0引言

當前信號處理領域內陣列信號處理技術正在迅速發展，各種新的算法及新的處理技術不斷出現，要求信號處理系統具有快速適應各種新算法和新技術的能力，采用傳統的基于專用硬件的設計方法所開發出來的信號處理系統無法滿足這樣的要求。開發具有通用性的計算平臺，盡可能通過軟件來實現信號處理功能，成為信號處理的新趨勢，“軟件雷達”、“軟件無線電”等概念都是基于這一思想。

通過靈活的軟件編程來適應算法的變化，通過簡單的硬件擴展來適應規模的變化，使系統的靈活性大大提高，研制周期、費用大為減少。要支持這種設計思路，必須研制出組成通用計算平臺的信號處理模塊，該模塊既能滿足系統實時處理需求，又具備通用性、可擴展性。

本文提出了一種基于TMS320C6701信號處理器的高性能信號處理模塊的設計方案，設計了具有一定通用性的并行信號處理模塊，該模塊具有高速互連接口，可以根據應用系統的需求構成不同的并行系統，完成各種信號處理任務。

1系統結構

隨著微電子技術的突飛猛進，處理器的速度不斷得以提高，但實際應用對于計算能力的需求還是遠遠超出了單個處理器可以提供的范圍，采用并行處理技術構成多處理器系統滿足需要較強計算能力的應用是一種行之有效的技術途徑。

并行處理的目的是通過采用多個處理單元同時對任務進行處理，加速整個計算的過程，從而減少任務的執行時間。整個任務可分解成一些小的任務，分別分配給并行處理系統中各個處理單元執行。一般而言，這些并行執行的任務都不能完全獨立執行，一個任務中的計算可能需要用到另一個任務中的數據，各處理單元之間存在進行數據交換的要求。因為交換數據而必須等待的時間，反映了處理單元之間的同步開銷。因此不難看出，并行處理額外增加了數據通信和同步等待等開銷。

為使任務執行時間減少增加處理單元個數成為首要手段，同時要將任務進行更細粒度的劃分以增加任務的并行度，但在增加處理單元和任務細粒度化的同時將帶來總通信量的增加，再加上同步時間和任務分配不均所造成的空等待時間開銷，增加處理單元的個數對增加系統處理能力得不償失。這使得在設計并行處理系統時必須著重考慮以下兩個方面：處理單元性能的提高以及處理單元間通信技術的改進。

1.1處理單元的選擇

在通信、語音、圖像處理中信號的動態范圍有限，一般采用定點運算就可以滿足要求，雷達、聲納信號需要較大的數據動態范圍和數據精度，若按定點處理會發生數據上溢出或下溢出，嚴重時處理將無法進行，如果使用移位定標或用定點模擬浮點運算，程序的執行速度將大大降低，為增強計算平臺的適用性，該通用信號處理平臺使用浮點處理器。

同樣的任務量，用高性能的處理單元構成的“小”規模系統，其效率要高于用較低性能的處理單元構成的“大”規模系統。并行處理單元的性能相當重要，它不僅包括運算速度，還包括存儲器帶寬、數據通信速度等，美國TI公司的TMS320C6000系列DSP是業界最高性能的通用可編程DSP，TMS320C6701又是該系列中性能較高的浮點處理器。該款DSP完全滿足設計的通用計算平臺對信號處理單元性能的要求，因此選擇TMS320C6701作為信號處理模塊的處理單元。

1.2通信網絡的設計

陣列信號處理必然是多個信號處理單元并行工作，子任務分配在并行處理系統的各個處理單元中，子任務間數據通信速度和同步時間等不僅取決于處理單元本身的通信速度，還取決于連接處理單元的通信互連網絡，通信鏈路豐富的復雜網絡往往能提供較高的數據通信速度，然而其設計和維護的難度要高得多。針對不同的實際應用，采用不同形式的通信網絡，可以降低通信網絡的復雜度。

在互連結構設計中，把整個并行信號處理系統的互連結構分為兩級：系統級互連結構、模塊級互連結構。

系統級互連結構主要用于模塊間的通信，該設計中系統級的控制網絡和信號處理網絡分別采用RaceWay及VME實現。模塊級互連結構主要指信號處理模塊內的網絡結構。信號處理模塊系統結構如圖1所示。

信號處理模塊內包含4個DSP，可提供4GFLOPS的峰值處理能力。模塊內采用共享總線互連結構。一般情況下，程序代碼和運算數據應存放于各DSP的片內RAM或局部存儲器中，這樣可以減少共享存儲器訪問次數，減少總線爭用，縮短存儲訪問延時。共享存儲器通常用來支持模塊內4個DSP之間交換數據，以及用來支持在模塊之間交換數據。

為了減少模塊內各個DSP爭用總線帶來的時延，提高DSP之間的通信能力，相鄰的DSP之間還通過雙向的FIFO連接，構成FIFO環。這種結構十分適合流水處理的應用，最大限度地減小了數據移動的開銷，提高了處理器間的通信速度。

流水處理以其簡單高效而被廣泛采用，但因為它只利用了任務時間上的并行性，而忽視了空間上的并行性，所以并行度不高，加速比受到限制。當流水線中某一段任務負載量大于其他段時，就會形成處理瓶頸而降低系統效率。因此，流水線往往和并發操作結合起來，即在流水線處理的基礎上，部分的利用空間并行性，稱為局部并行全局串行網絡。與之對應的是全局并行局部串行網絡，即先利用空間并行性再利用時間并行性，設計出并行工作的多條流水線。

該并行信號處理系統的信號處理模塊所采用的互連形式——共享總線和FIFO環的結構，能夠很好地適應流水處理的各種變形。