad Exchange – это рекламная биржа, где встречаются паблишеры, которые хотят показать свою рекламу, и площадки, которые продают рекламные места. Отношения строятся по принципу аукциона: биржа принимает ставки от DSP и объявляет победителя. Таким образом, право на показ своей рекламы получает компания, предложившая самую высокую ставку.
Ad Network – рекламная банкетная сеть, которая является агрегатором большого количества трафика от владельцев площадок. На ней содержатся баннеры, а управление их показами осуществляется посредством рекламного сервера (Ad Server). Он передает рекламу на сайт паблишера, подсчитывает количество показов и кликов, участвует в оптимизации кампаний.
Как это работает
DSP напрямую взаимодействуют с платформами для издателей SSP, рекламными сетями Ad Network, биржами Ad Exchange и сайтами (паблишерами). Основной целью DSP является покупка рекламных показов и их демонстрация по оптимальной цене и в строгом соответствии запросам рекламодателей. DSP могут работать с баннерами, видеороликами, рекламой в мобильных приложениях, а также с нативной рекламой, которая замаскирована под обычный контент сайта.
В статье идет речь о DSP в контексте RTB (Real-time bidding), когда покупка рекламы происходит в формате аукциона. Аукцион проходит в режиме реального времени, пока идет загрузка страницы сайта. Когда пользователь заходит на сайт, к SSP передается информация о нем. В то же время SSP посылает аукционные запросы к подключенным DSP. Последние участвуют в аукционе за рекламный показ, делают свои ставки. Нулевая ставка означает отказ от аукциона. В результате этих действий пользователю показывается определенный баннер (с самой высокой ставкой).
Интересно, что участник, который выиграл аукцион, платит за показ не свою ставку (первую), а вторую по величине. Какой в этом смысл? Это предложение экономиста-математика, лауреата нобелевской премии Уильяма Викри. Он доказал, что такой подход обеспечивает установку “честных” ставок, без оглядки на поведение других участников аукциона.
В свою очередь, от DSP требуется отказоустойчивость. Процесс покупки должен происходить очень быстро и надежно. За 1 секунду DSP обрабатывает до 1 000 000 запросов. Кроме этого, у DSP должны быть “мозги”. Под ними понимаются алгоритмы таргетирования и предиктивной оптимизации.
Стратегия работы DSP (таргетинги)
DSP работает со множеством рекламодателей, при этом у каждого из них может запускаться несколько кампаний. Таким образом, их количество порой доходит до тысячи. У каждой кампании есть своя стратегия закупки рекламных показов, которая состоит из совокупности таргетингов.
Виды таргетингов:
Предиктивная оптимизация
Перечисленные выше таргенинги определяли логику выбора пользователя для показа ему рекламного объявления, но они не затрагивали вопрос размера ставки. При работе с DSP исключительно с этими таргетингами, придется использовать ручной труд. Маркетологу или трафик-менеджеру нужно будет самостоятельно подбирать ставку и изменять таргетинги, ориентируясь на результаты работы рекламной кампании. Такая работа должна высоко оплачиваться, но ее минус – большой риск ошибки ввиду человеческого фактора. Чтобы отказаться от ручного труда, в отдельных DSP были реализованы алгоритмы предиктивной оптимизации, ее еще называют “предикт” или “предиктор”.
Рассмотрим на примере, как это работает.
Менеджер по маркетингу российской торговой сети запускает рекламную кампанию для нового товара. Он подбирает 20–30 сайтов со своей целевой аудиторией (таргетинг по доменам), а также крупные города, где есть магазины сети (географический таргетинг). Далее устанавливается ставка в 100 рублей за тысячу показов (CPM – Сost Per Mille) или 10 копеек за 1 показ. В ходе рекламной кампании выясняется, что средний процент кликов относительно показов (CTR – Click-Through Rate) равен 0,1 %. Получается, что цена за клик (CPC– Сost Per Click) – 100 рублей. Менеджер понимает, что каждый пользователь обходится слишком дорого. Оптимальная цена для него – 20 рублей. Следющий шаг – снижение цены CPM до этой суммы. Но в ходе этой операции DSP перестает выигрывать аукцион – ставка слишком низкая. Совокупный объем трафика падает. Что делать в этой ситуации?
Важно учитывать, что величина CTR непостоянная, в том числе для разных сайтов. Даже на одном ресурсе может быть аудитория из разных городов, и кликать она будет с разной частотой. Как правило, пользователи из Москвы и Санкт-Петербурга более активные. Они привыкли к быстрой доставке и, если видят в рекламе интересный им продукт, охотнее кликают. Они уверены, что курьер приедет в этот же или на следующий день. А вот у тех же жителей Магадана скорость доставки низкая. Если они видят, например, объявление о новогодних скидках и акциях, то доставка длиной в 3 недели отбивает все желание кликать на рекламное объявление.
Но это еще не все нюансы. Для аудитории разных сайтов характерна разная реакция на рекламные объявления. К примеру, демонстрируется новый внедорожник. Кто охотнее кликнет на рекламу: посетитель автомобильного сайта или онлайн-ресурса с рецептами?
Допустим, есть способ, который позволяет узнать ожидаемый CTR объявления на интересующем сайте для конкретного пользователя. Тогда размер ставки CPM вычисляется динамически по формуле:
CPM = (ожидаемый CTR) x CPC x 100
Возвращаясь к примеру с менеджером по маркетингу торговой сети, получим следующее. DSP будет закупать и дешевые показы с низким CTR (20 рублей, CTR 0,1 %), и дорогие показы с высоким CTR (60 рублей, CTR 0,3 %). Таким образом, будут выполнены цели кампании по цене визита и максимальному числу привлеченных пользователей.
Ожидаемый CTR можно вычислить с помощью алгоритма предиктивной оптимизации. Он считает на каждую пару – запрос от SSP + рекламная кампания, подходящая по таргетингу, –ожидаемый CTR, равный вероятности клика. На первый взгляд задача кажется простой, но она достигается сложными алгоритмами машинного обучения. Как правило, алгоритмы предиктивной оптимизации являются универсальными и могут предсказывать вероятность другого целевого действия (например, конверсии).
В качестве вывода
Даже сегодня в России RTB и programmatic считаются таинственными технологиями, в сути работы которых могут разобраться лишь избранные технические специалисты. В данной статье мы попытались простыми словами описать принцип функционирования DSP и ответить на самые частые вопросы маркетологов. Мы уверены, что теперь перед началом работы с DSP-платформой, вы обязательно спросите у его представителя, как работает предикт.