連續(xù)實時信號處理器的性能分析

    摘要：對AD公司的TigerSHARC　DSP(ADSP-TS101S)和摩托羅拉公司的具有AltiVec矢量處理器核的PowerPC系列MPC7410和MPC7455處理器，在連續(xù)實時信號處理領(lǐng)域的應用進行了評估。

    關(guān)鍵詞：連續(xù)實時信號處理?。桑蠋挕DSP-TS101S　MPC7410　MPC7455

對于復雜、實時信號算是系統(tǒng)的設(shè)計人員來講，最嚴峻的挑戰(zhàn)是針對給定任何選擇一個最有效的處理器。因為處理器效率依賴于應用，涉及到結(jié)構(gòu)和應用等各個方面，因此折中的辦法很難定義和評估。用通常使用的方法評價處理器，往往誤導人們。因為它掩蓋了許多依賴應用并使實際性能下降因素；在不同的處理器上執(zhí)行應用，然后評估每個處理器執(zhí)行的實際性能，這種方法費用昂貴、花費時間，不切合實際。

１　處理器概況

ＡＤ公司的ＴigerSHARC DSP(ADSP-TS101S)和摩托羅位公司PowerPC系列處理器代表了獲得高性能計算能力的不同結(jié)構(gòu)和方法。ＴigerSHARC代表ＤＳＰ的傳統(tǒng)做法，它具有低開銷、確定性和ＤＭＡ引擎等特點，專門用于開發(fā)嵌入式實時應用系統(tǒng)，例如雷達、聲納、無線通信和圖像處理。相反，ＰowerPC是一種ＲＩＳＣ處理器，用于開發(fā)副蘋果計算機最高性能的Ｇ４工作站；具有很高的時鐘頻率以及強大的ＡltiVec矢量處理引擎，在一些嵌入式信號處理應用方面也取得了很大的成功。

很明顯，具有ＡltiVec核的ＰowerPC G4(74xx)具有較高的核時鐘速率與性能。PowerPC的核時鐘速率幾乎是目前TigerSHARC的3.3倍（不久更快版本的TigerSHARC將發(fā)布）。AltiVec核每個周期執(zhí)行單條指令，每１２８位向量包含４個獨立的３２位數(shù)據(jù)單元，這就是眾所周知的SIM-D（單指令多數(shù)據(jù)）結(jié)構(gòu)。當執(zhí)行一次乘加(MAC)矢量運算時，達到峰值處理能力，每周期可完成８次浮點操作。對于1GHz的MPC7455，峰值處理能力可達8000M次/s浮點運算。AltiVec每周期能執(zhí)行８次整數(shù)或定點操作，峰值整數(shù)運算能力為８０００ＭＯＰＳ（百萬次操作／s）。

    相反，ＴigerSHARC有兩個獨立的３２閏處理器核，或稱MIMD（多指令多數(shù)據(jù)）結(jié)構(gòu)。每個計算單元每周期能執(zhí)行一次乘法以及和差分運算，對于300MHz ADSP-TS101S每周期完成６次浮點運算或1800MFLOPS峰值運算能力。當執(zhí)行１６位數(shù)據(jù)運算時，TigerSHARC可以利用它的超標量體系結(jié)構(gòu)，分離兩個獨立３２位計算單元成２個單獨的１６位SIMD單元，這樣每個操作在兩個數(shù)據(jù)單元，每個周期可以增加超過１２次的操作。另外，TigerSHARC有另外兩個專門的１６位整數(shù)引擎，每個周期可以增加超過１２次的操作，這樣每個周期共計２４次整數(shù)運算，7200MOPS。

２?。桑蠋捙c處理能力的比值

在許多信號處理的應用中，受限于數(shù)據(jù)流而不是處理能力，因此理解處理器Ｉ／Ｏ能力以及與處理器內(nèi)核的數(shù)據(jù)交換的性能十分重要。衡量的尺度是Ｉ／Ｏ帶寬與處理率之比（ＢＰＲ），即處理器峰值Ｉ／Ｏ帶寬（ＭＢ/s）除以峰值處理能力（ＭＦＬＯＰＳ）。１Ｂ／ＦＬＯＰ的ＢＰＲ指示它是一個比較平衡的連續(xù)信號處理結(jié)構(gòu)，意味著處理器對每個浮點操作能完成１Ｂ數(shù)據(jù)傳輸。一個處理器的ＢＰＲ明顯高于或低于１Ｂ／ＦＬＯＰ，表示這種結(jié)構(gòu)比連續(xù)信號處理器更適合數(shù)據(jù)流搬移或后向數(shù)據(jù)處理。

圖１所示為ＰowerPC處理器節(jié)點方框圖。從圖中可以看出所有處理器Ｉ／Ｏ的訪問必須通過ＭＰＣ和控制器／橋芯片之間的６４位，１２８ＭＨz(對于ＭＰＣ７４５５為１３３ＭＨｚ)系統(tǒng)總線。對于ＭＰＣ７４１０任何一個處理器的最高Ｉ／Ｏ帶寬是１０００ＭＢ／s,對ＭＰＣ７４５５的最高Ｉ／Ｏ帶寬是１０６４　ＭＢ/s。

然而由于Ａltivec很強大，這種適宜的高帶寬不一定總能跟上核的速度。當MPC7455執(zhí)行8000MFLOPS時，數(shù)據(jù)搬移的速度僅為1064MB/s。BPR值只有０.13，說明這種結(jié)構(gòu)的I/O帶寬和處理能力是不平衡的。因此，PowerPC對塊處理是有效的（比如具有高的計算和相對低的數(shù)據(jù)流動），但對連續(xù)的、高數(shù)據(jù)流動、較少計算的連續(xù)信號處理，是低效率的。

TigerSHARC是為多處理器設(shè)計的，而且提供了６４位、100MHz共享系統(tǒng)總線以及４個８位，250MHz的Link口作I/O和處理器之間的數(shù)據(jù)通信，簇總線的搬移數(shù)據(jù)速率為800MB/s。數(shù)據(jù)還可以通過Ｌink口以50MB/s速度進行傳送，每個TigerSHRC提供總的I/O帶寬可達1800MB/s。TigerSHARC的ＢＰＲ是0.1，表明對連續(xù)的信號處理是平衡的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

３　信號處理能力—cFFT

１０２４點復數(shù)FFT(cFFT)是評價信號處理性能使用最廣泛的基準。原因如下：第一，清晰而且容易易化；第二，在大多數(shù)應用中，它是最普遍使用的信號處理函數(shù)；第三，cFFT可以評估處理器的數(shù)據(jù)處理能力和處理速度。

值得注意的是，由于ＰwerPC的速度和性能，在計算１０２４點cFFT有明顯優(yōu)越性；然而TigerSHARC是為DSP裁剪定制的，在執(zhí)行信號處理算法時會更加有效。這是由于芯片具有極好的數(shù)據(jù)搬移的能力、平衡以及單周期執(zhí)行蝶形運算能力（乘法、加法、差分）。AltiVec核比TigerSHARC核快3.3倍，潛在處理速率是TIgerSHARC的4.4倍，然而它執(zhí)行一個１０２４點cFFT僅比TIgerSHARC快2.5倍。TigerSHARC在９７５０周期可以完成CFFT運算，而PowerPC必須用１３０００個周期，因此，在執(zhí)行一個１０２４點CFFT時，TigerSHARC的計算效率比PowerPC高３３％。換句話說，如果以相同的時鐘頻率運行，TIgerSHARC會超過PowerPC?。常常?。隨著TigerSHARC時鐘速率繼續(xù)提升，考慮成本和功耗等問題，當它執(zhí)行FFT信號處理應用時，它的能力要顯明超過AltiVec。

４　連續(xù)的cFFT

評價處理器能力時，通常考慮它的處理能力、Ｉ／Ｏ帶寬，甚至算法的執(zhí)行，但遺憾的是這些評估沒有一個能真實反映實際應用。實際應用時，這些因素往往相互影響。數(shù)據(jù)必須按所希望的那樣同時輸入、處理、輸出。每個１０２４點cFFT需要８ＫＢ數(shù)據(jù)輸入（１０２４個樣本×２個樣本／ＩＱ對×４字節(jié)／樣本）和８ＫＢ數(shù)據(jù)輸出，共１６ＫＢ的數(shù)據(jù)流。通過比較１０２４點cFFT基準與１６ＫＢ乘積與處理器的Ｉ／Ｏ帶寬，來決定是受限于處理器的計算能力還是Ｉ／Ｏ帶寬。

對于ＴigerSHARC,其準的倒數(shù)表示每秒鐘能執(zhí)行３０?。罚叮勾危保埃玻袋ccFFT，由于TIgerSHARC在后臺能搬移所需要的數(shù)據(jù)，需要有５０４MB/s的數(shù)據(jù)流(30769/s×16KB)，可以保證處理器的I/O帶寬，因此TigerSHARC完全適合如此應用。

對于MPC7410，１０２４點CFFT其準其實是誤導。因為它不能同時搬移數(shù)據(jù)和進行數(shù)據(jù)處理，而且在處理時間里，8KB的輸入數(shù)據(jù)必須搬入高速緩存(cache)，8KB的輸出數(shù)據(jù)必須搬出的高速緩存(cache)。搬移數(shù)據(jù)需要增加16.4μs的處理時間，執(zhí)行１０２４點ＣＦＦＴ共需要３８.4μs 的時間?？紤]到數(shù)據(jù)的租用移，１０２４點ＣＦＦＴ基準的倒數(shù)為１／３８.4μs。

然而對于MPC7455的情況不同，基準的倒數(shù)顯示處理器內(nèi)核每秒處理７６?。梗玻炒危保埃玻袋cCFFT，需要1260MB/s數(shù)據(jù)流量。盡管PowerPC進行處理的同時能搬移數(shù)據(jù)，但它的峰值帶寬僅為1064MB/s，因此在這一應用中帶寬受到了限制。假設(shè)它能連續(xù)保持峰值Ｉ／Ｏ帶寬（cache管理和控制器瓶頸會明顯減?。桑蠋?，不在本文討論管理），PMC7455每秒僅能執(zhí)行６４９４１次１０２４點cFFT(1064MB/s除16KB/1024點cFFT)，明顯比基準的倒數(shù)要小。

５　板極應用

如上所述，目前可獲得基于所有處理器cPCI和VME總線的COTS板。然而，當與板級應用相聯(lián)系時，會大大改變以上的評估結(jié)果。

因為MPC7455帶寬受限，板級的結(jié)構(gòu)會增加Ｉ／Ｏ的限制，進一步惡化處理器連續(xù)CFFT的性能。不考慮背板的數(shù)據(jù)流，對于PowerPC來講，目前最好的I/O方式是兩個６４位／66MHz PMC，雙528 MB/s PMC，可達到的數(shù)據(jù)流共1056MB/s。這已經(jīng)小于MPC7455的1064MB/s峰值I/O帶寬。實際上ＰＭＣ達到連續(xù)、持續(xù)的吞吐率也是不可能的。假設(shè)１０５６ＭＢ/s持續(xù)的Ｉ／Ｏ帶寬，PowerPC板持續(xù)1024點cFFTs為每秒64453次(1056MB/s被16KB除)——不依賴于PowerPC的數(shù)量或速度。

相反，ＴigerSHARC具有通過link口可擴展的I/O，圖２所示為典型的４個TigerSHARC處理器的結(jié)構(gòu)框圖。在此例子中，每個處理器必須共享一個簇總線帶寬，每個處理器使用２個Link口作為處理器間的數(shù)據(jù)傳輸，每個TigerSHARC的其它２個Link被用做I/O。這樣每個處理器I/O總帶寬就減少至700MB/s(Link口2×250MB/s+1/4×共享簇總線800MB/s)。然而，對于每個處理器，在最大連續(xù)ＣＦＦＴ速率的情況下，TigerSHARC需要504MB/s的帶寬。雖然這一速率在TigerSHARC極限范圍，但把連續(xù)的I/O分裂成Link口和簇總線也是不切合實際的做法。實際上，對于連續(xù)CFFT的最大I/O數(shù)據(jù)率是500MHz，由每個TIgerSHARC的兩個Link口提供。很小帶寬的限制降低了連續(xù)1024點cFFT的性能，每個TigerSHARC能處理30 517次。TigerSHARC低功耗、小尺寸和功能的集成，目前可得到簇總線（８片TigerSHARC）6U cPCI板卡。８片TigerSHARC每秒能執(zhí)行２４４　１３５次連續(xù)１０２４點CFFT運算，幾乎是理想PowerPC板卡的４倍。

６　結(jié)論

我們討論的各種COTS板的應用，代表了連續(xù)實時信號處理應用的實際性能。對于其它因素的分析（如中斷、開發(fā)環(huán)境、DMAs、存儲器的利用、Cache管理、電源等）不在本文討論范圍。如果應用系統(tǒng)需要大量的計算、比較少的數(shù)據(jù)搬移和所謂的后向數(shù)據(jù)處理，由于較高的時鐘頻率和強大的內(nèi)核，PowerPC是理想的選擇；反之，對于像成像、雷達、聲納和監(jiān)聽等應用的連續(xù)、實時信號處理，由于需要比較高的數(shù)據(jù)吞吐率，TigerSHARC應該是首選。