高性能多ＤＳＰ互連技術

王　勇　張　平

摘要：多DSP并行是復雜信號處理系統(tǒng)的主要構造方式，而互連與傳輸機制設計是其中的關鍵。結合主流廠商的最新高性能DSP，本文對多DSP互連技術進行全面系統(tǒng)地綜述。為多DSP并行系統(tǒng)的體系結構設計提供有效參考。

關鍵詞：DSP互連；傳輸；總線；交換

前言

由于現(xiàn)代數(shù)字信號處理器(DSP)設計、半導體工藝、并行處理和互連與傳輸技術的進步，現(xiàn)代高性能DSP的處理能力得到極大發(fā)展。但在移動通信、雷達信號處理和實時圖像處理等復雜電子系統(tǒng)中，單片DSP的性能仍可能無法滿足需求，通常需要使用多片DSP構成并行信號處理系統(tǒng)。

在多DSP系統(tǒng)中，互連技術連接DSP、接口及其他處理器，一起構成系統(tǒng)的靜態(tài)體系結構，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g介質(zhì)的總和?；ミB技術傳輸代表計算任務、中間數(shù)據(jù)、結果或狀態(tài)控制信息的數(shù)據(jù)流，使接口與DSP中的算法模塊通過數(shù)據(jù)流動態(tài)地連接起來，整合成分工協(xié)作的有機整體。

已經(jīng)有一些對多DSP并行系統(tǒng)互連技術的綜述，但還不夠全面而且沒有反映高性能DSP互連技術的最新進展。因此，本文以世界主流公司的典型高性能DSP產(chǎn)品為例，全面總結高性能DSP的互連接口技術及其發(fā)展，對其互連特性進行總結和歸納分類，在此基礎上全面總結給出并行信號處理系統(tǒng)中多DSP互連設計的總體設計考慮和實際經(jīng)驗。

高性能DSP互連接口技術及其發(fā)展

多DSP系統(tǒng)的互連以DSP自身接口為基礎，下面以TI、ADI和Freescale三家公司的高性能DSP為例系統(tǒng)概括現(xiàn)有的DSP互連接口，見表1。

現(xiàn)有DSP的互連接口在物理層和傳輸控制上的特性是選擇使用互連技術的基礎，表2是對表1中所有的DSP互連接口的互連特性的總結。

可以看出，在越來越高的傳輸速率需求的推動下，高性能DSP互連接口在物理層技術的主要發(fā)展趨勢是：從高電壓擺幅→低電壓擺幅，從單端信號→差分信號；從并行總線→串行信號線；從收發(fā)異步→收發(fā)外同步→源同步→串行碼流中嵌入時鐘的串行器／解串行器(SerDes)；從半雙工→全雙工；從多點分時共享總線→點－點的專用互連；最終使接口傳輸速率從幾十Mbit／s發(fā)展到目前的10Gbit／s。

數(shù)據(jù)的串行化意味著數(shù)據(jù)必須以分組方式傳輸。而由于信號完整性問題，高速串行差分線一般不允許多點負載，因此基于SerDes的互連一般是點到點的直接互連。當DSP數(shù)量較少時，可以采用DSP間兩兩的直接互連；當DSP數(shù)量較多時，須要采用中間DSP或用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g器件—交換機。

因此，物理層技術的發(fā)展推動著高性能DSP的主要互連技術從多點并行總線轉向高速串行直連和分組傳輸交換。例如TI在2008年10月發(fā)布的3核DSP TMS320C6474、Freescale在2008年11月發(fā)布的6核DSPMSC8156，都已經(jīng)取消傳統(tǒng)意義上的數(shù)據(jù)、地址和控制三總線接口而代之以sRIO、GE之類的標準分組交換網(wǎng)絡接口以及AIF這樣的高速直連接口。

根據(jù)傳輸特性對互連技術分類

互連的目的滿足接口及算法鏈路的數(shù)據(jù)傳輸需要，因此互連特性往往與傳輸特性緊密相關。各種互連技術雖各有不同，但可以根據(jù)互連與傳輸?shù)墓残赃M行統(tǒng)一分類，有助于理解并選擇合適的互連技術。表3是根據(jù)互連與傳輸?shù)奶匦詫ΜF(xiàn)有主要DSP互連技術的分類。圖1～圖4是對典型互連技術實例的圖示。

對表3補充說明如下：多點總線為多DSP共享并分時占用，不能多數(shù)據(jù)流并發(fā)傳輸。多點主從總線可能有主總線的橋接轉換，例如PCI-HPI的PCI2040(TI)、PCI-Local總線的PCI9054(PLX)。傳統(tǒng)互連中的數(shù)據(jù)傳輸過程一般都需要源、中間或目的處理器的顯性或隱性(例如TDM中的時隙分配)地直接參與。而基于交換機的網(wǎng)絡互連則一般不需要。間接傳輸中的中介器件、DSP或交換機可以根據(jù)需要級聯(lián)。接口轉換橋方式連接標準網(wǎng)絡的實例有：專用于ADI公司SHARC及TigerSHARC的SharcFin和FINe(Bittware)、通用的TS1620(Tundra)。高端FPGA由于其豐富的接口、對幾乎所有互連標準的有效支持、使用的靈活性和高性能的計算處理能力，也會在多DSP的互連中發(fā)揮重要作用。

在2003年RapidIO成為ISO／IEC18372標準之前，還沒有規(guī)范的多DSP互連網(wǎng)絡標準，各廠商推出了多種非標準DSP互連網(wǎng)絡、接口和交換芯片，例如：Solano(spectrumSignal)、StarFabric(starGen)、FPDP／sFPDP(ICS／VITA)、RaceWay(Mercury)、SKYChannel(SKY Computer)。RapidIO是在這些技術的基礎上發(fā)展起來的，特別針對高性能DSP或嵌入式系統(tǒng)互連優(yōu)化，其產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)基本成熟，并開始逐步取代這些非標準互連技術。

總結高性能DSP間的數(shù)據(jù)傳輸及控制，可以看出，其主要發(fā)展趨勢是：從DSP間的直接互連傳輸→通過中介DSP的間接傳輸→通過分組交換互連網(wǎng)絡的間接傳輸；源DSP和目的DSP的關系從主從關系→對等關系；從DSP軟件主動參與傳輸控制→硬件獨立自主控制傳輸過程，例如sRIO由硬件完成檢錯和重傳；從專有互連傳輸技術→標準互連傳輸技術。

系統(tǒng)級設計考慮

構建多DSP并行DSP系統(tǒng)時，需要決策解決的系統(tǒng)級問題有：為主數(shù)據(jù)路徑選用哪些互連技術與整體拓撲?統(tǒng)一互連還是混合互連技術?直接還是間接互連?如果直接互連采用何種DSP接口?如果間接互連是采用存儲器、FPGA、交換機還是其他器件擴展?是否需要連接外部網(wǎng)絡?如何處理控制、程序配置、管理等的傳輸需求?是否需要區(qū)分數(shù)據(jù)平面、控制／配置平面、管理平面?在控制／配置／管理平面內(nèi)，又應采用何種互連技術與互連拓撲?

如何選擇合適的互連技術，設計合理的互連體系結構，應當根據(jù)數(shù)字信號處理算法及其在各DSP上的分解、解耦與適配結果，考慮數(shù)據(jù)傳遞鏈路在速率、延遲、并發(fā)數(shù)等方面的性能需求，針對已有DSP接口的互連與傳輸特性，滿足系統(tǒng)在控制、配置和管理方面的數(shù)據(jù)傳遞需要，滿足系統(tǒng)在成本、硬軟件開發(fā)復雜度、調(diào)試測試方便性、構建使用靈活性與可擴展性等使用特性上的需要。在工程中設計實際并行處理系統(tǒng)時，一般需要混合使用多種互連傳輸技術與互連拓撲架構。

經(jīng)驗總結

在信號處理平面：當多DSP間整體流量不大或需要共享內(nèi)存且器件支持時，可以使用對等并行總線；當處理過程需要主處理器參與轉移、分配、匯聚或控制時，可以選用主從并行總線；當多DSP異構、具有非對等總線接口、需要分發(fā)匯聚或需要FPGA參與處理時，可以用緩存或FPGA做中介的間接互連；當需要高性能且鏈路為直接點一點時，可以選用高速直接互連鏈路或多點總線蛻化的直接互連；當需要并發(fā)的多個高速數(shù)據(jù)流、路徑需要動態(tài)變化或需要擴展性，可以采用高性能分組交換網(wǎng)絡互連；如果DSP不具有網(wǎng)絡接口或網(wǎng)絡為非標準，則需要橋接器件。語音、定時特性明顯的中小數(shù)據(jù)量傳輸可以采用McASP、TDM、McBSP等同步串行總線；對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)可以采用FE、GE的標準網(wǎng)絡。

在配置、控制和管理數(shù)據(jù)平面，對低速數(shù)據(jù)可以采用串行總線如UART、PC、CAN、UART擴展的RS485等；對于高速傳輸可以采用主從并行總線如PCI、HPI、DSI、UTOPIA等，或采用FE／GE、PCIe、sRIO等網(wǎng)絡互連技術；如果需要通過外部以太網(wǎng)管理系統(tǒng)內(nèi)部則需要使用FE、GE等通用網(wǎng)絡技術。

對于系統(tǒng)的整體互連拓撲，當整體算法鏈路固定且主要為順序傳遞或逐級分解／匯聚或DSP數(shù)量較少時，可以采用兩DSP間點一點直接互連組成的鏈／環(huán)式、樹／星型、二／三維規(guī)則拓撲、Mesh等拓撲結構；當需要中、低性能的多DSP間相互傳輸，可以采用多點總線、FPGA星型、FE／GE的星型網(wǎng)絡拓撲；當需要較多DSP間的高性能互連、算法靈活或需要性能與規(guī)模的線性擴展時，可以使用FPGA或分組交換網(wǎng)絡形成的星型拓撲。

結語

現(xiàn)代高性能多DSP并行DSP系統(tǒng)一般將采用分平面的混合互連與傳輸技術。高性能多DSP的互連和數(shù)據(jù)傳輸將主要是基于低壓差分SerDes的全雙工互連和分組數(shù)據(jù)傳輸。當DSP數(shù)量較少時系統(tǒng)級互連將以DSP間的直接互連為主，當DSP數(shù)量較多時將以交換機及交換網(wǎng)絡為中心。多DSP互連的整體發(fā)展趨勢是從局部的差異化互連→全局統(tǒng)一的網(wǎng)絡互連；從直接互連／傳輸→通過中介的間接傳輸→通過互連網(wǎng)絡的間接傳輸；從非標準互連→標準互連；從通用以太網(wǎng)→面向信號處理優(yōu)化的高性能嵌入互連網(wǎng)絡sRIO。