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一種新型多DSP并行處理結(jié)構(gòu)
摘要：提出了一種由6片ADSP-21161構(gòu)成的新型的多DSP并行處理結(jié)構(gòu)，它具有運算能力強、I/O帶寬寬、通信手段多樣、能靈活地改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、可擴展性和通用性強等特點，并且以此并行計算結(jié)構(gòu)為核心設(shè)計實現(xiàn)了通用高速實時雷達(dá)信號處理系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：多DSP并行計算實時信號處理
傳統(tǒng)的雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的設(shè)計是根據(jù)具體的需求確定算法流程以及硬件結(jié)構(gòu)的。這導(dǎo)致了系統(tǒng)升級的困難加大。當(dāng)信號處理的內(nèi)容改變、要求處理的數(shù)據(jù)量加大、改進(jìn)處理算法時，必須對整個系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計。
利用軟件無線電的原理，可以構(gòu)建通用的硬件平臺，輔之以必要的軟件系統(tǒng)，能實現(xiàn)各種信號處理功能。
本結(jié)構(gòu)采用高速浮點DSP（ADSP-21161N）。ADSP-21161集成了一個性能優(yōu)良的浮點DSP核和豐富的在片功能，并且提供了實用可靠的多處理器互聯(lián)及并行處理的方式。以六片ADSP-21161N構(gòu)成的多處理器結(jié)構(gòu)具有強大的處理能力，可以完成各種高速實時信號處理功能。
實時信號處理要求巨大的計算量與超高速的計算速度，而現(xiàn)在的單片DSP很難滿足要求，因此必須采用合理的多DSP并行計算結(jié)構(gòu)。雷達(dá)信號處理的特點要求處理結(jié)點具有大的I/O帶寬，以實現(xiàn)高數(shù)據(jù)吞吐能力，通用的系統(tǒng)還必須支持多種算法，因此應(yīng)能根據(jù)不同并行算法的要求靈活地改變多DSP并行計算的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提供方便多樣的相互通信手段。
圖1
1ADSP-21161N芯片簡介
ADSP-21161N是美國ADI公司近斯推出的功能強大的32bit浮點DSP芯片，采用超級哈佛結(jié)構(gòu)，擁有多條內(nèi)部總線、高速運算單元、大容量存儲器、靈活多樣的外部接口。它的核心工作頻率可達(dá)100MHz，外部總線工作頻率可達(dá)50MHz。由于其內(nèi)部包括兩組處理單元，每組又運用三級流水線結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，故而運算處理速度可達(dá)達(dá)到600MIPS，以此來實現(xiàn)DSP的低工作頻率、高處理能力的功能可以降低功耗。
大容量內(nèi)部雙端口SRAM，容量可達(dá)到1Mbit，分成兩個存儲區(qū)，一個周期可同時完成指令代碼及操作數(shù)的存取，并可任意設(shè)置成16位、32位或48位字寬，給不同的應(yīng)用帶一籽方便。
主機（HOST）與多處理器接口無需外部電路，依靠片內(nèi)總線仲裁邏輯和DMA控制器的支持，能夠方便地構(gòu)成緊耦合的共享總線/共享存儲器的并行系統(tǒng)。在片的SDRAM控制器，可直接管理SDRAM，多DSP之間可以很好地協(xié)調(diào)共同使用SDRAM，從而構(gòu)成一個一體化的處理系統(tǒng)。
兩套雙向高速LINK數(shù)據(jù)傳輸，每套LINK口受獨立的DMA控制器、發(fā)送/接收數(shù)據(jù)FIFO的支持，可進(jìn)行最高達(dá)100MB/s的高速數(shù)據(jù)傳，大大提高了并行處理能力，可借以構(gòu)成松耦合的分布式并行系統(tǒng)。
另外，還有SPI接口、可編程I/O管腳（FLAG）以及同步串口等通信端口。
2多處理器系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
在多處理器系統(tǒng)中，處理器節(jié)點之間的通信通常使用兩種方案：一種方案是使用專門的點對點通信信道；另一種方案是節(jié)點之間通過個共享的全局存儲器和一條并行總線進(jìn)行通信。這兩種解決方案則構(gòu)造了兩種多DSP結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)流式結(jié)構(gòu)和簇式結(jié)構(gòu)。
2.1數(shù)據(jù)流工多處理器結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)流式多處理器結(jié)構(gòu)應(yīng)用ADSP-21161N的鏈路口進(jìn)行點對點通信。系統(tǒng)的算法可以分解成多個部分，分別由多個處理器節(jié)點執(zhí)行，并將數(shù)據(jù)按順序放到由處理器節(jié)點構(gòu)成的“流水線”上。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特別適合于對計算帶寬要求高、靈活性要求低的應(yīng)用。但作業(yè)一個通用的處理平臺，必須做到靈活性強，因此本文所介紹的系統(tǒng)并沒有應(yīng)用數(shù)據(jù)流式結(jié)構(gòu)，而是簇式結(jié)構(gòu)。
2.2族式多處理器結(jié)構(gòu)
族式多處理器結(jié)構(gòu)適合于需要一定靈活性的應(yīng)用，特別是當(dāng)一個系統(tǒng)必須我種不同任務(wù)，而其呈些可有需要并發(fā)運行的情況。簇式多處理器結(jié)構(gòu)如1所示。
ADSP-21161N的內(nèi)部存儲器是針對滿足多處理器系統(tǒng)I/O的需要設(shè)計的，片內(nèi)的雙口RAM允許在處理器核進(jìn)行雙數(shù)據(jù)訪問的同時進(jìn)行全速的處理器間傳送，而不需要從處理器核竊取周期使處理器保持完整的100MIPS、600MFLOPS的性能。通過軟件的設(shè)計，6片ADSP-21261N組成的一個統(tǒng)一的族式多處理器系統(tǒng)，可以將多處理器配置成數(shù)字并行或者是控制并行系統(tǒng)。由于各處理器節(jié)點內(nèi)核之間不相互制約，這樣一個系統(tǒng)可以達(dá)到3600MFLOPS的運算速度，對于通常的信號處理工作完全可以做到實時處理。
簇內(nèi)存在一個瓶頸，這是因為在每個周期里只有兩個處理器可以通過共享的總線進(jìn)行通信，其它的處理器則被阻塞，直到總線被釋放為止。由于ADSP-21161N也可以在一個族中進(jìn)行點對點的鏈路口傳送，該瓶頸很容易被消除。通過普通總線可以動態(tài)的建立和激活處理器間的數(shù)據(jù)鏈接。由于ADSP-21161N僅
有兩個鏈接口，各處理器間只能兩兩相連構(gòu)成一條鏈路，不相鄰的兩個處理器節(jié)點之間的通信則要通過中間節(jié)點給予支持。但由于ADSP-21161N的鏈路口數(shù)據(jù)傳輸速率為100MB/s，而且傳輸字寬為8bit，基本可以消除此瓶頸的影響。
2.3多處理器總線仲裁
多個ADSP-21161N可以共享外部總線，而不需要另外的仲裁電路�？偩�仲裁是通過使用BR1-BR6、HBR和HBG等信號完成的。BR1-BR6在多個ADSP-21161N之間進(jìn)行仲裁，HBR和HBG完成ADSP-21161N主處理器和主機處理器之間的部控制權(quán)傳遞�？偩�仲裁可以采用跑步同的優(yōu)先權(quán)機制解決總線請求的競爭：固定優(yōu)先權(quán)和循環(huán)優(yōu)先權(quán)。RPBA管腳決定使用哪種優(yōu)先權(quán)機制。當(dāng)RPBA為高電平時選擇循環(huán)優(yōu)當(dāng)RPBA為低電平野外選擇固定優(yōu)先。由于循環(huán)優(yōu)先機制控制比較復(fù)雜，因此一般可和固定優(yōu)先機制，經(jīng)過實驗檢驗，固定優(yōu)先機制很容易用，而且效果不錯。在固定優(yōu)先機制中，參與競爭總線的ADSP-21161N中，ID號最小的ADSP-21161N將成為主處理器，從而可以將先級羅高的處理工作放在ID號較小的處理器中。在軟件優(yōu)先權(quán)控制上則需要較少的運算開銷。
多處理器系統(tǒng)中各ADSP-21161N之間的BR1-BR6要連在一起，用到的BRx線的數(shù)量等于系統(tǒng)中ADSP-21161N的數(shù)量。每個處理器驅(qū)動與自身ID2-0輸入相對應(yīng)的BRx管腳，并且監(jiān)視其它處理器的BRx管腳。如果系統(tǒng)中的ADSP-21161N少于6片，未用的BRx管腳應(yīng)上拉為高電平。
3多DSP并行處理結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)
ADSP-21161N具有設(shè)計多處理器系統(tǒng)的功能，包括總線控制仲裁、對其它ADSP-21161N的內(nèi)部存儲器和IOP寄存器的訪問等。在多個ADSP-21161N共享總線式多處理機系統(tǒng)中，任何一個處理器都可成為總線控制者。
實現(xiàn)一個典型的多DSP并行處理結(jié)構(gòu)，各處理器的三大總線要全部相連。圖2給郵一個基本的多處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在多系統(tǒng)中，某一時刻總線由主處理器控制，并且主處理器驅(qū)動所總線。由于民多處理器后，包括片內(nèi)存儲器以及IOP寄存器在內(nèi)的所有地址空間是統(tǒng)一編址的，因此事實上只有兩個節(jié)點（處理器或外設(shè)）在同時刻在總線上活動，而此刻總線對于其它節(jié)點來諳阻塞的。這，其它接口點能通過鏈路口或者FLAG標(biāo)志口進(jìn)行點對點通信來交換數(shù)據(jù)和消息。
在多處理器系統(tǒng)中，各控制線上除主DSP外的其它所有節(jié)點都屬于負(fù)載，所以對于每一根控制線來說都是一個多負(fù)載的連接，必須在每個DSP附近接串接電阻以增強驅(qū)動能力，否則會由于驅(qū)動能力不足而導(dǎo)致所進(jìn)行的操作失效。另外在所有低電平有效的一上應(yīng)接上拉電阻，以保證在沒有進(jìn)行操作時從DSP以及外接不會接收到虛假的指令。由于本系統(tǒng)是一個獨立的結(jié)構(gòu)，并沒有與外部主機相連，故主機接口控制線在各DSP相連的情況下，應(yīng)像其它未用管腳一樣根據(jù)ADI技術(shù)文檔的要求進(jìn)行處理。而本結(jié)構(gòu)與外部的通信可以通過同步串口工者在總線上掛接一片雙端口RAM來進(jìn)行。
另外多處理器系統(tǒng)的時鐘、復(fù)位步問題一個決定系統(tǒng)工作正常與否的關(guān)鍵問題，各DSP的復(fù)位信號可同時接到看門狗的輸出端。時鐘信號必須在阻抗可控的傳輸線中傳輸，為保證各DSP的時鐘信號之間不存在相位差，或者說相位差在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，一般應(yīng)采取始端連接的方式。圖3給出串聯(lián)傳線分配時鐘的例子，它允許在不同的路徑中存在延時，每個設(shè)備必須在線的終端。傳路徑必須均勻分布，以使各路徑上的傳輸延遲相互匹配。匹配的反相器必須在同一IC上，且相互之間的時間滯后差必須小于1ns。
并行處理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)搭建好后，如何才能很好地發(fā)揮其超強的處理能力，則要靠軟件的設(shè)計來實現(xiàn)。為適應(yīng)計算任務(wù)的多樣性，可以采用1片ADSP-21161N作任務(wù)管理器，另外5片ADSP-21161N作運算器的主、從式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這樣做還有利于實現(xiàn)指令間的流水處理，提高執(zhí)行效率。而軟件實現(xiàn)是可以根據(jù)具體的要求來完成，考慮到系統(tǒng)的高速、高效、實時性，軟件可采用ADSP-21161N匯編語言進(jìn)行編程。
本文以通用高速實時信號處理系統(tǒng)的設(shè)計為應(yīng)用背景，提出了一種由6片ADSP-21161N構(gòu)成的并行處理結(jié)構(gòu)。它充分利用ADSP-21161N芯片本身支持多處理器并行運算的特點構(gòu)成了式多處理器結(jié)構(gòu)，并輔以鏈路口互取決的點到點通信、FLAG標(biāo)志互連的消息傳送等靈活多樣的通信方式，具有運算能力強、I/O帶寬寬、通信手段方便多樣、能靈活地改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、可擴民有、通用性強等特點。以此并行處理結(jié)構(gòu)為核心輔之高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，快捷用高速FPGA作為系統(tǒng)控制設(shè)計實現(xiàn)了通用高速實時信號處理系統(tǒng)。實驗表明，這種并行計算結(jié)構(gòu)易于控制，工作效率高，并且穩(wěn)定可靠。
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