連續(xù)實時信號處理器的性能分析

１　處理器概況

ＡＤ公司的ＴigerSHARC DSP(ADSP-TS101S)和摩托羅位公司PowerPC系列處理器代表了獲得高性能計算能力的不同結(jié)構(gòu)和方法。ＴigerSHARC代表ＤＳＰ的傳統(tǒng)做法，它具有低開銷、確定性和ＤＭＡ引擎等特點，專門用于開發(fā)嵌入式實時應(yīng)用系統(tǒng)，例如雷達、聲納、無線通信和圖像處理。相反，ＰowerPC是一種ＲＩＳＣ處理器，用于開發(fā)副蘋果計算機最高性能的Ｇ４工作站；具有很高的時鐘頻率以及強大的ＡltiVec矢量處理引擎，在一些嵌入式信號處理應(yīng)用方面也取得了很大的成功。

很明顯，具有ＡltiVec核的ＰowerPC G4(74xx)具有較高的核時鐘速率與性能。PowerPC的核時

相反，ＴigerSHARC有兩個獨立的３２閏處理器核，或稱MIMD（多指令多數(shù)據(jù)）結(jié)構(gòu)。每個計算單元每周期能執(zhí)行一次乘法以及和差分運算，對于300MHz ADSP-TS101S每周期完成６次浮點運算或1800MFLOPS峰值運算能力。當執(zhí)行１６位數(shù)據(jù)運算時，TigerSHARC可以利用它的超標量體系結(jié)構(gòu)，分離兩個獨立３２位計算單元成２個單獨的１６位SIMD單元，這樣每個操作在兩個數(shù)據(jù)單元，每個周期可以增加超過１２次的操作。另外，TigerSHARC有另外兩個專門的１６位整數(shù)引擎，每個周期可以增加超過１２次的操作，這樣每個周期共計２４次整數(shù)運算，7200MOPS。

２?。桑蠋捙c處理能力的比值

在許多信號處理的應(yīng)用中，受限于數(shù)據(jù)流而不是處理能力，因此理解處理器Ｉ／Ｏ能力以及與處理器內(nèi)核的數(shù)據(jù)交換的性能十分重要。衡量的尺度是Ｉ／Ｏ帶寬與處理率之比（ＢＰＲ），即處理器峰值Ｉ／Ｏ帶寬（ＭＢ/s）除以峰值處理能力（ＭＦＬＯＰＳ）。１Ｂ／ＦＬＯＰ的ＢＰＲ指示它是一個比較平衡的連續(xù)信號處理結(jié)構(gòu)，意味著處理器對每個浮點操作能完成１Ｂ數(shù)據(jù)傳輸。一個處理器的ＢＰＲ明顯高于或低于１Ｂ／ＦＬＯＰ，表示這種結(jié)構(gòu)比連續(xù)信號處理器更適合數(shù)據(jù)流搬移或后向數(shù)據(jù)處理。

圖１所示為ＰowerPC處理器節(jié)點方框圖。從圖中可以看出所有處理器Ｉ／Ｏ的訪問必須通過ＭＰＣ和控制器／橋芯片之間的６４位，１２８ＭＨz(對于ＭＰＣ７４５５為１３３ＭＨｚ)系統(tǒng)總線。對于ＭＰＣ７４１０任何一個處理器的最高Ｉ／Ｏ帶寬是１０００ＭＢ／s,對ＭＰＣ７４５５的最高Ｉ／Ｏ帶寬是１０６４?。停?s。

然而由于Ａltivec很強大，這種適宜的高帶寬不一定總能跟上核的速度。當MPC7455執(zhí)行8000MFLOPS時，數(shù)據(jù)搬移的速度僅為1064MB/s。BPR值只有０.13，說明這種結(jié)構(gòu)的I/O帶寬和處理能力是不平衡的。因此，PowerPC對塊處理是有效的（比如具有高的計算和相對低的數(shù)據(jù)流動），但對連續(xù)的、高數(shù)據(jù)流動、較少計算的連續(xù)信號處理，是低效率的。

TigerSHARC是為多處理器設(shè)計的，而且提供了６４位、100MHz共享系統(tǒng)總線以及４個８位，250MHz的Link口作I/O和處理器之間的數(shù)據(jù)通信，簇總線的搬移數(shù)據(jù)速率為800MB/s。數(shù)據(jù)還可以通過Ｌink口以50MB/s速度進行傳送，每個TigerSHRC提供總的I/O帶寬可達1800MB/s。TigerSHARC的ＢＰＲ是0.1，表明對連續(xù)的信號處理是平衡的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

３　信號處理能力—cFFT

１０２４點復(fù)數(shù)FFT(cFFT)是評價信號處理性能使用最廣泛的基準。原因如下：第一，清晰而且容易易化；第二，在大多數(shù)應(yīng)用中，它是最普遍使用的信號處理函數(shù)；第三，cFFT可以評估處理器的數(shù)據(jù)處理能力和處理速度。

值得注意的是，由于ＰwerPC的速度和性能，在計算１０２４點cFFT有明顯優(yōu)越性；然而TigerSHARC是為DSP裁剪定制的，在執(zhí)行信號處理算法時會更加有效。這是由于芯片具有極好的數(shù)據(jù)搬移的能力、平衡以及單周期執(zhí)行蝶形運算能力（乘法、加法、差分）。AltiVec核比TigerSHARC核快3.3倍，潛在處理速率是TIgerSHARC的4.4倍，然而它執(zhí)行一個１０２４點cFFT僅比TIgerSHARC快2.5倍。TigerSHARC在９７５０周期可以完成CFFT運算，而PowerPC必須用１３０００個周期，因此，在執(zhí)行一個１０２４點CFFT時，TigerSHARC的計算效率比PowerPC高３３％。換句話說，如果以相同的時鐘頻率運行，TIgerSHARC會超過PowerPC?。常常?。隨著TigerSHARC時鐘速率繼續(xù)提升，考慮成本和功耗等問題，當它執(zhí)行FFT信號處理應(yīng)用時，它的能力要顯明超過AltiVec。

４　連續(xù)的cFFT

評價處理器能力時，通常考慮它的處理能力、Ｉ／Ｏ帶寬，甚至算法的執(zhí)行，但遺憾的是這些評估沒有一個能真實反映實際應(yīng)用。實際應(yīng)用時，這些因素往往相互影響。數(shù)據(jù)必須按所希望的那樣同時輸入、處理、輸出。每個１０２４點cFFT需要８ＫＢ數(shù)據(jù)輸入（１０２４個樣本