語音／數(shù)據(jù)／媒體網(wǎng)絡(luò)時代需要的基礎(chǔ)設(shè)施DSP

語音／數(shù)據(jù)／媒體網(wǎng)絡(luò)的興起要求高性能與高速 IO 完美結(jié)合。本文將探討如何選擇可滿足上述要求的 DSP，提供低成本解決方案

多媒體內(nèi)容隨著總流量的增長而變得日益豐富，這為設(shè)備制造商帶來了前所未有的工程設(shè)計挑戰(zhàn)與機(jī)遇。他們必須制造出新一代能夠處理持續(xù)急速上升的匯聚流量的設(shè)備，該匯聚流量不同于過去主導(dǎo)基礎(chǔ)局端設(shè)計范例的語音與數(shù)據(jù)流量。

這種變革是上世紀(jì)70年代計算機(jī)革命以來的多重趨勢引發(fā)的。

● 從純語音流量到語音與數(shù)據(jù)流量的轉(zhuǎn)變。這一趨勢在數(shù)十年前就已開始了，現(xiàn)在仍在繼續(xù)。

● 多媒體流量，特別是流媒體，加入現(xiàn)有的語音與數(shù)據(jù)流量。電信運(yùn)營商轉(zhuǎn)向提供語音、視頻與數(shù)據(jù)服務(wù)的“三重播放業(yè)務(wù)”可充分證實這一發(fā)展趨勢。

● 從固定地址服務(wù)到家庭服務(wù)再到移動服務(wù)的演進(jìn)。有線基礎(chǔ)局端中從語音到數(shù)據(jù)再到媒體的演進(jìn)現(xiàn)在正在無線領(lǐng)域悄然進(jìn)行。

● 上述三個趨勢推動了另一趨勢的發(fā)展：從電路交換傳輸?shù)交跀?shù)據(jù)包的傳輸?shù)难葸M(jìn)，特別是對因特網(wǎng)協(xié)議（IP）流量。

在語音通信時代，電信信號處理無非是回聲消除、數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器的線路調(diào)節(jié)以及在交換電路上進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制／解調(diào)的信號處理。目前，對音頻、視頻和數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)字編碼／解碼以及壓縮／解壓縮的算法就有數(shù)十種之多。簡言之，電信基礎(chǔ)局端不僅僅是要處理更多的數(shù)據(jù)，而且要實現(xiàn)信號處理量的指數(shù)級增長以實時處理大量數(shù)據(jù)。

顯而易見，要實現(xiàn)信號處理量的指數(shù)級增長需要大幅提高性能。一種方法是僅加快數(shù)字信號處理器（DSP）的時鐘速度。但這種解決方案不是長久之計，主要原因如下：首先，芯片時鐘速度有限；其次，流量負(fù)載呈指數(shù)級而非線性增長，即使在最高時鐘速度下，也將很快無法滿足性能要求。另一個根本問題是基礎(chǔ)局端設(shè)備采用機(jī)架安裝，對尺寸和散熱都有嚴(yán)格的要求。在機(jī)架尺寸不變（縮小尺寸除外）的情況下，高時鐘速度帶來的高散熱最終也會使僅提高時鐘速度這一方法不可行。將來，電路板性能的提升會受到其功耗預(yù)算、樓宇的使用年限與位置以及安裝基礎(chǔ)局端設(shè)備的機(jī)架等的限制。

提高性能

電信設(shè)計工程師面臨著一個巨大的挑戰(zhàn)。他們必須在更小的板級空間內(nèi)提供更出色的性能、增加通道密度、處理日益多樣化的媒體陣列，同時保持通信的靈活性與低成本特性。

為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，DSP一直在改進(jìn)。從芯片設(shè)計人員的角度，這意味著要將上述趨勢轉(zhuǎn)化為特定的 IC 特性與架構(gòu)。

同時實現(xiàn)高性能與低功耗目標(biāo)的最佳策略是在低電壓芯片上采用優(yōu)化的處理引擎及高效 I/O 處理盡可能多的數(shù)據(jù)。

處理不斷增多的原始數(shù)據(jù)量要求極高的性能與高效的片上數(shù)據(jù)傳輸能力。從架構(gòu)上講，這可通過交換中心資源 (SCR) 連接處理元件（DSP CPU、DSP 外設(shè)、協(xié)處理器加速器以及內(nèi)部存儲器）得以實現(xiàn)，即具有主從單元的縱橫制架構(gòu)。例如，德州儀器的TMS320C6455 DSP 采用的就是這種架構(gòu)，如圖 1 所示。

圖1 TMS320C645x器件結(jié)構(gòu)圖

SCR左邊的任一主單元均可直接與 SCR 右邊的從單元相連。主單元包括 DSP 的 CPU、串行高速 IO (SRIO)、四個傳輸控制器 (TC)以及將三個主外設(shè)（PCI、HPI 與 EMAC）連接至 SCR 的縱橫制端口。從單元包括 DSP 存儲器、DDR 存儲器接口、Turbo 協(xié)處理器 (TCP)、Viterbi 協(xié)處理器 (VCP) 以及將多個外設(shè)連接至 SCR 的縱橫制端口。

這種架構(gòu)既快速又高效，因為 SCR 使主從單元之間實現(xiàn)了真正的同時數(shù)據(jù)傳輸。例如，PCI 至 DDR EMIF 的連接獨(dú)立于 PCI 166 至 DSP CPU 的連接。數(shù)據(jù)完全是并行傳輸。當(dāng)多個主單元訪問同一個從單元時，SCR 執(zhí)行判優(yōu)。同時系統(tǒng)設(shè)計人員可以通過對主單元的優(yōu)先級別進(jìn)行編程來施加某些控制。

架構(gòu)要求

在執(zhí)行算法時，CPU與存儲器之間的指令和數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要。在如圖2所示的 TMS320C6455 DSP的存儲器系統(tǒng)中，可通過使用256位寬的數(shù)據(jù)總線并在CPU與存儲器之間的內(nèi)部直接存儲器存取（DMA）架構(gòu)上創(chuàng)建兩層高速緩存來優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 TMS320C64x+內(nèi)部存儲器

另一個架構(gòu)要求是高效片上處理引擎。一種高效的方法是集成片上協(xié)處理器，以加速要求高性能的特定功能。例如，MS320C6455 DSP就集成了Viterbi協(xié)處理器（VCP）與Turbo協(xié)處理器 (TCP)，如圖1所示。

片上處理工作完成后，開發(fā)人員仍需將大量數(shù)據(jù)從芯片傳輸至電路板上，最終傳輸?shù)诫娦艂鬏斀橘|(zhì)上。顯然應(yīng)選擇高速IO，但考慮到上述的異構(gòu)架構(gòu)，確定哪種處理方法最佳就會變得復(fù)雜。

最佳解決方案是為片內(nèi)板級接口提供多種高性能IO接口。SRIO是異構(gòu)多處理器器件間通信的最佳選擇，因為其高吞吐消息傳遞方案可實現(xiàn)95%的帶寬利用率（4x 串行雙向鏈路可達(dá)10Gb/s）。

當(dāng)然，外部存儲器傳輸最好采用 32位DDR2存儲器控制器；同樣，連接片外器件最好采用66MHz的PCI總線；處理板上或板外IP流量的最好選擇1Gb/s以太網(wǎng)媒體接入控制器 (EMAC)；電信專用的通用測試與操作PHY接口則可充分滿足ATM (UTOPIA 2)連接的 需求。

雖然 DSP處理能力隨著具有更強(qiáng)并行能力以及其他高級特性的新架構(gòu)的推出而顯著提高，但電路板設(shè)計人員還可通過將多個DSP高效集成到單個電路板來獲取更明顯的改善。使用 SRIO 快速連接大大簡化了這項工作，因為從DSP軟件的角度，DSP之間的數(shù)據(jù)流處理與單個DSP內(nèi)的數(shù)據(jù)流處理并沒有很大的差異。

板級性能

在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，語音與數(shù)據(jù)流量是分開的，這導(dǎo)致了效率低下。隨著時間或其他一些影響流量配置的參數(shù)的變化，可能會出現(xiàn)處理能力與帶寬的閑置。利用新一代架構(gòu)，設(shè)計人員能夠設(shè)計出在單個器件上更高效處理所有流量的系統(tǒng)。

這種融合解決方案的范例之一是Surf公司的SurfRider產(chǎn)品系列。該產(chǎn)品系列針對可優(yōu)化的低成本電路板提供軟硬件，以滿足特定系統(tǒng)流量要求。

SurfRider/AMC可在單個電路板上集成多達(dá)8個DSP，并可實現(xiàn)高達(dá)10Gb/s吞吐能力。在單個高級電信計算架構(gòu) (ATCA)或MicroTCA機(jī)架上可安裝8個電路板。

發(fā)展無止境

通過在DSP內(nèi)部增加并行處理功能，并使用DSP、片外存儲器及其他組件之間的超高速互連，芯片設(shè)計人員可設(shè)計出新一代基礎(chǔ)局端電路板和網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)使電信營運(yùn)商不僅能夠同時提供三重播放業(yè)務(wù)服務(wù)，而且還可靈活適應(yīng)流量類型和負(fù)載的變化。

發(fā)展永無止境。過去數(shù)年的進(jìn)展令人難忘，不過不會止步于此。一些新的設(shè)計戰(zhàn)略已相當(dāng)明了，如集成更多片上協(xié)處理器和增加并行設(shè)計。但芯片和電路板設(shè)計人員也認(rèn)識到嵌入多個DSP的電路板的成本仍然不菲。

在單個芯片上集成多個DSP內(nèi)核的做法正在悄然興起。除了成本低于多個獨(dú)立封裝的DSP 外，多核DSP還具有其他優(yōu)勢。共享內(nèi)存的多個內(nèi)核可以在較低時鐘頻率和電壓下運(yùn)行，以降低每通道的功耗。這對多通道分組語音流量尤其適用，因為其要求的處理能力和內(nèi)存帶寬低于視頻要求。

多核還為蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施以及正在興起的WiMAX應(yīng)用帶來了獨(dú)特機(jī)遇。這是因為無線傳輸需要先進(jìn)的OFDM調(diào)制解調(diào)器。這類調(diào)制解調(diào)器的工作負(fù)載不僅要求多核DSP以更高速度運(yùn)行（1GHz，而VoIP MP為500MHz），而且還要求出色的硬件加速能力并具備如 Turbocore和Viterbi這樣的協(xié)處理器。功耗限制也會降低每芯片的內(nèi)核數(shù)量。

隨著電信行業(yè)邁入三重播放業(yè)務(wù)時代，其面臨著幾年前可能還無法解決的工程設(shè)計挑戰(zhàn)。對性能的要求無疑會繼續(xù)提高，但設(shè)計人員增強(qiáng)創(chuàng)新型DSP芯片性能的能力會隨著多核和基于DSP的SoC的興起而提高，使DSP能夠解決以前在系統(tǒng)性能、功耗、靈活性以及單通道價格等方面的難題。