多DSP系统技术研究

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摘要：随着dsp技术的发展，多DSP系统得到越来越广泛的应用，本文介绍了几种常用的多DSP系统结构，并分析了这些多DSP系统结构的特点和应用领域，为多DSP系统设计提供参考意见。

关键词：多DSP系统、并行处理；

中图分类号：F407.6文献标识码：A文章编号：

1、引言

随着数字技术的发展，对数字信号处理的要求也越来越高，特别是在国防科技领域，运算量大、处理流程复杂、实时性及与运算速率要求高，传统的以单个DSP构建的数字信号处理系统，已经难以满足数据处理的要求[1]。为此，在DSP中引入并行多处理器技术是必然趋势。

应用多个DSP设计成并行数据处理模块，多个模块间采用标准接口进行交互，为大型的数据处理系统提供了一种合适的解决方法[2]。

2、多DSP系统结构设计

多DSP系统可以按照需求灵活组成线型、并行、星型、环形、网格型或超立方型等多种结构，各个结构都有各自的特点和优缺点，选用什么体系结构都是根据应用需求而来的，不能一概而论。

对于线型结构，比较常用的是多个DSP串成一条流水线，如下图所示：

图2.1 线型结构

在线型结构中，每个DSP都从它的上一级接收数据，完成自己的处理，将处理结果发送给它的下一级，从最末一级DSP输出的数据就是最终结果了，线型结构比较简单，对于DSP之间的通信要求较低，最容易实现，因而应用较多。

另外一个应用较多的系统结构是并行结构，如下图所示：

图2.2 并行结构

并行结构中，DSP之间可以没有信息交互，DSP之间可以独立工作，系统中还会有一个控制芯片（通常会是FPGA），用于将数据发送给DSP，同时将DSP的处理结果进行综合。

网格型结构是一种扩展性和并行性都比较好的结构，如图2.4所示是一个4片DSP组成的一个网格型结构，而多个网格型结构组合，就可以组成如2.5所示的一个超级网格结构。

图2.3 网格型结构

图2.4 超级网格结构

3、线型结构性能分析

评价并行处理系统的关键的两个性能指标是：加速比和并行效率；而这两个指标取决于组成并行处理机的三个要素：处理单元、并行处理系统的网络结构、并行算法程序和任务分配方法[3]。

在线行结构中，我们有如下的评定公式：

（1）

（2）

其中：为系统的加速比； 为系统的效率；N为DSP的个数； 为每个DSP的任务处理时间； 为最长的任务处理时间； 为DSP间的通信时间。

从上面的公式分析来看，对于线型结构来说，影响系统的加速比和效率的影响因素主要为：1）执行时间最长的任务处理时间 ；2）通信量和任务运算量的比值。当运算任务在DSP上平均分配的时候（时），线型系统可以获得最佳加速比和效率：

（3）

（4）

从上述公式来看，线型结构的加速比始终小于1，也就是线型结构无法加快运行速度；当处理器增加后，会减小，此时会变大，系统的加速比和效率反而会降低，因而线型结构不适合DSP太多的情况。

综上所述，线型结构是一种不太适合多DSP系统的体系结构，这种结构无法加快系统的运行速度，而且系统无法进行容错性设计，当系统中有一个DSP不工作，整个系统都会崩溃；这种线行结构的好处是可以提高系统的吞吐量，系统的处理能力还是可以得到提高，而且由于系统结构相对简单，任务分解简单，是一种最基本的多DSP系统结构，应用于DSP个数不多，DSP外部接口资源不是很丰富的应用中。

4、并行结构性能分析

在并行结构中，我们有如下评定公式：

（5）

（6）

同样在并行结构中，当任务在DSP上平均分配的时候，系统也可以获得最佳加速比和效率：

（7）

（8）

从上述公式来看，并行结构可以获得很好的加速比，DSP个数N越多，系统的加速比越大，但是并行结构的加速比也不是能无限增加的，因为当DSP增多后，任务在多个DSP上平均分配会变得越来越困难，而且当DSP增加后，也会变大，这时DSP间通信所耗的时间在运算中所占比例增加，可能会出现DSP个数增加了，但是系统的加速比反而下降的情况。并行结构的系统效率和DSP的个数无关，与DSP的通信量和运算量的比值相关，通信的时间越长，系统的效率就越低。

并行结构除了有很好的加速比外，还可以进行很好的容错性设计，比如可以将所有的DSP分为两组，两组DSP做同样的运算，最后将运算结果进行综合比较选取合适的取值，这样当一组DSP出现问题无法工作时，可以使用另外一组DSP进行工作，系统的容错性就可以提高一倍，当然此时系统的加速比和效率也会下降一倍，但是对于某些重要系统中，这种效率的牺牲所带来的容错性提高是非常有必要的。

并行结构为了达到最好的效率，对系统的要求也会比较高，首先任务在各个DSP上的分解的越平均越好，不要出现某个DSP上任务处理时间过长，否则会拖累整个系统的效率低下；另外为了更好的并行效果，DSP最好有快速的外部接口以降低通信时间；同时并行系统的控制要求也比较高，系统控制的复杂性会增加，一般这种并行系统的DSP个数也不会太多，应用场合多在算法的运行时间比较确定而且好分解的场合。

5、网格型结构性能分析

在[3]中给出了网格型结构的性能评价公式：

（9）

（10）

其中r是每个处理单元上子任务的运算量和通信量之比；为处理单元利用通信口传送一个数据的时间；为处理单元完成一次总线存取所需时间。

可见网格型结构的加速比依然和系统的DSP个数N成线性关系，系统效率与个数N无关，但是与DSP间的通信时间相关。

而对于超级网格结构这种系统，两个非直接相连的DSP之间无法直接进行数据交互，但是他们之间数据交换的时间和其所经过的路径成正比关系，假设一个规则网络拓扑结构中平均路径为n，则可以得到超级网格结构系统的加速比公式[3]：

（11）

可以看到在这种情况下系统依然可以获得线性的加速比。

这种网格型结构或超级网格型结构是目前多DSP系统的重要研究方向，也是最有挑战性的研究领域。在这种大规模的并行处理系统中，可重构能力和容错能力及其重要，数据的传递采用路由算法并具备防死锁能力，在某个处理单元出错时，能将出错单元的子任务移到其它处理单元，路由算法则能决定数据在两个处理器单元之间通过网络传递。另外，为防止通信堵塞和预防死锁，还可以引入虚拟通道技术，这样可以有效利用网络资源，使得链路通道不会因为其中一条通道的堵塞而影响其它的通信进程[3]。

6、结束语

当前，并行数字信号处理系统已经广泛应用于军用和商用领域。随着人们对系统更快需求的增长，并行多DSP系统会变得更加普遍，在市场上充满商机，应用领域无可限量。

参考文献:

[1] 李蛟，杨进，邱兆坤，基于ADSP2TS201S 的多DSP并行数据处理系统设计[J]，现代电子技术，2010，19（15）：42-46.

[2]鲍华, 刘冠男, 一种多DSP的并行数据处理系统设计及其实现, 中国集成电路, 2012, 6:54-58.

[3]白军元, 贺占庄.高速通用DSP的并行技术.微电子学与计算机, 2003,4:32-38.