基于高性能多DSP互連技術(shù)

　由于現代數字信號處理器(dsp)設計、半導體工藝、并行處理和互連與傳輸技術(shù)的進(jìn)步，現代高性能dsp的處理能力得到極大發(fā)展。但在移動(dòng)通信、雷達信號處理和實(shí)時(shí)圖像處理等復雜電子系統中，單片dsp的性能仍可能無(wú)法滿(mǎn)足需求，通常需要使用多片dsp構成并行信號處理系統。

　　在多dsp系統中，互連技術(shù)連接dsp、接口及其他處理器，一起構成系統的靜態(tài)體系結構，是數據傳輸的中間介質(zhì)的總和?；ミB技術(shù)傳輸代表計算任務(wù)、中間數據、結果或狀態(tài)控制信息的數據流，使接口與dsp中的算法模塊通過(guò)數據流動(dòng)態(tài)地連接起來(lái)，整合成分工協(xié)作的有機整體。

　　已經(jīng)有一些對多dsp并行系統互連技術(shù)的綜述[1][2] [3][4][5][6]，但還不夠全面而且沒(méi)有反映高性能dsp互連技術(shù)的最新進(jìn)展。因此，本文以世界主流公司的典型高性能dsp產(chǎn)品為例，全面總結概括高性能dsp的互連接口技術(shù)及其發(fā)展，對其互連特性進(jìn)行總結和歸納分類(lèi)，在此基礎上全面總結給出并行信號處理系統中多dsp互連設計的總體設計考慮和實(shí)際經(jīng)驗。

　　高性能dsp互連接口技術(shù)及其發(fā)展

　　多dsp系統的互連以dsp自身接口為基礎，下面以TI、ADI和Freescale三家公司的高性能dsp為例系統概括現有的dsp互連接口，見(jiàn)表1。

　　現有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，表2是對表1中所有的dsp互連接口的互連特性的總結。

　　表1 主流dsp公司典型高性能dsp的互連接口

　　可以看出，在越來(lái)越高的傳輸速率需求的推動(dòng)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(xiàn)→串行信號線(xiàn);從收發(fā)異步→收發(fā)外同步→源同步→串行碼流中嵌入時(shí)鐘的串行器/解串行器(SerDes);從半雙工→全雙工;從多點(diǎn)分時(shí)共享總線(xiàn)→點(diǎn)-點(diǎn)的專(zhuān)用互連;最終使接口傳輸速率從幾十Mbps發(fā)展到目前的10Gbps。

　　數據的串行化意味著(zhù)數據必須以分組方式傳輸。而由于信號完整性問(wèn)題，高速串行差分線(xiàn)一般不允許多點(diǎn)負載，因此基于SerDes的互連一般是點(diǎn)到點(diǎn)的直接互連。當dsp數量較少時(shí)，可以采用dsp間兩兩的直接互連;當dsp數量較多時(shí)，須要采用中間dsp或用于數據傳輸的中間器件―交換機。

　　因此，物理層技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著(zhù)高性能dsp的主要互連技術(shù)從多點(diǎn)并行總線(xiàn)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dsp MSC8156，都已經(jīng)取消傳統意義上的數據、地址和控制三總線(xiàn)接口而代之以sRIO、GE之類(lèi)的標準分組交換網(wǎng)絡(luò )接口以及AIF這樣的高速直連接口。

　　根據傳輸特性對互連技術(shù)的分類(lèi)

　　互連的目的滿(mǎn)足接口及算法鏈路的數據傳輸需要，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，但可以根據互連與傳輸的共性進(jìn)行統一分類(lèi)，有助于理解并選擇合適的互連技術(shù)。表3是根據互連與傳輸的特性對現有主要dsp互連技術(shù)的分類(lèi)總結。圖1~圖4是對典型互連技術(shù)實(shí)例的圖示。

　　表3 互連與傳輸技術(shù)的分類(lèi)總結

　　對表3補充說(shuō)明如下：多點(diǎn)總線(xiàn)為多dsp共享并分時(shí)占用，不能多數據流并發(fā)傳輸。多點(diǎn)主從總線(xiàn)可能有主總線(xiàn)的橋接轉換，例如PCI-HPI的PCI2040(TI)、PCI-Local總線(xiàn)的PCI9054(PLX)。傳統互連中的數據傳輸過(guò)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(shí)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或交換機可以根據需要級聯(lián)。接口轉換橋方式連接標準網(wǎng)絡(luò )的實(shí)例有：專(zhuān)用于A(yíng)DI公司SHARC及TigerSHARC的SharcFin和FINe(Bittware)、通用的TSI620(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(huì )在多dsp的互連中發(fā)揮重要作用。

　　在2003年RapidIO成為ISO/IEC 18372標準之前，還沒(méi)有規范的多dsp互連網(wǎng)絡(luò )標準，各廠(chǎng)商推出了多種非標準dsp互連網(wǎng)絡(luò )、接口和交換芯片，例如：Solano(Spectrum Signal)、StarFabric(StarGen)、FPDP/sFPDP(ICS/VITA)、RaceWay(Mercury)、 SKYChannel(SKY Computer)。RapidIO是在這些技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的，特別針對高性能dsp或嵌入式系統互連優(yōu)化，其產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)基本成熟，并開(kāi)始逐步取代這些非標準互連技術(shù)。

　　圖1 典型直接互連：鏈式、星型、陣列

　　圖2 典型多點(diǎn)總線(xiàn)直接互連：對等總線(xiàn)、主從總線(xiàn)

　　圖3 典型非網(wǎng)絡(luò )間接互連：存儲器中介(雙口、FIFO、共享)、FPGA