連續(xù)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)信號處理領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了評估。對于復(fù)雜、實(shí)時(shí)信號算是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員來講，最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是針對給定任何選擇一個(gè)最有效的處理器。因?yàn)樘幚砥餍室蕾囉趹?yīng)用，涉及到結(jié)構(gòu)和應(yīng)用等各個(gè)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(jià)處理器，往往誤導(dǎo)人們。因?yàn)樗谏w了許多依賴應(yīng)用并使實(shí)際性能下降因素；在不同的處理器上執(zhí)行應(yīng)用，然后評估每個(gè)處理器執(zhí)行的實(shí)際性能，這種方法費(fèi)用昂貴、花費(fèi)時(shí)間，不切合實(shí)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(jì)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(diǎn)，專門用于開發(fā)嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)，例如雷達(dá)、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(jì)算機(jī)最高性能的Ｇ４工作站；具有很高的時(shí)鐘頻率以及強(qiáng)大的ＡltiVec矢量處理引擎，在一些嵌入式信號處理應(yīng)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(shí)鐘速率與性能。PowerPC的核時(shí)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(gè)周期執(zhí)行單條指令，每１２８位向量包含４個(gè)獨(dú)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(dāng)執(zhí)行一次乘加(MAC)矢量運(yùn)算時(shí)，達(dá)到峰值處理能力，每周期可完成８次浮點(diǎn)操作。對于1GHz的MPC7455，峰值處理能力可達(dá)8000M次/s浮點(diǎn)運(yùn)算。AltiVec每周期能執(zhí)行８次整數(shù)或定點(diǎn)操作，峰值整數(shù)運(yùn)算能力為８０００ＭＯＰＳ（百萬次操作／s）。
相反，ＴigerSHARC有兩個(gè)獨(dú)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(gè)計(jì)算單元每周期能執(zhí)行一次乘法以及和差分運(yùn)算，對于300MHz ADSP-TS101S每周期完成６次浮點(diǎn)運(yùn)算或1800MFLOPS峰值運(yùn)算能力。當(dāng)執(zhí)行１６位數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)，TigerSHARC可以利用它的超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)，分離兩個(gè)獨(dú)立３２位計(jì)算單元成２個(gè)單獨(dú)的１６位SIMD單元，這樣每個(gè)操作在兩個(gè)數(shù)據(jù)單元，每個(gè)周期可以增加超過１２次的操作。另外，TigerSHARC有另外兩個(gè)專門的１６位整數(shù)引擎，每個(gè)周期可以增加超過１２次的操作，這樣每個(gè)周期共計(jì)２４次整數(shù)運(yùn)算，7200MOPS。
２ Ｉ／Ｏ帶寬與處理能力的比值
在許多信號處理的應(yīng)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(gè)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(gè)浮點(diǎn)操作能完成１Ｂ數(shù)據(jù)傳輸。一個(gè)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(diǎn)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(gè)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(qiáng)大，這種適宜的高帶寬不一定總能跟上核的速度。當(dāng)MPC7455執(zhí)行8000MFLOPS時(shí)，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(jì)算和相對低的數(shù)據(jù)流動(dòng)），但對連續(xù)的、高數(shù)據(jù)流動(dòng)、較少計(jì)算的連續(xù)信號處理，是低效率的。
TigerSHARC是為多處理器設(shè)計(jì)的，而且提供了６４位、100MHz共享系統(tǒng)總線以及４個(gè)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(jìn)行傳送，每個(gè)TigerSHRC提供總的I/O帶寬可達(dá)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(diǎn)復(fù)數(shù)FFT(cFFT)是評價(jià)信號處理性能使用最廣泛的基準(zhǔn)。原因如下：第一，清晰而且容易易化；第二，在大多數(shù)應(yīng)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(jì)算１０２４點(diǎn)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(shí)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(yùn)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(gè)１０２４點(diǎn)cFFT僅比TIgerSHARC快2.5倍。TigerSHARC在９７５０周期可以完成CFFT運(yùn)算，而PowerPC必須用１３０００個(gè)周期，因此，在執(zhí)行一個(gè)１０２４點(diǎn)CFFT時(shí)，TigerSHARC的計(jì)算效率比PowerPC高３３％。換句話說，如果以相同的時(shí)鐘頻率運(yùn)行，TIgerSHARC會超過PowerPC ３３％。隨著TigerSHARC時(shí)鐘速率繼續(xù)提升，考慮成本和功耗等問題，當(dāng)它執(zhí)行FFT信號處理應(yīng)用時(shí)，它的能力要顯明超過AltiVec。
４ 連續(xù)的cFFT
評價(jià)處理器能力時(shí)，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(gè)能真實(shí)反映實(shí)際應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，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(shí)輸入、處理、輸出。每個(gè)１０２４點(diǎn)cFFT需要８ＫＢ數(shù)據(jù)輸入（１０２４個(gè)樣本×２個(gè)樣
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