為多處理器系統選擇最佳設計方案

過去開發一個多處理器應用，可能只需要寫下那些要求，核對一下那些大型DSP供應商所供應的器件的規格，然后選擇最好的芯片就可以了。但時代已經變了，今天的工程師們有了更多的選擇。大型FPGA供應商改進了他們的信號處理產品，而選擇最佳方案則變得復雜。

在本文中，我們將探討一下多處理器系統有什么可以利用的，以及如何在DSP、FPGA或者二者的混合方案之間作出最好的選擇。我們將分別簡單地討論這兩種芯片，但將主要內容更多地集中在系統級因素上。

對于高性能信號處理應用，當然還有除DSP和FPGA之外的其它選擇。ASIC和ASSP都能很好地適用于某個特定的信號處理應用，但僅限于在大規模應用中，否則它們的高成本都會讓它們無法成為優選。

已獲認可的DSP方案

自從20世紀80年代被發明以來，DSP一直以合理的功耗和價格提供著優越的性能。對于很多基于不斷快速改變的新興標準的應用來說，DSP都很有吸引力。由于DSP算法可以很容易地以C語言等簡單語言來執行，就能在標準發生變化時更容易地對代碼進行更新來反映這種變化。

另外，很多用于最新無線標準等應用領域的信號處理算法的復雜本性，使之更適合利用DSP來執行：一個DSP設備可以通過呼叫一個不同的軟件程序來更容易地改變處理算法。盡管現在的FPGA可以快速重配，但要在繼續處理數據的情況下動態地實現這一點，則是非常復雜且很有挑戰性的。

DSP在功耗方面也在不斷改進。在手持設備市場的需求驅動下，一些下一代高性能DSP結合了功耗管理技術。這可以讓整個系統的功耗在低數據量時得到降低，或者用來阻止過熱。一個功耗和溫度敏感型FPGA配置也能以相似的方式來管理其時鐘域，但需要更多的開發工作。

但是，DSP并不特別適合并行處理：有些并行處理任務可能只需要一個FPGA，卻會需要多個DSP。比如，在無線基帶領域，對于WiMAX直角頻分多路存取(OFDMA)通道的處理來說，一個純DSP方案在所能處理的帶寬和通道數量上無法匹敵一個FPGA方案。因此DSP方案就會產生過高的成本和功耗。

靈活的FPGA方案

FPGA相比于DSP有一個很大的優勢：在并行應用中的效率-這是通過采用多個并行處理區塊來實現的。FPGA擁有能讓嵌入式系統設計者將設備和應用實現最完美匹配的靈活性，并能以每通道較低的成本達到最高的數據吞吐量。

FPGA雖然具有很高靈活性，但相比于硬接線式架構，它的門極數量和非優化型方案的硅面積增加，因而在功耗上產生了額外的成本。但是，65納米技術和性能相當的ASIC技術在量產中的應用，讓FPGA不僅能在實驗室環境中降低功耗，還能在量產中也將功耗進一步降低。

盡管芯片層的功耗更高，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的功耗為7～10W，但FPGA能處理相當于DSP的十倍的通道密度。

近幾年來，人們對DSP優勢的推崇已經轉變成為將FPGA和DSP技術結合起來，比如Xilnx Virtex-5 SXT系列產品。這讓FPGA能夠結合DSP算法處理，執行原本非并行的任務。這樣的“基于DSP”的FPGA在某些信號處理應用中已經顯示出了巨大的吞吐量優勢，這一點通過其在高端處理市場的成功就得到了很好的反映。但是，FPGA一般不適合處理連續有條件型數據流。

編程FPGA仍然很難，一般需要一種偏向硬件的語言，例如Verilog或VHDL。FPGA方案的代碼會比DSP方案長出數倍，這樣會增加開發成本，并延長上市時間。

基于C語言的合成工具還沒有實現C編碼式處理器方案的易用性和高性能。高級合成工具例如Simulink區塊圖合成目前還沒有得到廣泛應用，而老的FPGA合成方法仍然延續著，尤其是當需要最大性能時。

混合多處理器系統

從一個設計工程師的角度來講，FPGA和DSP的同步開發讓他們能夠找到用于信號處理應用的更新更好的方案。關于FPGA和DSP哪個更好的問題并沒有一個簡單的答案，而對于很多應用來說一個混合式系統才是最好的選擇。這個系統結合了兩種技術來提供一個方案，而這樣的方案要比二者單純相加要更好一些。

圖1展示了一個標準的刀片子系統，其中包括了4顆TI公司的DSP和1顆Xilinx的FPGA。除了在DSP和FPGA之間采用EMIF連接來實現最小過空的協處理，這個子系統還帶有一個全Serial RapidIO (SRIO)架構，使其能夠用于無線電數據發送，并可用作卡上和卡外兩個設備間的一個低延遲直接內存存取。

圖1：DSP/FPGA模塊(AMC-D4F1)架構圖

先進夾層卡(AMC)外形的可升級性貫穿了整個基架，尤其是當系統以SRIO作為主要數據傳輸接口而構建的時候。在先進電信運算架構 (ATCA) 或MicroTCA基架系統中，集成者都可以選擇混合并匹配以DSP為中心的刀片和以FPGA為中心的刀片，來實現恰當的技術平衡。

為了開發高效的混合系統，SRIP等協議以及AMC等標準讓設計者和集成者可以在刀片和系統兩個層面上把握平衡。圖2就展示了一個典型的混合系統。

圖2：采用RapidFET系統管理和分析軟件的SRIO系統軟件解析圖.

圖中可以看到終點和轉接點的結合。這個系統包含了CommAgility AMC-D4F1卡等各種卡。

在CommAgility，我們的目的是通過提供一套包含了多個FPGA或DSP的AdvancedMC來確保設計者能夠開放選擇。這包括AMC-D4F1 (帶有4個TI的TMS320C6455 DSP和1個Xilinx的Virtex-4 FX系列FPGA)和AMC-D1F3(提供了1個DSP和3個FPGA)。這讓開發人員可以根據其整體處理要求、應用開發和優化階段以及有關DSP和FPGA的現有代碼庫的經驗，來改變所用的技術。

將SRIO用到卡上和基架中讓各種元器件可以放到一起;AMC-D4F1利用了兩個4倍SRIO接口，提供了兩個高速的10Gbps鏈路，在MicroTCA，即將批準的AMC.4規格將成為系統jigsaw中的最后一個部分，盡管它并沒能阻止目前已經非常流行的SRIO AMC生態系統。目前已經有多家廠商在提供SRIO支持，既支持MicroTCA網絡中心運供應商，還支持控制和信號處理AMC卡。