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高速、高密集的數據處理需求不斷挑戰著DSP的性能極限，順應這些需求，DSP未來將如何發展？日前，在與ADI工業部門市場經理陸磊的交流中，筆者找到了些許答案。 DSP 呈現五大發展趨勢 陸磊認為，DSP的發展對于推動下一代產品創新有重要作用。未來，DSP將呈現出五大發展趨勢。 首先是DSP的集成，越來越多的器件需要內嵌DSP功能，實現形態包括采用DSP核或是硬件加速單元。而對DSP的需求則主要來自于實時算法的復雜程度在不斷增加，以及定點算法轉為浮點算法的趨勢。至于為什么要轉向浮點算法？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和更大的動態范圍，這時候浮點比定點有天生的優勢。第二，產品開發和上市時間在不斷縮短，客戶不希望花太多的時間做定點到浮點的轉化工作，直接用浮點算法實現的話，可以加快產品上市。第三個原因是浮點處理器或者浮點算法的成本在不斷下降，且和定點越來越接近。 此外，越來越多的DSP都集成了ARM處理器，雖然目前看來，多數的ARM核在實現DSP的信號處理任務時，實時性能還比較有限，但集成ARM核卻是未來的必然趨勢。 同時，DSP也需要越來越多的接口，例如PCIe、以太網等等，這些接口在ARM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，未來會致力于滿足各種連接的要求。 第二個趨勢就是低功耗。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。 第三個趨勢是DSP對于軟件IP保護和安全網絡連接的需求在不斷增長。特別是在物聯網時代，DSP需更加重視安全特性。 第四和第五個大的趨勢更多是來自于客戶方面的需求，一方面客戶要求產品盡快上市，另一方面則要求更高的可靠性和長期供貨能力。由于產品迭代越來越快，客戶需要管理的代碼越來越多，與此同時，客戶在系統集成、測試、調試方面也在面臨較多的挑戰，這都是DSP在未來的發展中需著重考慮的問題。 雙SHARC+內核加Cortex-A5，提升工業和實時音頻處理性能 基于上述趨勢，ADI推出了新一代的SHARC處理器，主要面向工業和實時音頻處理（包括工業音頻和汽車、消費類音頻）兩大應用。相較于上一代產品，一個最顯著的特點是它基于SHARC+的內核，性能比上一代SHARC核進一步提升了許多。該系列處理器共包括8款產品，ADSP-SC58x有5款，是基于雙SHARC+內核和ARM Cortex-A5處理器的產品；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品的5倍以上，超過最強勁競爭處理器2倍以上。在散熱管理對功耗形成限制，或者無法容忍成本高、可靠性低的風扇的應用中，這一優勢可以帶來行業領先的數字信號處理性能，具體應用包括汽車、消費級和專業級音響、多軸電機控制、能源分布系統等。 ADSP-SC58x產品的FPU和Neon DSP擴展指令集可以應付額外的實時處理任務與管理外設，以便連接音頻、工業閉環控制和工業檢測應用中的時間關鍵型數據。這些接口包括千兆以太網接口（支持AVB和IEEE-1588）、高速USB接口、移動存儲（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協處理器的應用，包括兩個SHARC+內核和DSP加速器，同時還帶有與內核相匹配的一組外設。 在軟件知識產權保護日益成為業界一大安全顧慮的背景下，新一代的SHARC處理器同時還推出了ARM TrustZone安全功能以及一個板載的加密硬件加速器。對于可靠性至關重要的應用，可通過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，電力應用時需要做諧波分析，電機控制的時候做SINC濾波，這些運算量非常大，通過硬件加速可增強整體芯片的處理能力，以FFT性能來看可以支持最高18GFLOPS的浮點運算能力，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，在進行加密運算的時候也會消耗很大的內存，如果也是采用SHARC+的處理器核心來做的話很不經濟，用硬件加速的方式既能夠實現安全性，同時也保證了整體的性能沒有損失。 單片處理器可應對多種應用需求 據介紹，以往客戶采用SHARC搭建系統時往往需要多顆芯片，通過Linkport構建DSP陣列。但是隨著半導體技術的發展，客戶對于系統的成本、體積、功耗等要求都在不斷提高，因此集成化成為一個顯著的發展趨勢。如今通過雙SHARC+內核與Cortex-A5集成的單芯片，同時采用低功耗的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。 在汽車音頻放大器中，單片ADSP-SC584處理器性能基本可滿足系統要求。現在汽車中麥克風的應用越來越多，類似噪聲抵消，就需要麥克風先采集噪聲的來源，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，另一方面需要很強的數字信號處理的能力。 在專業音響數字混頻器方面，專業音響有低、中、高端的劃分，根據處理性能的不同，客戶選擇的處理器數量也不一樣。對于很高端的專業音響數字混頻器而言，需要MCU+DSP陣列來完成。因為運算量非常大，可以采用ADSP-SC589做處理器，如果需要進一步的性能拓展，可以通過linkport無縫連接ADSP-2158X。 在工業電機控制方面，普通的電機控制可能需要一個比較小的ARM處理器就可以實現。但是對于比較高端的電機控制，比如磁阻的同步電機，不僅需要驅動電機，還需要一些運動控制的算法，這時候高性能的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，這時候還需要FFT硬件加速單元。 由于工業以太網會是未來的一個趨勢，實時的工業以太網會越來越多采用ADSP-SC58X系列處理器，由于有千兆以太網，而且支持1588同步的以太網，在進行工業控制的后端數據傳輸的時候，具備了實時性、高速性。同樣，PCle和異步總線也可以擴展出更多的以太網，因為在某些應用環境下，客戶其實需要更多的以太網來進行擴展系統，處理器具有很高的內部吞吐能力，所以在以太網擴展方面不會有瓶頸。 開源操作系統是工業領域必然趨勢 ADSP-SC58X 和ADSP-2158X 的開發工具主要分為軟件和硬件兩個部分。軟件部分集成開發工具CCES（CrossCore Eembedded Studio），其特點是實現了ARM和SHARC+調試環境的無縫集成，可以在同一個環境中同時調試SHARC+和ARM。硬件方面，ADI 推出了SC589 評估版，還有ICE-1000仿真器。 陸磊強調，越是復雜的處理器，用戶對操作系統的要求也越高，因此ADI提供了兩種操作系統供用戶選擇，一種是μC/ OS2或μC/ OS3，可以運行在ARM或SHARC+的核上面，特點是實時性非常好，是比較輕量的實時操作系統。另一個較復雜的操作系統是ucLinux，它提供整套基于ARM的操作系統，以及ARM的工具鏈。 至于為什么采用開源的操作系統，而非在工業領域沿用多年的風河等知名的操作系統？陸磊表示，未來的工業領域，開源系統會更有前景。隨著客戶技術能力的提高，他們越來越期望能掌握更多的知識產權，在操作系統方面也是一樣，他們希望能夠完全自己掌握，而不是購買已有的系統。現在已有的客戶比如電力監控、高端伺服驅動、馬達控制方面，都已經開始選用開源的操作系統，這是未來的必然趨勢。 |
