王　勇　張　平

摘要：多DSP并行是復(fù)雜信號處理系統(tǒng)的主要構(gòu)造方式，而互連與傳輸機制設(shè)計是其中的關(guān)鍵。結(jié)合主流廠商的最新高性能DSP，本文對多DSP互連技術(shù)進行全面系統(tǒng)地綜述。為多DSP并行系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有效參考。

關(guān)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(shè)計、半導(dǎo)體工藝、并行處理和互連與傳輸技術(shù)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(fù)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(gòu)成并行信號處理系統(tǒng)。

在多DSP系統(tǒng)中，互連技術(shù)連接DSP、接口及其他處理器，一起構(gòu)成系統(tǒng)的靜態(tài)體系結(jié)構(gòu)，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g介質(zhì)的總和?；ミB技術(shù)傳輸代表計算任務(wù)、中間數(shù)據(jù)、結(jié)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(shù)的綜述，但還不夠全面而且沒有反映高性能DSP互連技術(shù)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(jié)高性能DSP的互連接口技術(shù)及其發(fā)展，對其互連特性進行總結(jié)和歸納分類，在此基礎(chǔ)上全面總結(jié)給出并行信號處理系統(tǒng)中多DSP互連設(shè)計的總體設(shè)計考慮和實際經(jīng)驗。

高性能DSP互連接口技術(shù)及其發(fā)展

多DSP系統(tǒng)的互連以DSP自身接口為基礎(chǔ)，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(shù)的基礎(chǔ)，表2是對表1中所有的DSP互連接口的互連特性的總結(jié)。

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(shù)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(dāng)DSP數(shù)量較少時，可以采用DSP間兩兩的直接互連；當(dāng)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(shù)的發(fā)展推動著高性能DSP的主要互連技術(shù)從多點并行總線轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)分組交換網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(guān)。各種互連技術(shù)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(shù)。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(shù)的分類。圖1～圖4是對典型互連技術(shù)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(zhuǎn)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(luò)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(zhuǎn)換橋方式連接標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)之前，還沒有規(guī)范的多DSP互連網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，各廠商推出了多種非標(biāo)準(zhǔn)DSP互連網(wǎng)絡(luò)、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(shù)的基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)互連技術(shù)。

總結(jié)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(luò)的間接傳輸；源DSP和目的DSP的關(guān)系從主從關(guān)系→對等關(guān)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(shù)→標(biāo)準(zhǔn)互連傳輸技術(shù)。

系統(tǒng)級設(shè)計考慮

構(gòu)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(shù)與整體拓撲?統(tǒng)一互連還是混合互連技術(shù)?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(luò)?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(yīng)采用何種互連技術(shù)與互連拓撲?

如何選擇合適的互連技術(shù)，設(shè)計合理的互連體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)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(jié)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(fù)雜度、調(diào)試測試方便性、構(gòu)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(shè)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(shù)與互連拓撲架構(gòu)。

經(jīng)驗總結(jié)

在信號處理平面：當(dāng)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(dāng)處理過程需要主處理器參與轉(zhuǎn)移、分配、匯聚或控制時，可以選用主從并行總線；當(dāng)多DSP異構(gòu)、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(dāng)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(dāng)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(luò)互連；如果DSP不具有網(wǎng)絡(luò)接口或網(wǎng)絡(luò)為非標(biāo)準(zhǔn)，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(luò)數(shù)據(jù)可以采用FE、GE的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。

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(luò)互連技術(shù)；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(luò)技術(shù)。

對于系統(tǒng)的整體互連拓撲，當(dāng)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(jié)構(gòu)；當(dāng)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(luò)拓撲；當(dāng)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(luò)形成的星型拓撲。

結(jié)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(shù)。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(dāng)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(dāng)DSP數(shù)量較多時將以交換機及交換網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)的間接傳輸；從非標(biāo)準(zhǔn)互連→標(biāo)準(zhǔn)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(luò)sRIO。