如何基于多核處理器設(shè)計(jì)研究彈載嵌入式系統(tǒng) ？

彈載信息處理系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)嵌入式數(shù)字處理系統(tǒng)，用于對(duì)彈載導(dǎo)引系統(tǒng)接收信號(hào)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)、截獲和跟蹤以及目標(biāo)信息的提取，是彈載雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。隨著軍事技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)空戰(zhàn)面臨著越來(lái)越嚴(yán)酷的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)于彈載雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)的探測(cè)能力以及反隱身、抗干擾等性能提出了更高的要求。為此需要采用復(fù)雜處理算法，如數(shù)字波束形成、空時(shí)自適應(yīng)處理技術(shù)、雜波抑制、低信噪比信號(hào)檢測(cè)和識(shí)別、超分辨等，提高系統(tǒng)目標(biāo)探測(cè)和抗干擾能力。

數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度越來(lái)越大、實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越高，同時(shí)彈載應(yīng)用環(huán)境對(duì)系統(tǒng)功耗、尺寸又有著嚴(yán)格的限制，因此需要運(yùn)算速度更快、容量更大、功耗更低的數(shù)字處理平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能需求。基于單核DSP的信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)方式難以適應(yīng)大運(yùn)算量實(shí)時(shí)處理的新需求，傳統(tǒng)的DSP互聯(lián)技術(shù)是將多個(gè)單核DSP用高速接口連接在一起，但是這樣的系統(tǒng)架構(gòu)會(huì)帶來(lái)功耗和尺寸方面的問(wèn)題。采用基于單片異構(gòu)多核處理器的信號(hào)處理平臺(tái)成為發(fā)展趨勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)并行處理平臺(tái)的小型化、低功耗設(shè)計(jì)，顯著提高彈載信息處理系統(tǒng)的信號(hào)與信息處理能力。

1多核處理器TMS320C6678性能

單核DSP其性能通常由時(shí)鐘頻率來(lái)評(píng)價(jià)，然而DSP的時(shí)鐘頻率并不能做到直線上升，單片單核結(jié)構(gòu)受限于速度極限，很難再有更大發(fā)展空間;隨著應(yīng)用系統(tǒng)復(fù)雜性持續(xù)增加，只通過(guò)提高時(shí)鐘頻率來(lái)增強(qiáng)處理性能達(dá)到了極限。單片多核的結(jié)構(gòu)將成為DSP發(fā)展的主流，應(yīng)用單片多核處理器，將顯著提升彈載雷達(dá)信息處理系統(tǒng)性能，并能實(shí)現(xiàn)彈載雷達(dá)信息處理平臺(tái)更進(jìn)一步的小型化。

多核DSP是近年來(lái)針對(duì)高性能嵌入式應(yīng)用而出現(xiàn)的一類多核微處理器(MultiCore MicroProcessor)。相比傳統(tǒng)的單核處理器，多核處理器在提高并行處理能力的同時(shí)配置了更高的存儲(chǔ)帶寬和更靈活的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。 TMS320C6678是TI公司的最新型的KeyStone架構(gòu)多核DSP，該DSP集成了8個(gè)DSP內(nèi)核，每個(gè)內(nèi)核頻率可達(dá)1.25 GHz;定點(diǎn)運(yùn)算能力為320 GMAC，浮點(diǎn)運(yùn)算能力可達(dá)160 GFLOPS，運(yùn)算能力比現(xiàn)在主流的DSP(如TS1 01)有大幅提高(TS101的內(nèi)核時(shí)鐘是300MHz，浮點(diǎn)運(yùn)算能力為1 800 MFLOPS)，充分體現(xiàn)并行處理的理念。每個(gè)DSP內(nèi)核配置32 kb的一級(jí)局部程序緩存器、32 kb的一級(jí)局部數(shù)據(jù)緩存器和512 kb的二級(jí)局部緩存器。

基于KeyStone體系架構(gòu)，能夠確保多核DSP的每一個(gè)內(nèi)核發(fā)揮全面的處理功能，TMS320C6678除了具有多DSP內(nèi)核導(dǎo)致的運(yùn)算處理能力提高，還提供了豐富的對(duì)外通信接口以及存儲(chǔ)單元的支持，增強(qiáng)了處理器對(duì)外高速數(shù)據(jù)交換的吞吐能力。Keystone多核架構(gòu)為RISC和DSP內(nèi)核以及專用協(xié)處理器和I/O的集成提供了一種高性能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，Keystone架構(gòu)能夠在處理器內(nèi)核、外部設(shè)備、協(xié)處理器和I/O之間建立無(wú)阻塞數(shù)據(jù)傳輸，這主要基于多核導(dǎo)航器(Multicore Navigator)、TeraNet、多核共享存儲(chǔ)區(qū)控制器(Multicore Shared Memory Controller，)和超鏈接總線(HyperLink)。超鏈接總線和高速輸入輸出接口實(shí)現(xiàn)DSP與外界信息傳輸，TeraNet總線結(jié)構(gòu)(速度為 2Tbps)把所有組成部分有機(jī)聯(lián)系在一起，包括作為主要處理單元的多個(gè)內(nèi)核以及通信協(xié)議處理器和數(shù)據(jù)信息包傳輸協(xié)處理器，能實(shí)現(xiàn)快速無(wú)沖突的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送。

多核共享存儲(chǔ)控制器(MSMC)配有DSP內(nèi)核共享的4 MBSRAM存儲(chǔ)器，對(duì)共享存儲(chǔ)器存取和信息包傳輸能夠并發(fā)進(jìn)行;為了實(shí)現(xiàn)對(duì)外部存儲(chǔ)器快速存取，提供了速度為1 600 MHz的64位DDR3接口，尋址存儲(chǔ)空間可達(dá)到8 GB.多核導(dǎo)航器配置控制8192個(gè)多用途硬件隊(duì)列的隊(duì)列管理器，建立基于DMA的零開(kāi)銷信息包傳送通道，當(dāng)需要并行處理的多任務(wù)被分配到隊(duì)列中，多核導(dǎo)航器通過(guò)將任務(wù)引導(dǎo)到適當(dāng)?shù)目捎糜布?lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)的加速派遣。網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器支持信息包傳送加速和安全加速引擎，增強(qiáng)了與上位機(jī)的通信功能。 TMS320C6678提供豐富的高速外設(shè)接口：四路串行高速IO(SRIO)，每路傳輸速度最高可達(dá)到5 GBaud;兩通道PCIe—II傳輸，每通道速度最高可達(dá)5 GBaud;超鏈接總線(HyperLink)支持與其他具有KeyStone架構(gòu)的器件互連，傳輸速度可達(dá)到50 GBaud;16位擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口，支持256 MBNAND Flash和16 MB NOR Flash，支持異步SRAM容量可達(dá)到1 MB;以及16個(gè)GBIO接口等，諸多高速的外部接口可以保證多通道高采樣率的大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)入DSP內(nèi)核進(jìn)行處理。另外，TM S320C6678具備動(dòng)態(tài)電源監(jiān)測(cè)和SmartReflex電源管理技術(shù)，能夠在低功耗和強(qiáng)大運(yùn)算處理能力之間達(dá)到性能平衡。

綜上所述，TMS320C6678處理器為彈載高速實(shí)時(shí)大容量數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)大的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)。其中的Keystone架構(gòu)提供了一種集成了片內(nèi)各種子系統(tǒng)的可編程平臺(tái)，該架構(gòu)使用多種開(kāi)創(chuàng)性的技術(shù)和硬件組成使得芯片內(nèi)部和芯片之間的數(shù)據(jù)信息傳輸達(dá)到最佳化，從而保障各種DSP資源能夠高效無(wú)縫發(fā)揮作用。這種體系架構(gòu)的中樞是稱為多核導(dǎo)航器的關(guān)鍵組成單元，它能夠?qū)崿F(xiàn)各種芯片組成之間高效的數(shù)據(jù)管理，對(duì)各內(nèi)核進(jìn)行管理和協(xié)調(diào)，使得 DSP內(nèi)核高效互聯(lián)，保證多核處理器的效能得到發(fā)揮。Teranet交換網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)2Tbps的無(wú)阻塞信息交換，能進(jìn)行快速無(wú)沖突的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送，多核共享存儲(chǔ)控制器確保處理器內(nèi)核無(wú)需通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)就能夠直接存取共享存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器。

2基于多核DSP的軟件設(shè)計(jì)

為了有效發(fā)揮多核DSP系統(tǒng)的運(yùn)算處理和數(shù)據(jù)傳輸能力，獲得多核DSP實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的最佳性能，需要進(jìn)行相應(yīng)的基于多核DSP的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，軟硬件的有機(jī)配合，確保多核DSP的功能和性能真正發(fā)揮作用。對(duì)于基于多核DSP的信息處理系統(tǒng)，盡管多核DSP提供了高性能硬件基礎(chǔ)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮每個(gè)內(nèi)核之間的任務(wù)分配和信息傳輸，因此，為充分利用多核DSP的硬件優(yōu)勢(shì)，多核DSP系統(tǒng)并行軟件設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，多核DSP對(duì)軟件設(shè)計(jì)提出新的挑戰(zhàn)，同時(shí)也導(dǎo)致軟件設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法的改變。

TMS320C6678集成了8個(gè)DSP內(nèi)核，多內(nèi)核之間的任務(wù)分配和系統(tǒng)處理算法直接影響多核系統(tǒng)的性能和效率。任務(wù)分配的目的就是合理配置系統(tǒng)資源，設(shè)法減少DSP內(nèi)核間的通訊開(kāi)銷。均衡負(fù)載是將系統(tǒng)承擔(dān)的任務(wù)合理地分配給各DSP內(nèi)核，以提高系統(tǒng)吞吐量。顯然，減少通訊量和均衡負(fù)載是相互矛盾的，因此，系統(tǒng)任務(wù)分配策略也就是最大限度地減少各子系統(tǒng)間的通訊量，同時(shí)均衡各子系統(tǒng)問(wèn)的負(fù)載，以提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。