高性能實(shí)時(shí)應用：DSP內核+ARM核成首選

高速、高密集的數據處理需求不斷挑戰著(zhù)DSP的性能極限，順應這些需求，DSP未來(lái)將如何發(fā)展?日前，在與ADI工業(yè)部門(mén)市場(chǎng)經(jīng)理陸磊的交流中，筆者找到了些許答案。

DSP 呈現五大發(fā)展趨勢

陸磊認為，DSP的發(fā)展對于推動(dòng)下一代產(chǎn)品創(chuàng )新有重要作用。未來(lái)，DSP將呈現出五大發(fā)展趨勢。

首先是DSP的集成，越來(lái)越多的器件需要內嵌DSP功能，實(shí)現形態(tài)包括采用DSP核或是硬件加速單元。而對DSP的需求則主要來(lái)自于實(shí)時(shí)算法的復雜程度在不斷增加，以及定點(diǎn)算法轉為浮點(diǎn)算法的趨勢。至于為什么要轉向浮點(diǎn)算法?陸磊表示主要有三方面原因：第一，許多算法需要更多的字長(cháng)和更大的動(dòng)態(tài)范圍，這時(shí)候浮點(diǎn)比定點(diǎn)有天生的優(yōu)勢。第二，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和上市時(shí)間在不斷縮短，客戶(hù)不希望花太多的時(shí)間做定點(diǎn)到浮點(diǎn)的轉化工作，直接用浮點(diǎn)算法實(shí)現的話(huà)，可以加快產(chǎn)品上市。第三個(gè)原因是浮點(diǎn)處理器或者浮點(diǎn)算法的成本在不斷下降，且和定點(diǎn)越來(lái)越接近。

此外，越來(lái)越多的DSP都集成了ARM處理器，雖然目前看來(lái)，多數的ARM核在實(shí)現DSP的信號處理任務(wù)時(shí)，實(shí)時(shí)性能還比較有限，但集成ARM核卻是未來(lái)的必然趨勢。

同時(shí)，DSP也需要越來(lái)越多的接口，例如PCIe、以太網(wǎng)等等，這些接口在A(yíng)RM處理器平臺比較完善，但是DSP傳統上由于更注重算法性能，在接口方面不夠豐富，未來(lái)會(huì )致力于滿(mǎn)足各種連接的要求。

第二個(gè)趨勢就是低功耗。DSP并非運算性能越高越好，而是需要追求性能和功耗的平衡。例如很多應用場(chǎng)景中，系統的散熱很重要，因此并不能一味追求主頻高或多核，更多需要權衡功耗的需求。

第三個(gè)趨勢是DSP對于軟件IP保護和安全網(wǎng)絡(luò )連接的需求在不斷增長(cháng)。特別是在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，DSP需更加重視安全特性。

第四和第五個(gè)大的趨勢更多是來(lái)自于客戶(hù)方面的需求，一方面客戶(hù)要求產(chǎn)品盡快上市，另一方面則要求更高的可靠性和長(cháng)期供貨能力。由于產(chǎn)品迭代越來(lái)越快，客戶(hù)需要管理的代碼越來(lái)越多，與此同時(shí)，客戶(hù)在系統集成、測試、調試方面也在面臨較多的挑戰，這都是DSP在未來(lái)的發(fā)展中需著(zhù)重考慮的問(wèn)題。

雙SHARC+內核加Cortex-A5，提升工業(yè)和實(shí)時(shí)音頻處理性能

基于上述趨勢，ADI推出了新一代的SHARC處理器，主要面向工業(yè)和實(shí)時(shí)音頻處理(包括工業(yè)音頻和汽車(chē)、消費類(lèi)音頻)兩大應用。相較于上一代產(chǎn)品，一個(gè)最顯著(zhù)的特點(diǎn)是它基于SHARC+的內核，性能比上一代SHARC核進(jìn)一步提升了許多。該系列處理器共包括8款產(chǎn)品，ADSP-SC58x有5款，是基于雙SHARC+內核和ARM Cortex-A5處理器的產(chǎn)品;ADSP-2158x有3款，不包括Cortex-A5，僅基于雙SHARC+內核。

ADSP-SC58x和ADSP-2158x系列在高溫下的功耗不到2W，使新型處理器系列在能效上達到上一代產(chǎn)品的5倍以上，超過(guò)最強勁競爭處理器 2倍以上。在散熱管理對功耗形成限制，或者無(wú)法容忍成本高、可靠性低的風(fēng)扇的應用中，這一優(yōu)勢可以帶來(lái)行業(yè)領(lǐng)先的數字信號處理性能，具體應用包括汽車(chē)、消費級和專(zhuān)業(yè)級音響、多軸電機控制、能源分布系統等。

ADSP-SC58x產(chǎn)品的FPU和Neon DSP擴展指令集可以應付額外的實(shí)時(shí)處理任務(wù)與管理外設，以便連接音頻、工業(yè)閉環(huán)控制和工業(yè)檢測應用中的時(shí)間關(guān)鍵型數據。這些接口包括千兆以太網(wǎng)接口(支持AVB和IEEE-1588)、高速USB接口、移動(dòng)存儲(包括SD/SDIO)、PCI Express和多種其他連接選項，可以打造出靈活而精簡(jiǎn)的系統設計。

ADSP-SC589處理器框圖

ADSP-2158x系列主要面向一般需要DSP協(xié)處理器的應用，包括兩個(gè)SHARC+內核和DSP加速器，同時(shí)還帶有與內核相匹配的一組外設。

在軟件知識產(chǎn)權保護日益成為業(yè)界一大安全顧慮的背景下，新一代的SHARC處理器同時(shí)還推出了ARM TrustZone安全功能以及一個(gè)板載的加密硬件加速器。對于可靠性至關(guān)重要的應用，可通過(guò)存儲器奇偶校驗和糾錯硬件提高數據的完整性。

陸磊強調，之所以采用硬件加速單元，是因為需要支持FTI、iFFT、FIR、 IIR，電力應用時(shí)需要做諧波分析，電機控制的時(shí)候做SINC濾波，這些運算量非常大，通過(guò)硬件加速可增強整體芯片的處理能力，以FFT性能來(lái)看可以支持最高18GFLOPS的浮點(diǎn)運算能力，相比較5.4G SHARC+的運算能力而言，速度能效是其10倍，功耗更低。此外，在進(jìn)行加密運算的時(shí)候也會(huì )消耗很大的內存，如果也是采用SHARC+的處理器核心來(lái)做的話(huà)很不經(jīng)濟，用硬件加速的方式既能夠實(shí)現安全性，同時(shí)也保證了整體的性能沒(méi)有損失。

單片處理器可應對多種應用需求

據介紹，以往客戶(hù)采用SHARC搭建系統時(shí)往往需要多顆芯片，通過(guò)Linkport構建DSP陣列。但是隨著(zhù)半導體技術(shù)的發(fā)展，客戶(hù)對于系統的成本、體積、功耗等要求都在不斷提高，因此集成化成為一個(gè)顯著(zhù)的發(fā)展趨勢。如今通過(guò)雙SHARC+內核與Cortex-A5集成的單芯片，同時(shí)采用低功耗的 CMOS工藝，功耗可降低50%以上，BOM成本可降低33%以上，可節約60%的電路板面積。

在汽車(chē)音頻放大器中，單片ADSP-SC584處理器性能基本可滿(mǎn)足系統要求?，F在汽車(chē)中麥克風(fēng)的應用越來(lái)越多，類(lèi)似噪聲抵消，就需要麥克風(fēng)先采集噪聲的來(lái)源，然后再做相應的數字信號處理。這其中需要很多的音頻通道，包括喇叭和麥克風(fēng)，另一方面需要很強的數字信號處理的能力。

在專(zhuān)業(yè)音響數字混頻器方面，專(zhuān)業(yè)音響有低、中、高端的劃分，根據處理性能的不同，客戶(hù)選擇的處理器數量也不一樣。對于很高端的專(zhuān)業(yè)音響數字混頻器而言，需要MCU+DSP陣列來(lái)完成。因為運算量非常大，可以采用ADSP-SC589做處理器，如果需要進(jìn)一步的性能拓展，可以通過(guò)linkport無(wú)縫連接ADSP-2158X。

在工業(yè)電機控制方面，普通的電機控制可能需要一個(gè)比較小的ARM處理器就可以實(shí)現。但是對于比較高端的電機控制，比如磁阻的同步電機，不僅需要驅動(dòng)電機，還需要一些運動(dòng)控制的算法，這時(shí)候高性能的SHARC+就有用武之地了，如果還需要雙軸、三軸的位置控制的運算，這時(shí)候還需要FFT硬件加速單元。

由于工業(yè)以太網(wǎng)會(huì )是未來(lái)的一個(gè)趨勢，實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)會(huì )越來(lái)越多采用ADSP-SC58X系列處理器，由于有千兆以太網(wǎng)，而且支持1588同步的以太網(wǎng)，在進(jìn)行工業(yè)控制的后端數據傳輸的時(shí)候，具備了實(shí)時(shí)性、高速性。同樣，PCle和異步總線(xiàn)也可以擴展出更多的以太網(wǎng)，因為在某些應用環(huán)境下，客戶(hù)其實(shí)需要更多的以太網(wǎng)來(lái)進(jìn)行擴展系統，處理器具有很高的內部吞吐能力，所以在以太網(wǎng)擴展方面不會(huì )有瓶頸。