|
傳統(tǒng)的雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)具體的需求確定算法流程以及硬件結(jié)構(gòu)的。這導(dǎo)致了系統(tǒng)升級的困難加大。當(dāng)信號處理的內(nèi)容改變、要求處理的數(shù)據(jù)量加大、改進(jìn)處理算法時(shí)，必須對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。 利用軟件無線電的原理，可以構(gòu)建通用的硬件平臺，輔之以必要的軟件系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)各種信號處理功能。 本結(jié)構(gòu)采用高速浮點(diǎn)DSP（ADSP-21161N）。ADSP-21161集成了一個(gè)性能優(yōu)良的浮點(diǎn)DSP核和豐富的在片功能，并且提供了實(shí)用可靠的多處理器互聯(lián)及并行處理的方式。以六片ADSP-21161N構(gòu)成的多處理器結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的處理能力，可以完成各種高速實(shí)時(shí)信號處理功能。 實(shí)時(shí)信號處理要求巨大的計(jì)算量與超高速的計(jì)算速度，而現(xiàn)在的單片DSP很難滿足要求，因此必須采用合理的多DSP并行計(jì)算結(jié)構(gòu)。雷達(dá)信號處理的特點(diǎn)要求處理結(jié)點(diǎn)具有大的I/O帶寬，以實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)吞吐能力，通用的系統(tǒng)還必須支持多種算法，因此應(yīng)能根據(jù)不同并行算法的要求靈活地改變多DSP并行計(jì)算的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提供方便多樣的相互通信手段。 1 ADSP-21161N芯片簡介 ADSP-21161N是美國ADI公司近斯推出的功能強(qiáng)大的32bit浮點(diǎn)DSP芯片，采用超級哈佛結(jié)構(gòu)，擁有多條內(nèi)部總線、高速運(yùn)算單元、大容量存儲器、靈活多樣的外部接口。它的核心工作頻率可達(dá)100MHz，外部總線工作頻率可達(dá)50MHz。由于其內(nèi)部包括兩組處理單元，每組又運(yùn)用三級流水線結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，故而運(yùn)算處理速度可達(dá)達(dá)到600MIPS，以此來實(shí)現(xiàn)DSP的低工作頻率、高處理能力的功能可以降低功耗。 大容量內(nèi)部雙端口SRAM，容量可達(dá)到1Mbit，分成兩個(gè)存儲區(qū)，一個(gè)周期可同時(shí)完成指令代碼及操作數(shù)的存取，并可任意設(shè)置成16位、32位或48位字寬，給不同的應(yīng)用帶一籽方便。 主機(jī)（HOST）與多處理器接口無需外部電路，依靠片內(nèi)總線仲裁邏輯和DMA控制器的支持，能夠方便地構(gòu)成緊耦合的共享總線/共享存儲器的并行系統(tǒng)。在片的SDRAM控制器，可直接管理SDRAM，多DSP之間可以很好地協(xié)調(diào)共同使用SDRAM，從而構(gòu)成一個(gè)一體化的處理系統(tǒng)。 兩套雙向高速LINK數(shù)據(jù)傳輸，每套LINK口受獨(dú)立的DMA控制 器、發(fā)送/接收數(shù)據(jù)FIFO的支持，可進(jìn)行最高達(dá)100MB/s的高速數(shù)據(jù)傳，大大提高了并行處理能力，可借以構(gòu)成松耦合的分布式并行系統(tǒng)。 另外，還有SPI接口、可編程I/O管腳（FLAG）以及同步串口等通信端口。 2 多處理器系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 在多處理器系統(tǒng)中，處理器節(jié)點(diǎn)之間的通信通常使用兩種方案：一種方案是使用專門的點(diǎn)對點(diǎn)通信信道；另一種方案是節(jié)點(diǎn)之間通過個(gè)共享的全局存儲器和一條并行總線進(jìn)行通信。這兩種解決方案則構(gòu)造了兩種多DSP結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)流式結(jié)構(gòu)和簇式結(jié)構(gòu)。 2.1 數(shù)據(jù)流工多處理器結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)流式多處理器結(jié)構(gòu)應(yīng)用ADSP-21161N的鏈路口進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信。系統(tǒng)的算法可以分解成多個(gè)部分，分別由多個(gè)處理器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行，并將數(shù)據(jù)按順序放到由處理器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的“流水線”上。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特別適合于對計(jì)算帶寬要求高、靈活性要求低的應(yīng)用。但作業(yè)一個(gè)通用的處理平臺，必須做到靈活性強(qiáng)，因此本文所介紹的系統(tǒng)并沒有應(yīng)用數(shù)據(jù)流式結(jié)構(gòu)，而是簇式結(jié)構(gòu)。 2.2 族式多處理器結(jié)構(gòu) 族式多處理器結(jié)構(gòu)適合于需要一定靈活性的應(yīng)用，特別是當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)必須我種不同任務(wù)，而其呈些可有需要并發(fā)運(yùn)行的情況。簇式多處理器結(jié)構(gòu)如1所示。 ADSP-21161N的內(nèi)部存儲器是針對滿足多處理器系統(tǒng)I/O的需要設(shè)計(jì)的，片內(nèi)的雙口RAM允許在處理器核進(jìn)行雙數(shù)據(jù)訪問的同時(shí)進(jìn)行全速的處理器間傳送，而不需要從處理器核竊取周期使處理器保持完整的100MIPS、600MFLOPS的性能。通過軟件的設(shè)計(jì)，6片ADSP-21261N組成的一個(gè)統(tǒng)一的族式多處理器系統(tǒng)，可以將多處理器配置成數(shù)字并行或者是控制并行系統(tǒng)。由于各處理器節(jié)點(diǎn)內(nèi)核之間不相互制約，這樣一個(gè)系統(tǒng)可以達(dá)到3600MFLOPS的運(yùn)算速度，對于通常的信號處理工作完全可以做到實(shí)時(shí)處理。 簇內(nèi)存在一個(gè)瓶頸，這是因?yàn)樵诿總�(gè)周期里只有兩個(gè)處理器可以通過共享的總線進(jìn)行通信，其它的處理器則被阻塞，直到總線被釋放為止。由于ADSP-21161N也可以在一個(gè)族中進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的鏈路口傳送，該瓶頸很容易被消除。通過普通總線可以動(dòng)態(tài)的建立和激活處理器間的數(shù)據(jù)鏈接。由于ADSP-21161N僅有兩個(gè)鏈接口，各處理器間只能兩兩相連構(gòu)成一條鏈路，不相鄰的兩個(gè)處理器節(jié)點(diǎn)之間的通信則要通過中間節(jié)點(diǎn)給予支持。但由于ADSP-21161N的鏈路口數(shù)據(jù)傳輸速率為100MB/s，而且傳輸字寬為8bit，基本可以消除此瓶頸的影響。 2.3 多處理器總線仲裁 多個(gè)ADSP-21161N可以共享外部總線，而不需要另外的仲裁電路。總線仲裁是通過使用BR1-BR6、HBR和HBG等信號完成的。BR1-BR6在多個(gè)ADSP-21161N之間進(jìn)行仲裁，HBR和HBG完成ADSP-21161N主處理器和主機(jī)處理器之間的部控制權(quán)傳遞。總線仲裁可以采用跑步 同的優(yōu)先權(quán)機(jī)制解決總線請求的競爭：固定優(yōu)先權(quán)和循環(huán)優(yōu)先權(quán)。RPBA管腳決定使用哪種優(yōu)先權(quán)機(jī)制。當(dāng)RPBA為高電平時(shí)選擇循環(huán)優(yōu)當(dāng)RPBA為低電平野外選擇固定優(yōu)先。由于循環(huán)優(yōu)先機(jī)制控制比較復(fù)雜，因此一般可和固定優(yōu)先機(jī)制，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，固定優(yōu)先機(jī)制很容易用，而且效果不錯(cuò)。在固定優(yōu)先機(jī)制中，參與競爭總線的ADSP-21161N中，ID號最小的ADSP-21161N將成為主處理器，從而可以將先級羅高的處理工作放在ID號較小的處理器中。在軟件優(yōu)先權(quán)控制上則需要較少的運(yùn)算開銷。 多處理器系統(tǒng)中各ADSP-21161N之間的BR1-BR6要連在一起，用到的BRx線的數(shù)量等于系統(tǒng)中ADSP-21161N的數(shù)量。每個(gè)處理器驅(qū)動(dòng)與自身ID2-0輸入相對應(yīng)的BRx管腳，并且監(jiān)視其它處理器的BRx管腳。如果系統(tǒng)中的ADSP-21161N少于6片，未用的BRx管腳應(yīng)上拉為高電平。 3 多DSP并行處理結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn) ADSP-21161N具有設(shè)計(jì)多處理器系統(tǒng)的功能，包括總線控制仲裁、對其它ADSP-21161N的內(nèi)部存儲器和IOP寄存器的訪問等。在多個(gè)ADSP-21161N共享總線式多處理機(jī)系統(tǒng)中，任何一個(gè)處理器都可成為總線控制者。 實(shí)現(xiàn)一個(gè)典型的多DSP并行處理結(jié)構(gòu)，各處理器的三大總線要全部相連。圖2給郵一個(gè)基本的多處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在多系統(tǒng)中，某一時(shí)刻總線由主處理器控制，并且主處理器驅(qū)動(dòng)所總線。由于民多處理器后，包括片內(nèi)存儲器以及IOP寄存器在內(nèi)的所有地址空間是統(tǒng)一編址的，因此事實(shí)上只有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)（處理器或外設(shè)）在同時(shí)刻在總線上活動(dòng)，而此刻總線對于其它節(jié)點(diǎn)來諳阻塞的。這，其它接口點(diǎn)能通過鏈路口或者FLAG標(biāo)志口進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信來交換數(shù)據(jù)和消息。 在多處理器系統(tǒng)中，各控制線上除主DSP外的其它所有節(jié)點(diǎn)都屬于負(fù)載，所以對于每一根控制線來說都是一個(gè)多負(fù)載的連接，必須在每個(gè)DSP附近接串接電阻以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，否則會由于驅(qū)動(dòng)能力不足而導(dǎo)致所進(jìn)行的操作失效。另外在所有低電平有效的一上應(yīng)接上拉電阻，以保證在沒有進(jìn)行操作時(shí)從DSP以及外接不會接收到虛假的指令。由于本系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，并沒有與外部主機(jī)相連，故主機(jī)接口控制線在各DSP相連的情況下，應(yīng)像其它未用管腳一樣根據(jù)ADI技術(shù)文檔的要求進(jìn)行處理。而本結(jié)構(gòu)與外部的通信可以通過同步串口工者在總線上掛接一片雙端口RAM來進(jìn)行。 另外多處理器系統(tǒng)的時(shí)鐘、復(fù)位步問題一個(gè)決定系統(tǒng)工作正常與否的關(guān)鍵問題，各DSP的復(fù)位信號可同時(shí)接到看門狗的輸出端。時(shí)鐘信號必須在阻抗可控的傳輸線中傳輸，為保證各DSP的時(shí)鐘信號之間不存在相位差，或者說相位差在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，一般應(yīng)采取始端連接的方式。圖3給出串聯(lián)傳線分配時(shí)鐘的例子，它允許在不同的路徑中存在延時(shí)，每個(gè)設(shè)備必須在線的終端。傳路徑必須均勻分布，以使各路徑上的傳輸延遲相互匹配。匹配的反相器必須在同一IC上，且相互之間的時(shí)間滯后差必須小于1ns。 并行處理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)搭建好后，如何才能很好地發(fā)揮其超強(qiáng)的處理能力，則要靠軟件的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。為適應(yīng)計(jì)算任務(wù)的多樣性，可以采用1片ADSP-21161N作任務(wù)管理器，另外5片ADSP-21161N作運(yùn)算器的主、從式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這樣做還有利于實(shí)現(xiàn)指令間的流水處理，提高執(zhí)行效率。而軟件實(shí)現(xiàn)是可以根據(jù)具體的要求來完成，考慮到系統(tǒng)的高速、高效、實(shí)時(shí)性，軟件可采用ADSP-21161N匯編語言進(jìn)行編程。 本文以通用高速實(shí)時(shí)信號處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為應(yīng)用背景，提出了一種由6片ADSP-21161N構(gòu)成的并行處理結(jié)構(gòu)。它充分利用ADSP-21161N芯片本身支持多處理器并行運(yùn)算的特點(diǎn)構(gòu)成了式多處理器結(jié)構(gòu)，并輔以鏈路口互取決的點(diǎn)到點(diǎn)通信、FLAG標(biāo)志互連的消息傳送等靈活多樣的通信方式，具有運(yùn)算能力強(qiáng)、I/O帶寬寬、通信手段方便多樣、能靈活地改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、可擴(kuò)民有、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。以此并行處理結(jié)構(gòu)為核心輔之高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，快捷用高速FPGA作為系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了通用高速實(shí)時(shí)信號處理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，這種并行計(jì)算結(jié)構(gòu)易于控制，工作效率高，并且穩(wěn)定可靠。 |
