高性能實時應(yīng)用：DSP內(nèi)核+ARM核成首選

高速、高密集的數(shù)據(jù)處理需求不斷挑戰(zhàn)著DSP的性能極限，順應(yīng)這些需求，DSP未來將如何發(fā)展?日前，在與ADI工業(yè)部門市場經(jīng)理陸磊的交流中，筆者找到了些許答案。

DSP 呈現(xiàn)五大發(fā)展趨勢

陸磊認為，DSP的發(fā)展對于推動下一代產(chǎn)品創(chuàng)新有重要作用。未來，DSP將呈現(xiàn)出五大發(fā)展趨勢。

首先是DSP的集成，越來越多的器件需要內(nèi)嵌DSP功能，實現(xiàn)形態(tài)包括采用DSP核或是硬件加速單元。而對DSP的需求則主要來自于實時算法的復(fù)雜程度在不斷增加，以及定點算法轉(zhuǎn)為浮點算法的趨勢。至于為什么要轉(zhuǎn)向浮點算法?陸磊表示主要有三方面原因：第一，許多算法需要更多的字長和更大的動態(tài)范圍，這時候浮點比定點有天生的優(yōu)勢。第二，產(chǎn)品開發(fā)和上市時間在不斷縮短，客戶不希望花太多的時間做定點到浮點的轉(zhuǎn)化工作，直接用浮點算法實現(xiàn)的話，可以加快產(chǎn)品上市。第三個原因是浮點處理器或者浮點算法的成本在不斷下降，且和定點越來越接近。

此外，越來越多的DSP都集成了ARM處理器，雖然目前看來，多數(shù)的ARM核在實現(xiàn)DSP的信號處理任務(wù)時，實時性能還比較有限，但集成ARM核卻是未來的必然趨勢。

同時，DSP也需要越來越多的接口，例如PCIe、以太網(wǎng)等等，這些接口在ARM處理器平臺比較完善，但是DSP傳統(tǒng)上由于更注重算法性能，在接口方面不夠豐富，未來會致力于滿足各種連接的要求。

第二個趨勢就是低功耗。DSP并非運算性能越高越好，而是需要追求性能和功耗的平衡。例如很多應(yīng)用場景中，系統(tǒng)的散熱很重要，因此并不能一味追求主頻高或多核，更多需要權(quán)衡功耗的需求。

第三個趨勢是DSP對于軟件IP保護和安全網(wǎng)絡(luò)連接的需求在不斷增長。特別是在物聯(lián)網(wǎng)時代，DSP需更加重視安全特性。

第四和第五個大的趨勢更多是來自于客戶方面的需求，一方面客戶要求產(chǎn)品盡快上市，另一方面則要求更高的可靠性和長期供貨能力。由于產(chǎn)品迭代越來越快，客戶需要管理的代碼越來越多，與此同時，客戶在系統(tǒng)集成、測試、調(diào)試方面也在面臨較多的挑戰(zhàn)，這都是DSP在未來的發(fā)展中需著重考慮的問題。

雙SHARC+內(nèi)核加Cortex-A5，提升工業(yè)和實時音頻處理性能

基于上述趨勢，ADI推出了新一代的SHARC處理器，主要面向工業(yè)和實時音頻處理(包括工業(yè)音頻和汽車、消費類音頻)兩大應(yīng)用。相較于上一代產(chǎn)品，一個最顯著的特點是它基于SHARC+的內(nèi)核，性能比上一代SHARC核進一步提升了許多。該系列處理器共包括8款產(chǎn)品，ADSP-SC58x有5款，是基于雙SHARC+內(nèi)核和ARM Cortex-A5處理器的產(chǎn)品;ADSP-2158x有3款，不包括Cortex-A5，僅基于雙SHARC+內(nèi)核。

ADSP-SC58x和ADSP-2158x系列在高溫下的功耗不到2W，使新型處理器系列在能效上達到上一代產(chǎn)品的5倍以上，超過最強勁競爭處理器 2倍以上。在散熱管理對功耗形成限制，或者無法容忍成本高、可靠性低的風(fēng)扇的應(yīng)用中，這一優(yōu)勢可以帶來行業(yè)領(lǐng)先的數(shù)字信號處理性能，具體應(yīng)用包括汽車、消費級和專業(yè)級音響、多軸電機控制、能源分布系統(tǒng)等。

ADSP-SC58x產(chǎn)品的FPU和Neon DSP擴展指令集可以應(yīng)付額外的實時處理任務(wù)與管理外設(shè)，以便連接音頻、工業(yè)閉環(huán)控制和工業(yè)檢測應(yīng)用中的時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)。這些接口包括千兆以太網(wǎng)接口(支持AVB和IEEE-1588)、高速USB接口、移動存儲(包括SD/SDIO)、PCI Express和多種其他連接選項，可以打造出靈活而精簡的系統(tǒng)設(shè)計。

ADSP-SC589處理器框圖

ADSP-2158x系列主要面向一般需要DSP協(xié)處理器的應(yīng)用，包括兩個SHARC+內(nèi)核和DSP加速器，同時還帶有與內(nèi)核相匹配的一組外設(shè)。

在軟件知識產(chǎn)權(quán)保護日益成為業(yè)界一大安全顧慮的背景下，新一代的SHARC處理器同時還推出了ARM TrustZone安全功能以及一個板載的加密硬件加速器。對于可靠性至關(guān)重要的應(yīng)用，可通過存儲器奇偶校驗和糾錯硬件提高數(shù)據(jù)的完整性。

陸磊強調(diào)，之所以采用硬件加速單元，是因為需要支持FTI、iFFT、FIR、 IIR，電力應(yīng)用時需要做諧波分析，電機控制的時候做SINC濾波，這些運算量非常大，通過硬件加速可增強整體芯片的處理能力，以FFT性能來看可以支持最高18GFLOPS的浮點運算能力，相比較5.4G SHARC+的運算能力而言，速度能效是其10倍，功耗更低。此外，在進行加密運算的時候也會消耗很大的內(nèi)存，如果也是采用SHARC+的處理器核心來做的話很不經(jīng)濟，用硬件加速的方式既能夠?qū)崿F(xiàn)安全性，同時也保證了整體的性能沒有損失。

單片處理器可應(yīng)對多種應(yīng)用需求

據(jù)介紹，以往客戶采用SHARC搭建系統(tǒng)時往往需要多顆芯片，通過Linkport構(gòu)建DSP陣列。但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，客戶對于系統(tǒng)的成本、體積、功耗等要求都在不斷提高，因此集成化成為一個顯著的發(fā)展趨勢。如今通過雙SHARC+內(nèi)核與Cortex-A5集成的單芯片，同時采用低功耗的 CMOS工藝，功耗可降低50%以上，BOM成本可降低33%以上，可節(jié)約60%的電路板面積。

在汽車音頻放大器中，單片ADSP-SC584處理器性能基本可滿足系統(tǒng)要求。現(xiàn)在汽車中麥克風(fēng)的應(yīng)用越來越多，類似噪聲抵消，就需要麥克風(fēng)先采集噪聲的來源，然后再做相應(yīng)的數(shù)字信號處理。這其中需要很多的音頻通道，包括喇叭和麥克風(fēng)，另一方面需要很強的數(shù)字信號處理的能力。

在專業(yè)音響數(shù)字混頻器方面，專業(yè)音響有低、中、高端的劃分，根據(jù)處理性能的不同，客戶選擇的處理器數(shù)量也不一樣。對于很高端的專業(yè)音響數(shù)字混頻器而言，需要MCU+DSP陣列來完成。因為運算量非常大，可以采用ADSP-SC589做處理器，如果需要進一步的性能拓展，可以通過linkport無縫連接ADSP-2158X。

在工業(yè)電機控制方面，普通的電機控制可能需要一個比較小的ARM處理器就可以實現(xiàn)。但是對于比較高端的電機控制，比如磁阻的同步電機，不僅需要驅(qū)動電機，還需要一些運動控制的算法，這時候高性能的SHARC+就有用武之地了，如果還需要雙軸、三軸的位置控制的運算，這時候還需要FFT硬件加速單元。

由于工業(yè)以太網(wǎng)會是未來的一個趨勢，實時的工業(yè)以太網(wǎng)會越來越多采用ADSP-SC58X系列處理器，由于有千兆以太網(wǎng)，而且支持1588同步的以太網(wǎng)，在進行工業(yè)控制的后端數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候，具備了實時性、高速性。同樣，PCle和異步總線也可以擴展出更多的以太網(wǎng)，因為在某些應(yīng)用環(huán)境下，客戶其實需要更多的以太網(wǎng)來進行擴展系統(tǒng)，處理器具有很高的內(nèi)部吞吐能力，所以在以太網(wǎng)擴展方面不會有瓶頸。