隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大以及終端產(chǎn)品性能的日益豐富，人們對(duì)DSP系統(tǒng)的性能、功耗和成本提出了越來越高的要求，迫使DSP廠商開始在單一矽片上集成更多的處理器內(nèi)核，於是多核DSP應(yīng)運(yùn)而生。

1、多核DSP關(guān)鍵技術(shù)

晶片制造工藝技術(shù)的進(jìn)步和SoC設(shè)計(jì)與驗(yàn)證水準(zhǔn)的提升分別是多核DSP誕生的硬體基礎(chǔ)和軟件基礎(chǔ)。

目前，DSP巨頭德州儀器公司（TI）的DSP晶片生產(chǎn)工藝已經(jīng)達(dá)到75nm水準(zhǔn)，能夠在一塊僅有拇指大小的單晶片上集成8個(gè)TMS320DSP內(nèi)核。同時(shí)，多核DSP也離不開SoC設(shè)計(jì)水準(zhǔn)的進(jìn)步。SoC設(shè)計(jì)可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的模型演算法、軟硬體功能、晶片結(jié)構(gòu)、各電路模塊直至器件的設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合考慮，可以在同樣的工藝條件下，實(shí)現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標(biāo)。

以下介紹多核DSP必須面對(duì)的一些關(guān)鍵技術(shù)∶軟硬體協(xié)同設(shè)計(jì)、軟硬體協(xié)同驗(yàn)證、IP核生成與復(fù)用、高速互連總線、低功耗設(shè)計(jì)等。

低功耗

多核DSP帶來了更高的性能，但它相比傳統(tǒng)的單核DSP也帶來了更大的功耗。嵌入式應(yīng)用，例如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等對(duì)功耗非常敏感。在以前的2G通信時(shí)代，人們習(xí)慣了200小時(shí)待機(jī)時(shí)間的手機(jī)，當(dāng)然很難接受待機(jī)時(shí)間僅僅為一天的3G手機(jī)。因此多核DSP必須解決的第一大技術(shù)難題就是如何有效的降低平均功耗。

從硬體技術(shù)上來看，可以采用動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)，設(shè)置全速、半速、休眠等工作模式，根據(jù)當(dāng)前的任務(wù)強(qiáng)度和功耗監(jiān)測信息，及時(shí)調(diào)整電壓和頻率，關(guān)閉暫時(shí)不使用的模塊，以降低功耗。另外，根據(jù)特定的應(yīng)用需求，設(shè)置專門的協(xié)處理器，同樣可以減少DSP內(nèi)核的運(yùn)算強(qiáng)度。

從軟件技術(shù)上來看，在編譯指導(dǎo)下的多核DSP低功耗優(yōu)化技術(shù)非常具有潛力。低功耗編譯技術(shù)主要包括編譯指導(dǎo)的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)、多線程功耗模型下的低功耗編譯調(diào)度等。在操作系統(tǒng)的支持下，通過合理的調(diào)度，使處理器資源與演算法需求相適應(yīng)，例如在DSP核+MCU的模式下，MCU就不應(yīng)該處理DSP的有關(guān)程式。

（2）互連與存儲(chǔ)系統(tǒng)

隨著晶片面積的增大，長線互連延遲和信號(hào)完整性已經(jīng)成為制約晶片主頻的關(guān)鍵因素。當(dāng)片上DSP核較少時(shí)，可用簡單的總線結(jié)構(gòu)或者Crossbar互連；當(dāng)DSP核較多時(shí)可用二維mesh網(wǎng)絡(luò)、3D Torus等進(jìn)行互連，設(shè)計(jì)者必須在網(wǎng)絡(luò)開銷以及多核之間耦合的程度之間進(jìn)行權(quán)衡，同時(shí)還要注意互連拓?fù)涞目蓴U(kuò)展性。為提高互連性能，應(yīng)該采用高頻、高帶寬的超深亞微米片上互連結(jié)構(gòu)，以便高效地實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間通信。

針對(duì)數(shù)據(jù)密集型的應(yīng)用，多核DSP必須解決存儲(chǔ)系統(tǒng)的效率問題。為此，必須要解決一系列關(guān)鍵技術(shù)，例如應(yīng)該設(shè)計(jì)多大的片內(nèi)存儲(chǔ)器？數(shù)據(jù)的共用和通信在存儲(chǔ)層次的哪一級(jí)來完成？Cache一致性在哪一級(jí)實(shí)現(xiàn)更合理？是通過片內(nèi)共用存儲(chǔ)器還是高速總線進(jìn)行多核之間的通信？存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如何支持多線程的應(yīng)用？

（3）編譯技術(shù)與操作系統(tǒng)

多核DSP能否發(fā)揮最高的性能，在很大程度上取決於編譯優(yōu)化和嵌入式操作系統(tǒng)的有力支持。例如，多核DSP對(duì)多線程程式能夠提供較高的性能，但是對(duì)于單線程應(yīng)用的性能反而不高，甚至比單核DSP的性能還要低。

采用硬體動(dòng)態(tài)提取線程是一種方法，但編譯器更要擔(dān)負(fù)起自動(dòng)并行化的工作，即將串列程式自動(dòng)地轉(zhuǎn)換為等價(jià)的多線程并行代碼，使用戶不關(guān)心疊代空間劃分、數(shù)據(jù)共用、線程調(diào)度和同步等細(xì)節(jié)，減輕用戶負(fù)擔(dān)。 更重要的是多線程優(yōu)化編譯技術(shù)，包括線程并發(fā)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)、線程調(diào)度、線程級(jí)
前瞻執(zhí)行等技術(shù)。

多核

之間的任務(wù)調(diào)度是充分利用多處理器性能的關(guān)鍵。為滿足實(shí)時(shí)處理的要求，均衡各處理器負(fù)載，需要研究的任務(wù)調(diào)度機(jī)制有分散式實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度演算法、動(dòng)態(tài)任務(wù)遷移技術(shù)等。已有的幾種嵌入式操作系統(tǒng)，例如μcLinux、PalmOS、WinCE等，都還無法有效地支持多核處理器。嵌入式多核操作系統(tǒng)的研究任重而道遠(yuǎn)。

（4）應(yīng)用開發(fā)環(huán)境

嵌入式應(yīng)用的特點(diǎn)決定了開發(fā)人員必須能夠在很短的時(shí)間內(nèi)推出能夠?yàn)槭袌鏊邮艿膽?yīng)用系統(tǒng)。為此，多核DSP供應(yīng)商必須為用戶提供簡便易用的開發(fā)、調(diào)試環(huán)境。但是面向多核處理器的編程環(huán)境始終是不成熟的，并行程式開發(fā)技術(shù)一直難以普及。

為此，我們可以借鑒多核通用微處理器的編程模式，即消息傳遞程式設(shè)計(jì)模式MPI和基於編譯指導(dǎo)命令的程式設(shè)計(jì)模式OpenMP。但是，最終的發(fā)展趨勢(shì)還將是集成化的VSP（Virtual Single Processor，虛擬單處理器模型）開發(fā)環(huán)境，在這一環(huán)境下用戶能夠像開發(fā)單處理器程式一樣去開發(fā)多核應(yīng)用系統(tǒng)，在同一平臺(tái)上完成編程、調(diào)試、編譯優(yōu)化和連機(jī)測試的過程。

例如，Cradle公司在推出CT3600系列多核DSP的同時(shí)，還推出了相應(yīng)的多核開發(fā)工具，包括ANSI C編譯器、針對(duì)DSP進(jìn)行了時(shí)序優(yōu)化的Cradle C語言、eCOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、INSPECTORTM代碼開發(fā)與調(diào)試器和RDS3600硬體開發(fā)平臺(tái)等，從而為用戶提供了一攬子的解決方案。

2、多核DSP的應(yīng)用

（1）3G移動(dòng)通信

多核DSP最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一就是3G數(shù)字移動(dòng)通信。其中包括基站和移動(dòng)終端兩方面的應(yīng)用?；舅褂玫腄SP更注重高性能，對(duì)成本和功耗不是非常敏感。而移動(dòng)終端要面向具體的用戶，設(shè)計(jì)時(shí)必須在功能、功耗、體積、價(jià)格等方面進(jìn)行綜合考慮，因此移動(dòng)終端對(duì)DSP處理器的要求更加苛刻。

2G數(shù)字蜂窩電話的核心處理器都是基於雙處理器結(jié)構(gòu)的，即包含1個(gè)DSP和1個(gè)RISC微控制器（MCU）。DSP用來實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議棧中物理層協(xié)議的功能；而MCU則用來支援用戶操作介面，并實(shí)現(xiàn)上層通信協(xié)議的各項(xiàng)功能。

3G數(shù)字移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)增加了通信帶寬，并更加強(qiáng)調(diào)高級(jí)數(shù)據(jù)應(yīng)用，例如可視電話、GPS定位、MPEG4播放等。這就對(duì)核心處理器的性能提出了更高的要求，即能夠同時(shí)支持3G移動(dòng)通信和數(shù)據(jù)應(yīng)用。在現(xiàn)代化的3G系統(tǒng)中，對(duì)處理速度的要求大概要超過60-130億次每秒運(yùn)算。如果用現(xiàn)有的DSP，需要20-80片低功耗DSP晶片才能滿足要求。因此，承擔(dān)這一重任的多核DSP處理器晶片必須在功耗增長不大的前提下大幅度提高性能，并且要具備強(qiáng)大的多任務(wù)實(shí)時(shí)處理能力。多核DSP在嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度下，能夠?qū)⒍鄠€(gè)任務(wù)劃分到各個(gè)內(nèi)核，大大提高了運(yùn)算速度和實(shí)時(shí)處理性能。這些特點(diǎn)將使3G手機(jī)能夠同時(shí)支援實(shí)時(shí)通信和用戶互動(dòng)式多媒體應(yīng)用，支援用戶下載各種應(yīng)用程式。圖2給出了一種3G通信多核DSP處理器的架構(gòu)。


（2）數(shù)字消費(fèi)類電子

DSP是數(shù)字消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的關(guān)鍵器件，這類產(chǎn)品的更新?lián)Q代非?？?，對(duì)核心DSP的性能追求也無越來越苛刻。

由於DSP的廣泛應(yīng)用，數(shù)字音響設(shè)備得以飛速發(fā)展，帶數(shù)碼控制功能的多通道、高保真音響逐漸進(jìn)入人們的生活。此外，DSP在音效處理領(lǐng)域也得到廣泛采用，例如多媒體音效卡。在語音識(shí)別領(lǐng)域，DSP也大有用武之地。Motorola公司等廠商正在開發(fā)基於DS
P的語音識(shí)別系統(tǒng)。

數(shù)字視頻產(chǎn)品也大量采用高性能DSP。例如數(shù)碼攝像機(jī)，已經(jīng)能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)圖像進(jìn)行MPEG4壓縮并存儲(chǔ)到隨機(jī)的微型硬盤甚至DVD光碟上。此外，多核DSP還應(yīng)用在視頻監(jiān)控領(lǐng)域。這類應(yīng)用往往要求具有將高速、實(shí)時(shí)產(chǎn)生的多路視頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行壓縮、傳輸、存儲(chǔ)、重播和分析的功能，其核心的工作就是完成大數(shù)據(jù)量、大計(jì)算量的數(shù)字視頻/音頻的壓縮編碼處理。

（3）智慧控制設(shè)備

汽車電子設(shè)備是這一領(lǐng)域的重要市場之一?，F(xiàn)代駕乘人員對(duì)汽車的安全性、舒適性和娛樂性等要求越來越高。多核的DSP也將逐漸進(jìn)軍這一領(lǐng)域。例如在主動(dòng)防御式安全系統(tǒng)中，ACC（自動(dòng)定速巡航）、LDP（車線偏離防止）、智慧氣囊、故障檢測、免提語音識(shí)別、車輛資訊記錄等都需要多個(gè)DSP各司其職，對(duì)來自各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，及時(shí)糾正車輛行駛狀態(tài)，記錄行駛信息。

審核編輯 黃宇