基站調(diào)制解調(diào)器――為什么要現(xiàn)在選擇多核？

3G 無線技術(shù)可支持諸如視頻流等各種高帶寬應用，從而能夠大幅提高收發(fā)器基站 (BTS) 的工作負載。事實上，流經(jīng)基站的數(shù)據(jù)業(yè)務量的日益提高已經(jīng)促使無線運營商不得不蜂擁開始回程擴容。獨立分析公司 Heavy Reading 于 2006 年3 月發(fā)布的一份報告指出，“運營商一般根據(jù)每個蜂窩站點 2 條 T-1/E1 回程電路制訂最初的 HSDPA/EV-DO 部署計劃;但隨著容量擴展，他們開始意識到需要多達 10 條此類電路。”

由于回程容量與用戶需求在同時增長，無線運營商及其基礎局端供應商也在想方設法確?；颈旧聿怀霈F(xiàn)瓶頸。為避免此類問題，移動行業(yè)正在迅速向采用多核基帶處理器的基站調(diào)制解調(diào)器過渡。在無線基站領域之外，多核處理器用過去幾年時間就證明了自身在性能平衡與功率效率方面的價值，這一點可以說明為什么僅德州儀器 (TI) 一家公司的處理器出貨量就超過了 10 億?，F(xiàn)在人們不再對無線基站系統(tǒng)設計人員開始采用它們而感到驚訝。

多核設計的一大關(guān)鍵優(yōu)勢就是效率。多核設計可將任務分配至多個內(nèi)核，而不是為承擔附加工作負荷而單純提高單個處理器內(nèi)核的頻率。例如，如果系統(tǒng)需要數(shù)字信號處理器 (DSP) 提供 3GHz 性能，多核設計可以在單個 DSP 封裝中采用三個頻率為 1GHz 的內(nèi)核。

相比而言，如果為了滿足新型 BTS 的嚴苛要求而提高單核 DSP 的速度，則所需功率和產(chǎn)生的熱量會達到讓人無法承受的水平，而多核設計可以在無損性能的情況下避免這些缺陷。

此外，芯片制造商還可以通過開發(fā)高級的低功耗技術(shù)來進一步提高多核 DPS 的功率效率。TI 的 Smart Reflex 技術(shù)就是一個很好的范例，其可以在保持規(guī)定器件性能的同時降低靜態(tài)與動態(tài)功耗。Smart Reflex 技術(shù)可根據(jù)制造工藝考慮到器件專用的硅芯片特征以及熱參數(shù)等因素。這樣不僅可以有效降低 DSP 的功耗，同時還能保持性能目標 —— TI 的 TCI6488 基帶處理器(采用 Smart Reflex 技術(shù)的DSP 之一)目前達到 1GHz。

多核的另一種優(yōu)勢是能夠集成片上加速器來提高自身性能，進而消除對附加 FPGA 或微處理器的需求，同時還能降低組件數(shù)與材料清單 (BOM) 成本。這種競爭優(yōu)勢也是多核設計能夠吸引系統(tǒng)設計人員及其基礎局端客戶的原因所在。

新要求

對于大多數(shù)無線運營商而言，由于電子郵件、Web 瀏覽、音樂下載等數(shù)據(jù)應用的廣泛普及，他們都面臨著數(shù)據(jù)流量快速增長的挑戰(zhàn)。此外，遙測、遠程信息處理技術(shù)以及其它機器對機器 (M2M) 等應用的更廣泛應用也是數(shù)據(jù)流量不斷增長的原因。所有這些因素共同造成了每個 BTS 或基站需要承擔更多的負載，在城市區(qū)域尤其如此。

隨著運營商部署長期演進 (LTE) 等 4G 技術(shù)，其工作負載還會進一步提高 —— 預計要支持超過 300Mbps 的峰值下載速度和超過 80Mbps 的峰值上傳速度。

另外，3G 調(diào)制解調(diào)器標準要求支持每個用戶的特定數(shù)據(jù)速率與服務質(zhì)量 (QoS) 要求。這種功能性會帶來各方面的 I/O、MIPS 與內(nèi)存需求。因此，在準備對現(xiàn)有片上系統(tǒng) (SoC)(如 TCI6488 等)進行編程或者開發(fā)一種新的片上系統(tǒng)(SoC)以支持當今多用戶 BTS 調(diào)制解調(diào)器時，軟件與系統(tǒng)設計人員會面臨多種挑戰(zhàn)并需要周全考慮設計事項。

從說明簡單調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)流程的圖 1 可以了解這些 SoC 執(zhí)行的任務。四種方框分別表示濾波器、解調(diào)、正向糾錯與拆包任務。此外，圖中還顯示了一個時延要求較低的控制通道和一個時延要求更寬松的數(shù)據(jù)通道。

圖1：基本 BTS 調(diào)制解調(diào)器模型。

典型嵌入式系統(tǒng)軟件的設計包括對軟件組件或任務的開發(fā)，這些軟件組件或任務運行于實時操作系統(tǒng) (RTOS) 上，而且為實現(xiàn)預期功能相互之間需要實時互動。設計人員一開始就必須決定每項任務是與用戶還是與功能相關(guān)。如果與用戶相關(guān)，則可能會執(zhí)行多個功能，但僅限于該用戶。如果與某個功能相關(guān)，則會對所有用戶執(zhí)行該功能。這種基本決策具有多方面影響：產(chǎn)生中斷的方式、任務切換頻率、軟件與所有外設的互動方式以及 SoC 的硬件加速等。

根據(jù)用戶分配任務

圖 2 說明，當根據(jù)用戶分配任務的系統(tǒng)中存在兩個用戶時將如何安排任務。利用標簽結(jié)尾的編號區(qū)分每個用戶，而每個標簽標明是長時延(慢)還是短時延(快)通道。

圖2：根據(jù)用戶進行的任務分配。

SoC 的內(nèi)核不知道同時存在多少個用戶，因此它必須：

• 在復位時預定義所需的最大任務數(shù);或者

• 隨著用戶在系統(tǒng)的出現(xiàn)而動態(tài)生成任務并在用戶退出系統(tǒng)時刪除任務。

每種技術(shù)各有優(yōu)劣。例如，對于預定義任務，即使它們未被使用，內(nèi)核也必須知道所需任務的最大數(shù)量并且維護這些任務的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如果內(nèi)核對每個任務的最差情況也維持完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(包括數(shù)據(jù)存儲需求)，則所帶來的挑戰(zhàn)是必須提供可支持所有用戶按最高數(shù)據(jù)速率運行時的足夠內(nèi)存。

一種解決方案是定義高速率和中等速率等多個任務級別，并且定義每個等級的具體數(shù)量。然后內(nèi)核可根據(jù)所需的用戶速率選擇任務類型。問題是用戶速率可能會改變，從而迫使內(nèi)核將所有狀態(tài)信息從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至另一種結(jié)構(gòu)。

因此，雖然可以針對所有任務預定義某些結(jié)構(gòu)，但其他結(jié)構(gòu)必須與任務動態(tài)關(guān)聯(lián)。在此情況下，內(nèi)存管理必須盡可能簡單，而且還得避免內(nèi)存碎片。

在用戶出現(xiàn)時可以動態(tài)生成任務及其方式，然后在用戶退出時刪除。這種方法很明確，但是缺點是在內(nèi)存中創(chuàng)建和刪除結(jié)構(gòu)時會產(chǎn)生開銷并且造成相關(guān)內(nèi)存管理問題。

在根據(jù)用戶分配任務時，任務數(shù)隨著用戶數(shù)的增加會成倍增長。在WCDMA 基站中，一顆芯片支持的 32～64 個用戶中的每一個都會需要數(shù)百個任務，這是巨大的工作負載。隨著任務數(shù)量的增加，每秒的任務切換次數(shù)也會相應增加。因此中斷程序和內(nèi)核會耗費更多時間，而用于有效工作的時間會更少。TI 相信，如果存在數(shù)十個用戶，那么基于用戶的任務組織工作會導致系統(tǒng)無法管理。