基于多核處理器的彈載嵌入式系統設計研究

齊恩勇

（中國空空導彈研究院 河南 洛陽 471009）

彈載信息處理系統是一種實時嵌入式數字處理系統，用于對彈載導引系統接收信號進行分析處理，實現對目標信號的檢測、截獲和跟蹤以及目標信息的提取，是彈載雷達導引系統的關鍵組成部分。隨著軍事技術的發展，未來空戰面臨著越來越嚴酷的戰場環境，對于彈載雷達導引系統的探測能力以及反隱身、抗干擾等性能提出了更高的要求。為此需要采用復雜處理算法，如數字波束形成、空時自適應處理技術、雜波抑制、低信噪比信號檢測和識別、超分辨等，提高系統目標探測和抗干擾能力。數據處理復雜度越來越大、實時性要求越來越高，同時彈載應用環境對系統功耗、尺寸又有著嚴格的限制，因此需要運算速度更快、容量更大、功耗更低的數字處理平臺來實現這些功能需求。基于單核DSP的信號處理實現方式難以適應大運算量實時處理的新需求，傳統的DSP互聯技術是將多個單核DSP用高速接口連接在一起[1]，但是這樣的系統架構會帶來功耗和尺寸方面的問題。采用基于單片異構多核處理器的信號處理平臺成為發展趨勢，以實現高速實時并行處理平臺的小型化、低功耗設計[2-3]，顯著提高彈載信息處理系統的信號與信息處理能力。

1 多核處理器TMS320C6678性能

單核DSP其性能通常由時鐘頻率來評價，然而DSP的時鐘頻率并不能做到直線上升，單片單核結構受限于速度極限，很難再有更大發展空間[2]；隨著應用系統復雜性持續增加，只通過提高時鐘頻率來增強處理性能達到了極限。單片多核的結構將成為DSP發展的主流，應用單片多核處理器，將顯著提升彈載雷達信息處理系統性能，并能實現彈載雷達信息處理平臺更進一步的小型化。

多核DSP是近年來針對高性能嵌入式應用而出現的一類多核微處理器（MultiCore MicroProcessor）。相比傳統的單核處理器，多核處理器在提高并行處理能力的同時配置了更高的存儲帶寬和更靈活的存儲結構。TMS320C6678是TI公司的最新型的KeyStone架構多核DSP[3-4]，該DSP集成了8個DSP內核，每個內核頻率可達1.25 GHz；定點運算能力為320 GMAC，浮點運算能力可達160 GFLOPS，運算能力比現在主流的DSP（如TS101）有大幅提高（TS101的內核時鐘是300 MHz，浮點運算能力為1 800 MFLOPS），充分體現并行處理的理念。每個DSP內核配置32 kb的一級局部程序緩存器、32 kb的一級局部數據緩存器和512 kb的二級局部緩存器。TMS320C6678的功能原理圖如圖1所示。

圖1 TMS320C6678功能原理圖Fig.1 Functional block diagram of TMS320C6678 DSP

基于KeyStone體系架構，能夠確保多核DSP的每一個內核發揮全面的處理功能，TMS320C6678除了具有多DSP內核導致的運算處理能力提高，還提供了豐富的對外通信接口以及存儲單元的支持，增強了處理器對外高速數據交換的吞吐能力。Keystone多核架構為RISC和DSP內核以及專用協處理器和I/O的集成提供了一種高性能的系統結構，Keystone架構能夠在處理器內核、外部設備、協處理器和I/O之間建立無阻塞數據傳輸，這主要基于多核導航器（Multicore Navigator）、TeraNet、 多核共 享存儲區 控制器 （Multicore Shared Memory Controller，）和超鏈接總線（HyperLink）。 超鏈接總線和高速輸入輸出接口實現DSP與外界信息傳輸，TeraNet總線結構（速度為2Tbps）把所有組成部分有機聯系在一起，包括作為主要處理單元的多個內核以及通信協議處理器和數據信息包傳輸協處理器，能實現快速無沖突的內部數據傳送。

多核共享存儲控制器（MSMC）配有DSP內核共享的4 MB SRAM存儲器，對共享存儲器存取和信息包傳輸能夠并發進行；為了實現對外部存儲器快速存取，提供了速度為1 600 MHz的64位DDR3接口，尋址存儲空間可達到8 GB。多核導航器配置控制8192個多用途硬件隊列的隊列管理器，建立基于DMA的零開銷信息包傳送通道，當需要并行處理的多任務被分配到隊列中，多核導航器通過將任務引導到適當的可用硬件來實現任務的加速派遣。網絡協處理器支持信息包傳送加速和安全加速引擎，增強了與上位機的通信功能。TMS320C6678提供豐富的高速外設接口：四路串行高速IO（SRIO），每路傳輸速度最高可達到5 GBaud；兩通道PCIe-II傳輸，每通道速度最高可達5 GBaud；超鏈接總線（HyperLink）支持與其他具有KeyStone架構的器件互連，傳輸速度可達到50 GBaud；16位擴展存儲器接口，支持256 MB NAND Flash和16 MB NOR Flash，支持異步SRAM容量可達到1 MB；以及16個GBIO接口等，諸多高速的外部接口可以保證多通道高采樣率的大量數據實時進入DSP內核進行處理。另外，TMS320C6678具備動態電源監測和SmartReflex電源管理技術，能夠在低功耗和強大運算處理能力之間達到性能平衡。

綜上所述，TMS320C6678處理器為彈載高速實時大容量數據處理、數據傳輸和復雜算法實現提供了強大的硬件平臺基礎。其中的Keystone架構提供了一種集成了片內各種子系統的可編程平臺，該架構使用多種開創性的技術和硬件組成使得芯片內部和芯片之間的數據信息傳輸達到最佳化，從而保障各種DSP資源能夠高效無縫發揮作用。這種體系架構的中樞是稱為多核導航器的關鍵組成單元，它能夠實現各種芯片組成之間高效的數據管理，對各內核進行管理和協調，使得DSP內核高效互聯，保證多核處理器的效能得到發揮。Teranet交換網絡能實現2Tbps的無阻塞信息交換，能進行快速無沖突的內部數據傳送，多核共享存儲控制器確保處理器內核無需通過數據傳輸網絡就能夠直接存取共享存儲器和外部存儲器。

2 基于多核DSP的軟件設計

為了有效發揮多核DSP系統的運算處理和數據傳輸能力，獲得多核DSP實際應用系統的最佳性能，需要進行相應的基于多核DSP的系統軟件設計，軟硬件的有機配合，確保多核DSP的功能和性能真正發揮作用[5-6]。對于基于多核DSP的信息處理系統，盡管多核DSP提供了高性能硬件基礎，在系統設計過程中，需要考慮每個內核之間的任務分配和信息傳輸，因此，為充分利用多核DSP的硬件優勢，多核DSP系統并行軟件設計是關鍵，多核DSP對軟件設計提出新的挑戰，同時也導致軟件設計理念和設計方法的改變。

TMS320C6678集成了8個DSP內核，多內核之間的任務分配和系統處理算法直接影響多核系統的性能和效率。任務分配的目的就是合理配置系統資源，設法減少DSP內核間的通訊開銷。均衡負載[5]是將系統承擔的任務合理地分配給各DSP內核，以提高系統吞吐量。顯然，減少通訊量和均衡負載是相互矛盾的，因此，系統任務分配策略也就是最大限度地減少各子系統間的通訊量，同時均衡各子系統間的負載，以提高整個系統的性能。

為了全面挖掘多核處理器的潛力、充分利用多核處理器的優勢，軟件設計人員必須掌握相應的并行軟件設計技術，將彈載信息處理系統任務映射到各DSP內核。任務并行是指軟件中的獨立任務同時執行。對于一個單核處理器，各單獨任務必須共享同一個處理器；而在一個多核處理器上，各任務實質上是相互獨立運行，從而導致更高效的任務執行。

為了將彈載信息處理系統映射到多核處理器，需要識別任務的并行度并相應選擇最適宜的處理模式[5-6]。彈載多核DSP系統的并行處理模式可采用數據流模式。數據流模式表現為分布式控制和執行，處理任務依次通過如同流水線一樣的各處理階段。每個內核使用各種算法處理一組數據，然后這些數據被傳送到另一個內核做進一步處理。初始內核通常與一個輸入接口相連接，通過該接口可接收來自A/D轉換器或FPGA的待處理的初始數據。調度的觸發依賴于數據的可用性。由于彈載信息處理系統包含大量復雜的運算成分和信號與信息處理算法，它們互相關聯且不可能在一個內核上處理完成。采用該模型需要將復雜的處理任務劃分到各內核并確保系統具有高數據流動速率。系統的組成通常需要被拆分并映射到多個內核中，并確保處理數據有規則地流水傳送。高速數據傳輸速率要求各內核之間具備適宜的存儲帶寬，各內核之間數據流動是規則的，并確保數據傳送開銷低。數據流處理模型[6-7]如圖2所示。該處理模型要求每個處理器內核映射一個或多個任務，而各內核之間通過消息傳遞實現運行同步；各內核之間的數據傳送通過共享存儲器或DMA方式進行。

圖2 數據流處理模型示意圖Fig.2 Schematic illustration of data flow processing model

對于多核信息處理系統，完成并行任務的辯識后，任務的映射和調度也需要精心策劃。多核并行處理系統軟件設計可以遵循四步處理法原則，即發現并行執行的機會，其核心是定義大量的小型任務，以便得到待解決問題的高效分解；定義任務之間的信息流動和數據傳輸；確定在多核架構上高效運行的任務組；以及將各任務映射分配到各內核中，確定每個任務將由哪個內核執行。為了提高多核系統軟件開發效能，開展基于嵌入式實時操作系統的軟件開發，在操作系統和多核軟件開發工具支持下，自動識別任務的并行性并將各處理任務映射到單個內核，為多個實時任務合理分配資源[8]，有效實現系統進程管理，方便多任務程序實時調度，確保多核DSP能夠發揮最佳系統性能。

3 結束語

隨著DSP技術的不斷發展和應用需求的不斷提高，單片多核處理器結構逐漸成為DSP發展的主流，單片多核處理器具有強大的多任務實時運算處理能力，同時具備數據搬移、通訊、資源共享和存儲器管理等有利于并行任務執行的豐富硬件配置，能很好地支持多任務實時并行處理。對于小尺寸、低功耗且運算處理性能要求極高的彈載信息處理系統，多核DSP使得彈載雷達信息處理能夠實時實現目標探測識別以及目標信息高分辨測量等復雜系統算法，能夠帶來性能/功耗比的大幅提升。采用多核DSP也成為彈載雷達信息處理系統的發展趨勢。對于多核DSP應用系統，軟件設計是多核DSP性能能否充分發揮的系統設計關鍵。對于基于多核DSP的彈載信息處理系統，運用數據流處理模式將系統處理任務劃分映射到各處理器內核以實現高效實時并行處理。在嵌入式實時操作系統和多核軟件開發工具支持下，開展基于多核DSP并行軟件開發將成為彈載信息處理系統軟件設計的新課題。

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