DSP内核的演变.doc

河南省瑞光印务股份有限公司提供DSP内核的演变首先，为什么及什么时候必须使用DSP？我们可以先从应用的角度进行探讨。举个例说，手机通常需要至少2个DSP引擎，一个用于通信工作，另一个用于应用处理。在通信方面，通话一端的语音信号经数字化和压缩（DSP的一个典型功能），被调制为一个无线信号（另一个DSP工作），再通过无线基础设施发送到通话另一端，然后执行解调解压（也是DSP的功能）。在手机的应用处理方面，载有视频、图片和音频信号的数据文件必须经过解碼，然后才会被发送到屏幕、扬声器和耳机，所有这些典型的DSP工作虽然本质上各不相同，但它们都是通信信道需要的工作。 随着无线通信的不断进步，为了追上4G无线信道上100Mbps的速度，DSP承担的工作也在大幅度演进。如此高位速率的调制和解调需要一些先进的算法，包括多天线（又称 MIMO）、多载波调制和QAM调制方案。而DSP引擎已作出相应发展，能够以多种方式满足这些要求，变成应用专用（或通信专用）DSP。 在其它DSP领域也经已出现类似的进展，譬如视频处理就是一例。近年来，屏幕分辨率已从VGA渐渐提高到Full HD高分辨率（1080p），而且为了处理这些更高的分辨率，并保持最低的位速率，市场也出现了多种视频标准。由于传统的DSP引擎已很难满足这些要求，各种不同的架构和设计理念应运而生，包括多核设计和SIMD（单指令，多数据）处理技术。在这里，DSP处理样演变为应用专用处理器，专门用于多媒体工作，同时保持其普遍性。下面将对这些方面进行详细的讨论。 处理DSP应用的不同方法在SoC中实现DSP功能性有好几种方法，而我们将主要介绍DSP的可编程设计和半可编程设计实现方案，包括中央处理单元（CPU）、微控制器单元（MCU），和DSP。至于完全采用硬件来执行算法的硬件线路方法，这里就不赘述了。 CPU的典型例子有Pentium和PowerPC处理器。这些超高性能的处理器本质上是通用处理器，时钟频率高达2GHz或更高。CPU用于个人电脑、工作站和笔记本电脑等系统，而通常不适合于嵌入式应用。它们能够处理信号处理工作，但由于频率频率极高，致使功耗也相当高，同时带来电池寿命方面的问题。此外，这类CPU成本非常高，所以不适用于大多数消费电子设备。 另一方面，MCU可被视为Pentium这类CPU的较慢较小版本。ARM和MIPS科技等公司都提供针对嵌入式应用的内核，它们主要适用于控制工作，能够运行Windows Mobile和Linux等操作系统。一般而言，MCU主要针对控制工作而设计，缺乏典型的DSP支持能力。不过，也有一些MCU具有DSP功能性专用扩展，这一点稍后再作介绍。 获得DSP功能性的第三种方法是纯粹DSP，它们非常适用于数学密集型工作和以资料为主的处理工作，而且专门为嵌入式应用而设计，可确保功耗及电路尺寸适合SoC芯片使用。这种纯粹DSP的典型例子有德州仪器的C55和C64、ADI的Blackfin以及CEVA的TeakLite和 CEVA-X DSP内核系列。 图1以X-Y坐标空间的形式描述了这些不同DSP解决方案的性能和灵活性。硬件线路加速器也在其中。此外，图中用不同的颜色标注出了每一种解决方案的功耗程度。图1 不同DSP解决方案的性能和灵活性MCU是完全可编程设计的通用处理器，故能够执行多种不同功能，适用于SoC中的不同应用。不过，因为MCU不是为DSP功能而设计，所以在这一方面无法获得高性能。 如果运行频率在1GHz到2GHz范围的话，CPU执行DSP功能的速度当然比MCU更快。但是，除非电池容量够大，否则在掌上型产品中几乎不可能采用CPU来执行DSP功能。而硬件线路引擎的DSP性能最高，功耗最低，而灵活性却大为逊色。 迄今为止，本地DSP在灵活性、性能和功耗三者之间的权衡折衷是最好的。随着不同DSP应用继续发展，嵌入式处理器也衍生出新的类型。下面将一一进行讨论。 DSP工作演变带动DSP处理器不断发展近年来，各种应用中的DSP要求有了显著的提高。例如，只要分析一下音频要求的演进，便会发现在极短时间内同时出现了多个进展，超过了DSP要求的5倍多。下面列出了家用音频应用设备中的一些新发展： 每通数据流的声道数目从2（立体声）增加到5.1（典型杜比数位设备），到7.1（典型蓝光光盘播放机）；需要译码并混合的数据流数目从1（典型A/V接收器）增加到2（典型DVD用例）再到3（蓝光光盘用例）；每通译码数据流的位速率从48Kbps（MP3）增加到24Mbps（DTS-HD MA）； 音频转码器及后处理功能的复杂性增加。 当前的DSP面对视频应用及其提出的要求也存在类似情况，同样需要更高的解析度、更高的位速率和更复杂的视频标准，而相关的设计工具已不断推出。至于无线通信应用，只要分析从3G到4G无线标准的位速率演进，就可看出这一变化趋势，而且这种成长还不是线性而是指数级的。图2描绘出了三大DSP领域的技术进展。图2 三大DSP领域的技术进展为了满足对DSP能力的不断攀升的要求，三种基于处理器的方案中，每一种都在向不同的方向演变。 MCU供货商已尝试透过在其架构中增加一些DSP功能，以及利用专用DSP指令来扩展这些处理器的ISA，来满足不断增长的要求，而ARM Cortex-A8就是一典型例子。该组件的CPU连接了一个SIMD加速器（ARM NEON），不过有些供货商选择的方向稍有不同，他们允许程序设计人员利用自己的指令来扩展其MCU。在这两种情况中，DSP扩展都能够提供一个不错的系 统折衷来实现基本DSP功能。不过，对于中高阶处理要求，这种MCU解决方案就完全不可行，并会使产品开发和再用方面出现严重的缺陷。下一节我们将较详细地讨论这些缺陷。 CPU供货商已经明白，单纯靠提高处理器的运行速度是不足以满足不断增长的要求的。相对之下，多处理器架构提供了一种替代解决方案，可实现更高的指令级并行性（instruction-level- parallelism；ILP），但这种方法更难满足可携式设备的严格功率预算要求。面对其它要求更严苛的用例，CPU供货商干脆决定把精力集中自己的核心专业技术上，而把重负载的DSP应用让位给其它解决方案。譬如，CPU（或多核CPU）都不能有效地以1080p分辨率译码视频讯号，或运行LTE基频，于是这类工作便由市场专用DSP来解决。 市场专用DSP已成为DSP供货商的另类方案，以期满足高阶DSP处理要求。过去，通用DSP曾一度流行，为多个终端市场提供高阶的处理。这类DSP的可再用性和普遍性，使其在市场上非常普及，为不少开发商及合作伙伴所采纳。虽然通用DSP现在仍拥有某些市场，但更高阶领域则需要市场专用性更强的方案，也就是采用ISA来支持市场专用功能（如最新无线通信标准所需的44矩阵计算能力）。市场专用DSP能够更仔细地满足整个市场的要求，提供更多所需的能力，同时又不限制这种架构在该市场上不同解决方案中的可再用性（譬如能够有效用于LTE、WiMAX、HSPA+、EV-DO等的无线通信DSP）。图3在同一X-Y空间中描绘出了这些不断演进的DSP解决方案。图3 不断演进的DSP解决方案在MCU中增加DSP功能这是一个好办法吗？MCU供货商提升性能的其中一个方法，是提供可扩展架构的DSP指令。有些供货商提供带有预先定义DSP ISA扩展的MCU产品（如ARM NEON）；也有一些供货商提供了一系列各种各样的DSP ISA扩展，供用户选择；另外一些供货商则允许获授权者自行开发DSP指令。在所有这些情况中，由于这些DSP ISA扩展由于并非处理器所固有，故不妨将之视作中央微控制器的附属加速器。 设计人员在考虑选用一个扩展MCU来实现先进DSP工作时，必须了解其缺点所在，例如下列的问题：除非设计人员小心设计内存存取，否则加入的功能单元（譬如MAC单元和加法器）可能无法运作。一般而言，在大型平坦内存模型上，MCU同一时间只能支持单个内存存取，而且还存在不同的数据故障限制。这与大多数基本DSP架构截然不同，并会很快降低任何DSP扩展 的附加价值。 MCU往往非常依赖带有特权模式（privilege mode）和虚拟储存支持的缓冲记忆架构，这是由于它们必须支持的控制功能的特性之故。另一方面，DMA在MCU中不会被频繁采用，因此可以把基本DMA作为一个外挂程序提供给MCU。在数据高度密集的DSP应用中，鉴于应用的实时特性，以及它对确定性处理的要求，先进的DMA是不可或缺的。所以与扩展MCU刚好相反，在处理器架构内，先进的DSP本身就支持DMA机制。 利用DSP指令来扩展MCU通常不会引起寻址机制的任何大的变化。因此，这种扩展MCU通常不支持DSP应用中非常典型的独特寻址模式（因其可预测的数据存取模式，如循环缓冲器和位反置）。 由于这种DSP扩展不是MCU的固有部分，它们便需要使用编译器内在函数来充分发挥这些DSP功能的作用。也就是说，简明的C代码不能轻易地编译为适合在这种DSP扩展上运行的最佳汇编代码。对于DSP处理器，这种编译器支持是需要嵌入到编译器-架构交互设计中的。 MCU一般不支持某些算法所需要的特殊DSP数据类型，例如是先进无线应用中常见的10位和12位部件。此外，MCU中的数字准确度通常限制在32位，而在某些应用则需要更大的动态范围，高至72位数据，包括保护位（guard bit）、饱和硬件和循环机制（rounding mechanisms）。这些一般都根据应用的特定要求，由市场专用DSP处理。 在这类扩展MCU中，可用并行性通常限制程序设计人员同时使用MCU及其DSP扩展。于是，即使拥有处理能力，MCU也可能无法以最佳方式来予以利用。 除此之外，扩展MCU虽然为程序设计人员提供了一组不同的DSP扩展供选择，甚至让程序设计人员能够利用自己的DSP指令集来扩展ISA，但还存在一个“非标准”的问题。这种“按需定制”的处理器设计乍看可能颇具吸引力，然而软件维护极其困难，因为设计人员必须不停地从一个架构向另一个架构移植代码，无法再用自己的代码。这也意味着因为某些指令和机制可能有别，由协力厂商软件供货商开发的代码未必运行在既有配置上。由于这已成为一个专有的处理器架构，MCU供货商将不能继续自己的发展蓝图。而另一方面，这种特定MCU配置的使用者（及开发者）则必须维持自己的处理器发展蓝图，以延续一个完整的产品发展蓝图。 结语随着无线通信和多媒体技术的不断进步，工程师面临的设计挑战变得越来越复杂。传统的DSP引擎，对许多需要通用DSP能力来实现未来提升的应用而言（譬如可携式多媒体设备），仍然是一种可行的解决方案。但一些更复杂的工作，如4G无线通信处理和高分辨率视频/音频处理，则需要一种新的市场专用方案。起源于CPU领域并且也流行于MCU领域的多核设计，是提升性能水平的方法之一，不过这同时也增加了功耗。一些MCU厂商提出的另一种方法是提供不同的DSP ISA扩展。另一方面，DSP厂商开始将新设计转为市场专用DSP。然而，这些替代解决方案的功能性的性能、灵活性和效率到底如何，仍然是一大关键问题。 如上所述