为多处理器系统选择设计方案

　　过去开发一个多处理器应用，可能只需要写下那些要求，核对一下那些大型DSP供应商所供应的器件的规格，然后选择的芯片就可以了。但时代已经变了，今天的工程师们有了更多的选择。大型FPGA供应商改进了他们的信号处理产品，而选择方案则变得复杂。

　　在本文中，我们将探讨一下多处理器系统有什么可以利用的，以及如何在DSP、FPGA或者二者的混合方案之间作出的选择。我们将分别简单地讨论这两种芯片，但将主要内容更多地集中在系统级因素上。

　　对于高性能信号处理应用，当然还有除DSP和FPGA之外的其它选择。ASIC和ASSP都能很好地适用于某个特定的信号处理应用，但仅限于在大规模应用中，否则它们的高成本都会让它们无法成为优选。

　　已获认可的DSP方案

　　自从20世纪80年代被发明以来，DSP一直以合理的功耗和价格提供着优越的性能。对于很多基于不断快速改变的新兴标准的应用来说，DSP都很有吸引力。由于DSP算法可以很容易地以C语言等简单语言来执行，就能在标准发生变化时更容易地对代码进行更新来反映这种变化。

　　另外，很多用于无线标准等应用领域的信号处理算法的复杂本性，使之更适合利用DSP来执行：一个DSP设备可以通过呼叫一个不同的软件程序来更容易地改变处理算法。尽管现在的FPGA可以快速重配，但要在继续处理数据的情况下动态地实现这一点，则是非常复杂且很有挑战性的。

　　DSP在功耗方面也在不断改进。在手持设备市场的需求驱动下，一些下一代高性能DSP结合了功耗管理技术。这可以让整个系统的功耗在低数据量时得到降低，或者用来阻止过热。一个功耗和温度敏感型FPGA配置也能以相似的方式来管理其时钟域，但需要更多的开发工作。

　　但是，DSP并不特别适合并行处理：有些并行处理任务可能只需要一个FPGA，却会需要多个DSP。比如，在无线基带领域，对于WiMAX直角频分多路存取(OFDMA)通道的处理来说，一个纯DSP方案在所能处理的带宽和通道数量上无法匹敌一个FPGA方案。因此DSP方案就会产生过高的成本和功耗。

　　灵活的FPGA方案

　　FPGA相比于DSP有一个很大的优势：在并行应用中的效率－这是通过采用多个并行处理区块来实现的。FPGA拥有能让嵌入式系统设计者将设备和应用实现完美匹配的灵活性，并能以每通道较低的成本达到的数据吞吐量。

　　FPGA虽然具有很高灵活性，但相比于硬接线式架构，它的门极数量和非优化型方案的硅面积增加，因而在功耗上产生了额外的成本。但是，65纳米技术和性能相当的ASIC技术在量产中的应用，让FPGA不仅能在实验室环境中降低功耗，还能在量产中也将功耗进一步降低。

　　尽管芯片层的功耗更高，但FPGA的通道平均功耗可以比DSP的低很多。DSP一般功耗只有3～4W，而FPGA的功耗为7～10W，但FPGA能处理相当于DSP的十倍的通道密度。

　　近几年来，人们对DSP优势的推崇已经转变成为将FPGA和DSP技术结合起来，比如Xilnx Virtex-5 SXT系列产品。这让FPGA能够结合DSP算法处理，执行原本非并行的任务。这样的“基于DSP”的FPGA在某些信号处理应用中已经显示出了巨大的吞吐量优势，这一点通过其在高端处理市场的成功就得到了很好的反映。但是，FPGA一般不适合处理连续有条件型数据流。

　　编程FPGA仍然很难，一般需要一种偏向硬件的语言，例如Verilog或VHDL。FPGA方案的代码会比DSP方案长出数倍，这样会增加开发成本，并延长上市时间。

　　基于C语言的合成工具还没有实现C编码式处理器方案的易用性和高性能。合成工具例如Simulink区块图合成目前还没有得到广泛应用，而老的FPGA合成方法仍然延续着，尤其是当需要性能时。

　　混合多处理器系统

　　从一个设计工程师的角度来讲，FPGA和DSP的同步开发让他们能够找到用于信号处理应用的更新更好的方案。关于FPGA和DSP哪个更好的问题并没有一个简单的答案，而对于很多应用来说一个混合式系统才是的选择。这个系统结合了两种技术来提供一个方案，而这样的方案要比二者单纯相加要更好一些。

　　图1展示了一个标准的刀片子系统，其中包括了4颗TI公司的DSP和1颗Xilinx的FPGA。除了在DSP和FPGA之间采用EMIF连接来实现过空的协处理，这个子系统还带有一个全Serial RapidIO (SRIO)架构，使其能够用于无线电数据发送，并可用作卡上和卡外两个设备间的一个低延迟直接内存存取。

　　图1：DSP/FPGA模块(AMC-D4F1)架构图。

　　先进夹层卡（AMC）外形的可升级性贯穿了整个基架，尤其是当系统以SRIO作为主要数据传输接口而构建的时候。在先进电信运算架构 (ATCA) 或MicroTCA基架系统中，集成者都可以选择混合并匹配以DSP为中心的刀片和以FPGA为中心的刀片，来实现恰当的技术平衡。

　　为了开发高效的混合系统，SRIP等协议以及AMC等标准让设计者和集成者可以在刀片和系统两个层面上把握平衡。图2就展示了一个典型的混合系统。

　　图2：采用RapidFET系统管理和分析软件的SRIO系统软件解析图.

　　图中可以看到终点和转接点的结合。这个系统包含了CommAgility AMC-D4F1卡等各种卡。

　　在CommAgility，我们的目的是通过提供一套包含了多个FPGA或DSP的AdvancedMC来确保设计者能够开放选择。这包括AMC-D4F1 (带有4个TI的TMS320C6455 DSP和1个Xilinx的Virtex-4 FX系列FPGA)和AMC-D1F3（提供了1个DSP和3个FPGA）。这让开发人员可以根据其整体处理要求、应用开发和优化阶段以及有关DSP和FPGA的现有代码库的经验，来改变所用的技术。

　　将SRIO用到卡上和基架中让各种元器件可以放到一起；AMC-D4F1利用了两个4倍SRIO接口，提供了两个高速的10Gbps链路，在MicroTCA，即将批准的AMC.4规格将成为系统jigsaw中的一个部分，尽管它并没能阻止目前已经非常流行的SRIO AMC生态系统。目前已经有多家厂商在提供SRIO支持，既支持MicroTCA网络中心运供应商，还支持控制和信号处理AMC卡。

　　互连的重要性

　　让我们回到先前那个无线基带处理的例子。如今一个一般的WiMAX基带系统可以每个基站拥有24～48个天线数据流，数据速率可以达到每个数据流123 Mbps。这样天线数据的总速率就达到了3～6 Gbps。

　　在以通过CDMA等扩展频谱技术编码的通道来支持多输入多输出(MIMO)系统的同时，所有基带处理区块还要获得来自所有广播天线的数据。为了实现这样的良好性能，关键是要有一个高效的低延迟互连。

　　相比于以太网，Serial RapidIO (SRIO)的协议过空更低，而且它和PCI Express不一样，可以支持多个主站，所以SRIO在这种多天线系统中正日益流行。此外，SRIO的多点传送功能在面向这类应用的分布式系统中也是非常重要的。

　　SRIO还很适合于其它高性能信号处理应用，包括雷达、成像和信号智能等。在这里，多点传送可以成为一个非常有用的功能，比如在数据需要被发送到多个DSP的IPTV服务器等视频处理应用中。

　　在适应外部天线时，FPGA方案会有一些困难。如今，执行一个SRIO接口所需要的逻辑元件可以达到数千个门极，这个接口相比于DSP的硬连线接口来说是很珍贵的。FPGA厂商也实现了这一点，比如Xilinx的Virtex-5就推出了一个硬核PCI-Express接口。要避免这样产生的成本，有一个很好的办法就是利用一个FPGA来作为一个DSP的协处理器，其中FPGA和DSP通过DSP的外部存储器接口总线来连接，让数据能以较低的成本或者DSP处理器过空从逻辑元件的FPGA发送出来并发回到FPGA。

　　一个混合式DSP/FPGA系统中的无线基带处理

　　为了理解对于设计人员的含义，我们可以来看看上面所讨论的一个用于WiMax的特殊方案，以及该方案如何在一个DSP/FPGA多处理器板上应用。3～6 Gbps的天线数据对于C6455这样的一个DSP来说太大了，所以天线数据的处理就需要一个ASIC或FPGA来进行。

　　以CommAgility的AMC-D4F1 (包含了4个C4655 DSP和1 个FPGA)为例，其中天线数据的处理就是由Xilinx FPGA完成的。AMC-D4F1的卡上FPGA和AdvancedMC结构之间的SRIO连接适合用来将天线数据从MicroTCA基架的无线电卡上传输到作为基带处理卡的AMC-D4F1。

　　在另一方面，WiMAX用户数据每通道的速度大约为19Mbps，而C6455 DSP则可以轻松处理多个用户通道。AMC-D4F1上的三个DSP有一个连接到FPGA的32位125MHz的外部存储器接口，而每个DSP有一个64位接口。这样就构成了一个速度至少4 Gbps的接口，让每个DSP可以处理超过100个用户通道。

　　AMC-D4F1的背板SRIO连接性让系统集成者可以配置多张卡来扩大到所需的基站尺寸，并使得厂商能够采用一个随需付费方案来部署基站。这是将资本支出化并获得收入的一个重要因素。