DSP的并行处理方法

只看该作者 · 2018-7-31 13:01

DSP的并行处理方法

在通信、雷达等系统中，特别是在3G无线基站等系统中，随着输入语音数字和分组数据量急剧增加，系统的处理能力也需要急剧增加，这需要一种功能强大的大型并行阵列信号处理系统。系统往往需要进行非常复杂的数据处理，虽然 DSP技术得到了飞速的发展，出现了高速DSP芯片，但是使用单个DSP芯片还是不能适用系统的需求，迫切需要把多个DSP组成互联系统，以增强整体数据处理能力。本文主要研究TI公司的TMS320C6x系列DSP的主机接口（HPI）。

1 TMS320C6x简介

TMS320C6x内部主要包括1个中央处理器单元（CPU），1个程序内存和一个数据内存，DMA，1个外部存贮器接口（EMIF），1个主机接口（HPI），2个多通道缓冲串口（McBSP），TMS320C6x的CPU 内部有8个处理单元，每个时钟最多可处理8条指令。TMS320C6x的接口灵活，处理能力强，运算速率高，因此在民用和军用领域都将有广阔的应用前景，在军事通信、电子对抗、雷达系统、精确制导武器等需要高度智能化的应用领域，这种芯片的高速处理能力具有不可替代的优势。

2 利用TMS320C6x的HPI组成多DSP互联并行系统

主机口HPI是一个16／32 b宽度的对外接口，外部主机（也叫做上位机）掌管该接口的主控权，外部主机可通过HPI直接访问DSP的存贮空间。另外，主机还可以直接访问 TMS320C6x片内的存贮映射的外围设备。复位时向DSP加载程序，对DSP进行控制。外部主机是HPI的主管方，DSP是HPI的从方。主机可以通过HPI访问DSP，但DSP不能通过HPI向外部进行访问。在这类系统中，通常包括一个主处理器和很多从处理器，主处理器一般是通信控制器，例如 MPC8260，MC68360等，当然TMS320C6x也可以作为主处理器，用来进行对系统的输入输出数据及整个系统进行进行管理。从处理器一般是多个DSP（如TMS320C6x），用来进行算法处理。主处理器通过HPI向DSP加载程序，对DSP进行控制，可以通过HPI向DSP写入待处理的数据或通过HPI读取DSP处理完的数据，DSP之间的数据可以通过HPI由主处理器进行中转。如图1所示，主处理器可以直接连接多个逻辑。此方法结构简单，但主处理器负担较重，和多个DSP通信效率较低，且主处理和DSP阵列需要在同一块单板上。

另一种方法如图2所示，主处理器PCI总线连接到PCI／HPI接口转换控制芯片上，接口转换芯片控制多个DSP并完成主处理器和DSP之间、DSP相互之间的数据交换。此时主处理器和DSP阵列可以不在同一块单板上。在该系统中（若主处理为 MPC8260，需增加8260到PCI总线的桥片），HPI／PCI接口转换控制芯片是整个系统设计的关键。

主处理器也可以通过TMS320C6x来充当，利用DSP的HPI接口组成一个多DSP互连并行系统，一般是一个主处理器和一个从处理器，此种方法的一个应用实例是在雷达中的应用。滑窗算法是数字信号处理中一种常用的基本算法，但滑窗算法一般是遍历性的算法，其运算量大，在实时处理中受到限制。利用2片TI公司的高速DSP芯片TMS320C6201，应用其HPI接口并行实现多种滑窗算法，满足了某雷达系统解模糊的实时需要。系统由2片TMS320C6201完成所有的数字信号处理算法，主要是多重滑窗算法。根据实际系统的需要，将多重滑窗算法处理分布在2片TMS320C6201上，利用其HPI接口完成多处理机之间的快速数据交换，构成多机并行处理系统，完成多重滑窗算法的多机并行处理。整个系统的基本框图如图3所示。

3 利用TMS320C6x的McBSP组成的多DSP并行互连系统

McBSP称为多通道缓冲串口，他有一个发送端口和一个接收端口，多个DSP可以通过McBSP连接到一个串行时际交换芯片，采用时际交换的方式进行数据交换。数据收发以帧为单位进行。每个发送帧分成n个发送时隙，不同的发送时隙对应不同的接收DSP，例如：DSP0的发送端口在时隙1给DSP1发送数据，在时隙2给DSP2发送数据，在时隙n给DSPn发送数据；每个接收帧分成n个接收时隙，不同的接收时隙对应不同的发送DSP。例如：DSP1的接收端口在时隙0接收来自DSP0的数据，在时隙2接收来自DSP2的数据，在时隙n接收来自DSPn的数据。这种方法的优点是接口简单，可以实现多个 DSP的全互连来进行并行处理。缺点是数据以串行方式传输，速率较低。

4 利用ADSP2106x的Link口组成多DSP互连并行系统

首先对ADSP2106x做一简单介绍。ADSP2106x是一种高性能的32 b数字信号处理器，采用超级哈佛结构。内有3条片内总线，他们是PM总线（程序存贮器）、DM总线（数据存贮器）和I／O总线。PM总线既可用来访问指令，也可以用来访问数据。在一个单周期内，处理器可以访问2个数据，一个通过DM总线，另一个通过PM总线，而指令要到指令缓冲中去取。他的外部口提供与外部存贮器、存贮器映像I／O、主机处理器、多处理机系统中的其他ADSP2106x连接的接口。外部口完成内部和外部的总线仲裁，并且向共享的全局存贮器和I／O设备提供控制信号。最显著的特点是提供了6个链路口，为多DSP并行处理提供了很大的方便。

ADSP2106x提供了6个链路口，每个链路口包括4位数据线、1个双向时钟信号、1个双向确认信号、链路握手信号，每个链路口可以按2倍时钟频率的速率进行数据传输。可以独立工作或同时工作，链路数据可以打包成32 b或48 b数据，可以被处理器核访问，可以与片内存贮器进行DMA传送，外部主机可以直接访问链路口。具有双缓冲的发送和接收寄存器。可通过时钟／确认信号在链路口通信时握手，每个链路口均可收／发数据，并分别有一个DMA通道支持。由于有6个链路口，所以若数据总线采用紧耦合的方式，则一组多DSP最多可以有6 个DSP。

ADSP2106x的Link口的并行处理功能在实际中已得到广泛的应用。在雷达、通信等中都有成功应用的实例，利用Link口为了完成大量的的复杂数据运算且实时性要求高的系统，方法如图4所示。数据通过缓冲区送过来，然后在CPLD的控制下通过发送中断选择第几个DSP芯片，按照CPLD的控制依次将数据通过主总线送给各个DSP进行FFT和恒虚警处理，然后由后端的DSP通过软件控制从Link口依次将各个DSP处理的结果送到后端的DSP进行处理，缓冲器通过数据总线将数据送给各个DSP，由于CPLD的控制，所以数据总线不会发生冲突。且紧耦合在一块的各个51DSP通过 Link口互相传送数据，各个DSP也通过Link口将处理结果送给后端DSP。这种方法在雷达中已得到成功的应用。当然ADSP2106x利用Link 口进行并行处理的方法在通信中也得到广泛的应用，例如在扩频通信中利用2片ADSP2106x也得到成功应用。利用Link口组成多DSP互连系统方法灵活，除上面所述外，还可根据实际情况进行处理。

5 结　语

不同的应用需要的处理能力不同，对各个DSP之间，DSP与主处理器之间的数据流量和时延要求也不同，故需要的DSP数目、互连方式也不同。利用 DSP不同接口的互连方式，HPI有利于外部主处理器对各个DSP进行控制，适合于主从处理器和多个DSP构成主从方式的互连系统。McBSP接口简单，适用于对传输速率要求不高的低速全互连并行系统。对于ADSP2106x，由于其Link口的特点，特别适合与构成多种不同的并行多处理系统，在高速实时处理系统中得到了广泛的应用。

前面介绍的各种DSP互连并行系统，各自有自己的优缺点，可以根据实际情况进行合理选择。