DSP內(nèi)核+ARM核成高性能實(shí)時(shí)應(yīng)用首選

高速、高密集的數(shù)據(jù)處理需求不斷挑戰(zhàn)著DSP的性能極限，順應(yīng)這些需求，DSP未來(lái)將如何發(fā)展?日前，在與ADI工業(yè)部門(mén)市場(chǎng)經(jīng)理陸磊的交流中，筆者找到了些許答案。

DSP 呈現(xiàn)五大發(fā)展趨勢(shì)

陸磊認(rèn)為，DSP的發(fā)展對(duì)于推動(dòng)下一代產(chǎn)品創(chuàng)新有重要作用。未來(lái)，DSP將呈現(xiàn)出五大發(fā)展趨勢(shì)。

首先是DSP的集成，越來(lái)越多的器件需要內(nèi)嵌DSP功能，實(shí)現(xiàn)形態(tài)包括采用DSP核或是硬件加速單元。而對(duì)DSP的需求則主要來(lái)自于實(shí)時(shí)算法的復(fù)雜程度在不斷增加，以及定點(diǎn)算法轉(zhuǎn)為浮點(diǎn)算法的趨勢(shì)。至于為什么要轉(zhuǎn)向浮點(diǎn)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(zhǎng)和更大的動(dòng)態(tài)范圍，這時(shí)候浮點(diǎn)比定點(diǎn)有天生的優(yōu)勢(shì)。第二，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和上市時(shí)間在不斷縮短，客戶不希望花太多的時(shí)間做定點(diǎn)到浮點(diǎn)的轉(zhuǎn)化工作，直接用浮點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)的話，可以加快產(chǎn)品上市。第三個(gè)原因是浮點(diǎn)處理器或者浮點(diǎn)算法的成本在不斷下降，且和定點(diǎn)越來(lái)越接近。

此外，越來(lái)越多的DSP都集成了ARM處理器，雖然目前看來(lái)，多數(shù)的ARM核在實(shí)現(xiàn)DSP的信號(hào)處理任務(wù)時(shí)，實(shí)時(shí)性能還比較有限，但集成ARM核卻是未來(lái)的必然趨勢(shì)。

同時(shí)，DSP也需要越來(lái)越多的接口，例如PCIe、以太網(wǎng)等等，這些接口在ARM處理器平臺(tái)比較完善，但是DSP傳統(tǒng)上由于更注重算法性能，在接口方面不夠豐富，未來(lái)會(huì)致力于滿足各種連接的要求。

第二個(gè)趨勢(shì)就是低功耗。DSP并非運(yùn)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(yīng)用場(chǎng)景中，系統(tǒng)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(quán)衡功耗的需求。

第三個(gè)趨勢(shì)是DSP對(duì)于軟件IP保護(hù)和安全網(wǎng)絡(luò)連接的需求在不斷增長(zhǎng)。特別是在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，DSP需更加重視安全特性。

第四和第五個(gè)大的趨勢(shì)更多是來(lái)自于客戶方面的需求，一方面客戶要求產(chǎn)品盡快上市，另一方面則要求更高的可靠性和長(zhǎng)期供貨能力。由于產(chǎn)品迭代越來(lái)越快，客戶需要管理的代碼越來(lái)越多，與此同時(shí)，客戶在系統(tǒng)集成、測(cè)試、調(diào)試方面也在面臨較多的挑戰(zhàn)，這都是DSP在未來(lái)的發(fā)展中需著重考慮的問(wèn)題。

雙SHARC+內(nèi)核加Cortex-A5，提升工業(yè)和實(shí)時(shí)音頻處理性能

基于上述趨勢(shì)，ADI推出了新一代的SHARC處理器，主要面向工業(yè)和實(shí)時(shí)音頻處理(包括工業(yè)音頻和汽車、消費(fèi)類音頻)兩大應(yīng)用。相較于上一代產(chǎn)品，一個(gè)最顯著的特點(diǎn)是它基于SHARC+的內(nèi)核，性能比上一代SHARC核進(jìn)一步提升了許多。該系列處理器共包括8款產(chǎn)品，ADSP-SC58x有5款，是基于雙SHARC+內(nèi)核和ARM Cortex-A5處理器的產(chǎn)品;ADSP-2158x有3款，不包括Cortex-A5，僅基于雙SHARC+內(nèi)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(dá)到上一代產(chǎn)品的5倍以上，超過(guò)最強(qiáng)勁競(jìng)爭(zhēng)處理器 2倍以上。在散熱管理對(duì)功耗形成限制，或者無(wú)法容忍成本高、可靠性低的風(fēng)扇的應(yīng)用中，這一優(yōu)勢(shì)可以帶來(lái)行業(yè)領(lǐng)先的數(shù)字信號(hào)處理性能，具體應(yīng)用包括汽車、消費(fèi)級(jí)和專業(yè)級(jí)音響、多軸電機(jī)控制、能源分布系統(tǒng)等。

ADSP-SC58x產(chǎn)品的FPU和Neon DSP擴(kuò)展指令集可以應(yīng)付額外的實(shí)時(shí)處理任務(wù)與管理外設(shè)，以便連接音頻、工業(yè)閉環(huán)控制和工業(yè)檢測(cè)應(yīng)用中的時(shí)間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)。這些接口包括千兆以太網(wǎng)接口(支持AVB和IEEE-1588)、高速USB接口、移動(dòng)存儲(chǔ)(包括SD/SDIO)、PCI Express和多種其他連接選項(xiàng)，可以打造出靈活而精簡(jiǎn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

ADSP-SC589處理器框圖

ADSP-2158x系列主要面向一般需要DSP協(xié)處理器的應(yīng)用，包括兩個(gè)SHARC+內(nèi)核和DSP加速器，同時(shí)還帶有與內(nèi)核相匹配的一組外設(shè)。

在軟件知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)日益成為業(yè)界一大安全顧慮的背景下，新一代的SHARC處理器同時(shí)還推出了ARM TrustZone安全功能以及一個(gè)板載的加密硬件加速器。對(duì)于可靠性至關(guān)重要的應(yīng)用，可通過(guò)存儲(chǔ)器奇偶校驗(yàn)和糾錯(cuò)硬件提高數(shù)據(jù)的完整性。

陸磊強(qiáng)調(diào)，之所以采用硬件加速單元，是因?yàn)樾枰С諪TI、iFFT、FIR、 IIR，電力應(yīng)用時(shí)需要做諧波分析，電機(jī)控制的時(shí)候做SINC濾波，這些運(yùn)算量非常大，通過(guò)硬件加速可增強(qiáng)整體芯片的處理能力，以FFT性能來(lái)看可以支持最高18GFLOPS的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，相比較5.4G SHARC+的運(yùn)算能力而言，速度能效是其10倍，功耗更低。此外，在進(jìn)行加密運(yùn)算的時(shí)候也會(huì)消耗很大的內(nèi)存，如果也是采用SHARC+的處理器核心來(lái)做的話很不經(jīng)濟(jì)，用硬件加速的方式既能夠?qū)崿F(xiàn)安全性，同時(shí)也保證了整體的性能沒(méi)有損失。

單片處理器可應(yīng)對(duì)多種應(yīng)用需求

據(jù)介紹，以往客戶采用SHARC搭建系統(tǒng)時(shí)往往需要多顆芯片，通過(guò)Linkport構(gòu)建DSP陣列。但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，客戶對(duì)于系統(tǒng)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(gè)顯著的發(fā)展趨勢(shì)。如今通過(guò)雙SHARC+內(nèi)核與Cortex-A5集成的單芯片，同時(shí)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(jié)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(tǒng)要求?，F(xiàn)在汽車中麥克風(fēng)的應(yīng)用越來(lái)越多，類似噪聲抵消，就需要麥克風(fēng)先采集噪聲的來(lái)源，然后再做相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理。這其中需要很多的音頻通道，包括喇叭和麥克風(fēng)，另一方面需要很強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理的能力。

在專業(yè)音響數(shù)字混頻器方面，專業(yè)音響有低、中、高端的劃分，根據(jù)處理性能的不同，客戶選擇的處理器數(shù)量也不一樣。對(duì)于很高端的專業(yè)音響數(shù)字混頻器而言，需要MCU+DSP陣列來(lái)完成。因?yàn)檫\(yùn)算量非常大，可以采用ADSP-SC589做處理器，如果需要進(jìn)一步的性能拓展，可以通過(guò)linkport無(wú)縫連接ADSP-2158X。

在工業(yè)電機(jī)控制方面，普通的電機(jī)控制可能需要一個(gè)比較小的ARM處理器就可以實(shí)現(xiàn)。但是對(duì)于比較高端的電機(jī)控制，比如磁阻的同步電機(jī)，不僅需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)，還需要一些運(yùn)動(dòng)控制的算法，這時(shí)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(yùn)算，這時(shí)候還需要FFT硬件加速單元。

由于工業(yè)以太網(wǎng)會(huì)是未來(lái)的一個(gè)趨勢(shì)，實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)會(huì)越來(lái)越多采用ADSP-SC58X系列處理器，由于有千兆以太網(wǎng)，而且支持1588同步的以太網(wǎng)，在進(jìn)行工業(yè)控制的后端數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，具備了實(shí)時(shí)性、高速性。同樣，PCle和異步總線也可以擴(kuò)展出更多的以太網(wǎng)，因?yàn)樵谀承?yīng)用環(huán)境下，客戶其實(shí)需要更多的以太網(wǎng)來(lái)進(jìn)行擴(kuò)展系統(tǒng)，處理器具有很高的內(nèi)部吞吐能力，所以在以太網(wǎng)擴(kuò)展方面不會(huì)有瓶頸。[!--empirenews.page--]

開(kāi)源操作系統(tǒng)是工業(yè)領(lǐng)域必然趨勢(shì)

ADSP-SC58X 和ADSP-2158X 的開(kāi)發(fā)工具主要分為軟件和硬件兩個(gè)部分。軟件部分集成開(kāi)發(fā)工具CCES(CrossCore Eembedded Studio)，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了ARM和SHARC+調(diào)試環(huán)境的無(wú)縫集成，可以在同一個(gè)環(huán)境中同時(shí)調(diào)試SHARC+和ARM。硬件方面，ADI 推出了SC589 評(píng)估版，還有ICE-1000仿真器。

陸磊強(qiáng)調(diào)，越是復(fù)雜的處理器，用戶對(duì)操作系統(tǒng)的要求也越高，因此ADI提供了兩種操作系統(tǒng)供用戶選擇，一種是μC/ OS2或μC/ OS3，可以運(yùn)行在ARM或SHARC+的核上面，特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性非常好，是比較輕量的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。另一個(gè)較復(fù)雜的操作系統(tǒng)是ucLinux，它提供整套基于ARM的操作系統(tǒng)，以及ARM的工具鏈。

至于為什么采用開(kāi)源的操作系統(tǒng)，而非在工業(yè)領(lǐng)域沿用多年的風(fēng)河等知名的操作系統(tǒng)?陸磊表示，未來(lái)的工業(yè)領(lǐng)域，開(kāi)源系統(tǒng)會(huì)更有前景。隨著客戶技術(shù)能力的提高，他們?cè)絹?lái)越期望能掌握更多的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在操作系統(tǒng)方面也是一樣，他們希望能夠完全自己掌握，而不是購(gòu)買已有的系統(tǒng)?，F(xiàn)在已有的客戶比如電力監(jiān)控、高端伺服驅(qū)動(dòng)、馬達(dá)控制方面，都已經(jīng)開(kāi)始選用開(kāi)源的操作系統(tǒng)，這是未來(lái)的必然趨勢(shì)。