Übliche Systemarchitektur eines Audioprozessorsystems wie das vom Flex 500 ist ein verteiltes System. Die Aufgaben werden dabei auf mehrere Prozessoren verteilt. Bei einer leistungs- und echtzeitkritischen Anwendung wie ein Audio-Prozessor ist das oft unverzichtbar.

Hardware-Architektur

Die Hardware-Architektur vom Flex 500 ist im folgenden Bild gezeigt:

Audio-DSP

Spezialisierte Audio-DSP-Chips

Der Kern eines typischen Audio-Prozessors ist ein DSP-Chip. Lange Zeit wurden dafür ausschließlich dafür konzipierte Audio-DSPs, wie z.B. die von Texas Instruments und Analog devices eingesetzt. Die Audio-DSPs haben Befehlsätze, die für Audiodatenverarbeitung typisch sind und eine effiziente hardwaregestütze Verarbeitung der Daten ermöglichen. Dazu gehören viele spezialisierte SIMD-Befehle. (Single Instruction Multiple data) wie MACs (Multiplier+Accumulator). Diese ermöglichen schnelle Verarbeitung von z.B. Biquad-Filtern, ein sehr verbreitetes digitales Filter oder aber auch viele andere Algorithmen, wo sequentielle Multiplikation und Addition-Folgen größerer Daten nötig ist.

MehrZweck-Mikroprozessoren (General purpose Microprocessors)

Mittlerweile sind die Leistung und die Befehlssätze der Mikroprozessoren rasant gestiegen. Heutzutage sind viele Prozessoren mehrere Hundert Megahertz schnell getaktet und bieten u. a. DSP-Einheiten für SIMDs und Gleitkommazahl-Einheiten (FPUs). Aufgrund ihrer breiten Verfügbarkeit und vielseitiger Einsatzmöglichkeiten jenseits der Audio-Verarbeitung, sind die Mehrzweck-Mikroprozessoren zu einer echten Alternative gegenüber der herkömmlichen Audio-DSPs geworden.

Ein Spitzenreiter unter denen ist die Prozessoren auf Basis von ARM Cortex-M7. Diese Prozessoren sind bis zu 600MHz getaktet, besitzen DSP und FPU Einheiten. Ein Vergleich von Cortex-basierten Prozessoren gegenüber der herkömmlichen, verbreiteten Produkte von Texas Instruments und Analog devices ist im folgenden Artikel detailliert aufgeführt:

Choosing the best processor for your DSP application

DSP capabilities of Cortex Processors

In diesen Studien ist sichtbar, dass die High-End Spezialprozessoren für manche spezialisierte Tasks wie MAC-Leistung immer noch die Nase vorne haben. Allerdings sind die Cortex Prozessoren auch sehr leistungsfähig und können ihre Stärken bei allgemeineren Tasks spielen, wofür die Spezialprozessoren keine HW-Unterstützung anbieten.

Aus den genannten Aspekten wurde für den Flex 500 ein STM32H743 mit 400MHz Taktrate, DSP und FPU-Einheiten gewählt.

Controller-Chip

Ein Controller-Chip übernimmt oft alle sonstigen Aufgaben wie die allgemeinen Verwaltungsaufgaben, GUI-Steuerung, Anzeige etc. Die Echtzeitansprüche an den Controller-Chip ist niedrig, dafür muss er viele Tasks abarbeiten. DSP und Controller-Chips unterscheiden sich voneinander vor allem in deren Softwarearchitektur.

Der DSP-Chip muss mehrere Tasks schedulen und abarbeiten. Eine Middleware wie FreeRTOS ist dafür sehr gut geeignet, wenn die Komplexität und die Tasks steigt. Man kann auch „Bare-metal“ programmieren und eigenen Scheduler schreiben.

Je nach benötigter Leistung und Peripherien kann man einen Mikroprozessor wählen, der diese Aufgaben erledigt. Auch hierbei  ist ARM Cortex-M sehr gut geeignet und verbreitet.

Beim Flex 500 muss der Mikrocontroller

• GUI Inputs und Outpus managen
• Eine kleine Grafikbibliothek treiben
• Kommunikation zum DSP aufbauen.
• Expression-Pedal und Fußschalter treiben
• Sonstige HW steuern (Leistungsstufe etc.)

Als Controller von Flex 500 ist der STM32F767 von ST gewählt, der mit 216MHz Taktfrequenz und zahlreiche Schnittstellen all diese Aufgaben erledigen kann. Für diesen Zweck ist vermutlich auch ein kleinerer Cortex-M4 vollständig ausreichend.

Display-Treiber

Der Controller-Chip ist von der Prozessorleistung her sehr stark und besitzt  auch ein Display-Treiber. Allerdings ist die verfügbare interne RAM mit 512 sehr knapp für Grafikanwendungen. Um die interne RAM für sonstige Aufgaben freizuhalten, ist ein externer Display-Treiber gewählt.

Die Lösung für Display hängt stark von Anforderungen an. Eine sehr gute Übersicht ist im folgenden Paper von ST verfügbar:

LCD-TFT display controller (LTDC) on STM32 MCUs

Beim Flex 500 ist ein Display mit integriertem Chip ILI9341 eingesetzt.