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FPGA/PLD  

評估用於系統單晶片整合的各種處理技術方案

上網時間: 2004年06月26日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:系統單晶片,微處理器,數位訊號處理器,現場可程式閘陣列,加速器,整合,衛星無線電,感覺音訊編碼器;System-on-a-Chip  SOC  microprocessor,DSP,FPGA,accelerator,integration,satellite radio,PAC 

具有多個處理單元的SoC元件目前是產品設計鏈上的重要一環。本文綜合各種因素評估了不同處理單元的優缺點,並透過衛星無線電接收器的設計實例幫助開發人員理解SoC所涉及處理任務之間的複雜平衡並有效掌握系統功能的劃分。

在準備開發目前越來越複雜的可攜式系統時,設計人員面對的最大挑戰之一就是採用什麼樣的處理器組合來實現最最佳化的‘3P’指標,即系統性能最高、價格最低及功耗最小。系統單晶片(SoC)整合使得今日的創新成為可能,但它常常涉及把不同的處理器單元結合在單一的元件之上。這些單元可以包括可程式功能,如通用微處理器(通常是RISC)、DSP、FPGA和加速器,而且還可能有固定功能的加速器。由於這些單元都可以專用元件形式獲得,因此對設計人員來說,在它們之中進行全面的性能評估,進而決定以最有效的方式組合使用它們,有可能是一項相當困難的工作。

處理單元的優缺點分析圖1:一種衛星無線電接收器架構。

在實現多核心處理器之前,在RISC和DSP之間進行挑選曾相對較為簡單。如果大量的系統處理工作和數據有關,那麼採用RISC,即使訊號處理會受些損失。如果大量的處理工作和訊號有關,那麼採用DSP,並力爭獲得差強人意的控制和數據處理性能。但對多核心整合而言,考慮到要添加其它處理單元,這類選擇變得非常複雜。正確的答案不完全是技術性的,而是要基於最佳化靈活性、便於使用、成本、功耗和性能多方面來考慮。

各種處理單元的基本優點和缺點概括在表1之中。通用RISC處理器專為數據處理而最佳化,很容易使用而且很靈活,其成本、功耗和性能都可接受。DSP為即時訊號而最佳化,它們處理即時訊號所需的功耗和成本通常比RISC低,不過,它們常常更難使用。

可程式加速器或半可程式處理器可設計用來數據或訊號處理。一個例子就是用於通訊系統的Viterbi處理器,對Viterbi編碼或解碼來說它是完全可程式的,但對任何其它功能來說毫無用處。就其功能而言,一個可程式加速器的成本、功耗總是比RISC或DSP要低,而性能要高,但從本質上講,它稍欠靈活、更難使用,而且對缺陷(bug)的容忍度低,不容易更改。

用於數據或訊號處理的固定功能加速器(一般為ASIC)只能完成一種特定的功能。固定功能加速器總是一種成本最低、功耗最低、性能最高的解決方案,但它們缺少任何程度的靈活性。一旦ASIC設計出來並除錯,到了系統開發人員手?,它會變得非常易用。但是其設計和除錯與可程式元件相較非常困難,而且以後不可能進行再編程。

劃分系統處理功能

儘管在各種處理單元之中做決定是一件複雜的工作,但有一個可行的選擇程式,就是把各種系統功能劃分到各種處理單元之中。把一個系統的處理需求映射到一個現有的多核心SoC之中,與藉由映射處理需求製作一個新多核心SoC有所不同。然而,其過程是類似的。

為了把該系統映射到一個現有的SoC之中,系統設計人員必須確定該系統方案以及它所針對市場的幾個細節。在這當中包括產品特性和演算法組件,以及添加特性和解決bug的策略,不管是在設計期間還是在整個產品壽命期內。一旦這些細節確定,系統功能必須確定成訊號或數據處理任務,隨後再分成三個性質不同的類:

明確並將保持不變的功能:這些功能包括離散餘弦變換(DCT)或快速傅立葉變換(FFT),它們將不會再有任何變化,而且已問世足夠長的時間,因此所有bug都已消除。這些功能使用固定功能加速器或最最佳化。

明確但會有一定變化的功能:這些功能有一定程度的靈活性。例如,儘管單一的FFT可以由一個ASIC來處理,但將多個相關的FFT重新組合成一系列實現方案的能力會需要一種可程式的加速器。

不確定且可變化的新功能:滿足這些需求的處理器單元是可程式的RISC、DSP和FPGA。雖然設計人員也許不知道這些不確定或新特性是什麼,但有必要測度應對預計需求所需的大致性能和記憶體。表1:各種處理單元比較。

當系統功能已經被分解成這三大類別時,系統可以映射到一個現有的SoC元件。整個程式分成以下步驟:


1.確定最終系統完整的特性和功能清單。如果可能的話,包括對新特性和功能的估計,它們可以在採用該SoC產品的壽命期內隨時加入。


2.把該特性和功能清單分成數據處理部份和訊號處理部份。


3.把每個清單(數據和訊號)中的功能分成三類:a.在產品的壽命期內明確並將保持不變的功能;b.在產品的壽命期內明確但允許某些變化的功能;c.不確定且可變化的新功能。


4.估計每個清單中每項所需的性能。


5.估計每個清單中每項所需的記憶體。


6.分配:a.適當的明確功能給可行的固定功能加速器;b.其餘的明確功能給可行的可程式加速器;c.不確定且可變化的新功能給適當的可程式元件(RISC用於數據處理,DSP用於訊號處理)。

最後一步的目標是盡可能多地利用加速器,並把靈活性和裕度留給可程式單元處理。顯然,對明確的、可有一些變化的和不確定功能的分配在一定程度上取決於相關SoC能提供什麼硬體。把一個系統映射到一個新的SoC,而不是一個現有的SoC,有可能會引起較長的產品規劃時間,所以該設計人員必須解決的問題將經常和一系列基於該新元件的產品有關。設計人員需要確定哪些演算法組件更好理解,沒有缺陷也不需要改變;還需要確定在整個設計期間或系列產品中,系統的哪些部份有可能改變。在涉及到功能分配(步驟6)時,一個新方案的設計人員可以非常肯定地將明確功能(步驟3的a)分配給固定功能單元,可有些變化的功能(步驟3的b)分配給可程式加速器,把不確定的、變化的新功能(步驟3的c分配給處理數據的RISC和處理訊號的DSP)。

SoC設計範例:衛星無線電

一個數位廣播衛星無線電接收器就是一個系統如何劃分並如何用一個現有SOC上不同處理單元來實現的很好例子。在美國,衛星無線電以S波段頻率2.3GHz來廣播,採用一個地面同步衛星提供海岸到海岸覆蓋。還有一些地面中繼器,它們可以在主衛星被阻斷時從另一個衛星接收訊號並傳播出去。所用的調變系統或者是QPSK(正交相移鍵控),或者是針對衛星的TDM(時分多址),這取決於廣播公司,而對地面站來說總是採用OFDM(正交頻分多址)。

衛星無線電的主要優點是它能夠向客戶提供數百條無靜電干擾的音訊和消息訊息通道。由於傳輸頻寬窄,衛星無線電依靠新的感覺音訊編碼器(PAC)演算法進行音訊壓縮和解壓縮。PAC的某些特性,如對訊息通道損傷有一定適應能力,使得它很適合廣播無線電應用。該音訊編碼利用人耳的一些特性,隱藏部份訊號失真,而且一旦該訊號數位化,剩下的冗餘透過無噪音編碼被除去。因其高壓縮率和優異品質,PAC音訊編碼已經成為一種事實上的衛星和數位無線電廣播標準。圖1顯示了一種衛星無線電接收器架構。

在訊號輸入端,衛星調諧器把2.3GHz載波轉換成基頻訊號,類比數位轉換器再將其數位化以便處理。隨後進行QPSK解調,訊號完成Viterbi解碼。一個編/解碼器與該系統的類比音訊輸入和輸出介面。一個FPGA提供介面邏輯以產生硬驅動和緊密型快閃記憶體所需的合適訊號。一個專用元件輸出NTSC視訊,這是串流視訊應用的一個高級特性。

在SoC中劃分功能

在這個例子中,系統的核心是一個雙處理器OMAP元件透過高性能和低功耗之間的平衡,這種150MHz的OMAP元件把一個DSP核心同一個加強型ARM925T表2:衛星無線電接收器系統劃分。 RISC處理器整合在一起。其它的特性包括一個SDRAM記憶體介面和許多週邊設備介面,它們同外部無線電基頻處理器和外部音訊編/解碼器相容。

因為OMAP元件設計用於同時處理多個多媒體任務,所以它很適合衛星無線電應用。一般來說,多媒體功能豐富的元件由許多音訊和視訊壓縮/解壓演算法組成,它們需要廣泛的數學運算。對這些運算來說,OMAP上的DSP比RISC更適合。比較這兩種處理器的標準測試程式有很多種,從一個演算法到另一個演算法變化很大,但平均而言,RISC完成相同訊號處理運算的周期數是DSP的三倍。由於RISC管理系統控制和數據任務一般比DSP更有效率,因此這兩種處理器的功能可以互補。

該DSP完成的主要訊號處理任務之一是:在衛星訊號阻斷因而系統切換到地面廣播時,對輸入進行OFDM解調。OFDM解調器需要執行FFT和反FFT演算法,這對運算密集型的DSP來說很合適。該DSP還解壓傳輸來的PAC編碼訊號,而ARM核心則對PAC數據進行解密。該DSP的其它功能包括為採用MP3或MPEG-1和layer 3的儲存設備編碼數據,為採用MP3的播放功能解碼數據。

該ARM核心管理來自調諧器和/或數據記憶體的流數據。它還完成語音合成、語音識別和控制/命令任務,並顯示顯示氣象資訊和駕駛方向的位圖。透過恰當地平衡各種處理負載,一個基於雙核心OMAP處理器的衛星無線電設計只佔用該處理器可用處理資源的一小部份,因而為實現增強的多媒體功能留有餘地,如虛擬3D音效、噪音消除等。表2顯示了這種系統劃分,它顯示了每個功能所用的處理單元類型。

衛星無線電接收器這個例子說明了在一個現有SoC元件上不同處理器單元之間劃分任務的好處。專門為這個應用研製SoC的設計人員也可以採用前面討論的步驟來明確劃分其它的處理功能,如Viterbi處理和音訊編解碼器,它們可以經濟地整合在該SoC之內。NTSC視訊解碼和其它高級特性無疑也可以考慮,因為該設計壽命期有可能貫穿許多接收器產品。除了系統級整合帶來元件減少的明顯優點之外,採用單一的SOC平台還為開發人員在軟體方面的投資帶來了極大益處,因為在整個產品線的壽命期內只需要很少的再開發工作。

本文小結

具有多個處理單元的SoC元件目前是產品設計鏈上的重要一環,尤其是對需要高度整合的可攜式系統,它們靠該元件提供混合數據和訊號處理功能。將一個特定系統和一個特定SoC匹配的決策並不總是由技術因素來推動。在許多情況下,它更多地與可用的資源有關,與系統需要的靈活度有關,與如何對付新功能和新缺陷有關。開發人員應該理解所涉及處理任務之間的複雜平衡,有效掌握劃分系統功能的程式,並能夠充分利用SoC所提供的巨大能力優勢。

作者:Gene Frantz


首席研究員


Thanh Tran博士


高級技術小組成員


德州儀器公司





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