基站調(diào)制解調(diào)器――為什么要現(xiàn)在選擇多核？

3G 無線技術(shù)可支持諸如視頻流等各種高帶寬應(yīng)用，從而能夠大幅提高收發(fā)器基站 (BTS) 的工作負(fù)載。事實(shí)上，流經(jīng)基站的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的日益提高已經(jīng)促使無線運(yùn)營(yíng)商不得不蜂擁開始回程擴(kuò)容。獨(dú)立分析公司 Heavy Reading 于 2006 年3 月發(fā)布的一份報(bào)告指出，“運(yùn)營(yíng)商一般根據(jù)每個(gè)蜂窩站點(diǎn) 2 條 T-1/E1 回程電路制訂最初的 HSDPA/EV-DO 部署計(jì)劃;但隨著容量擴(kuò)展，他們開始意識(shí)到需要多達(dá) 10 條此類電路。”

由于回程容量與用戶需求在同時(shí)增長(zhǎng)，無線運(yùn)營(yíng)商及其基礎(chǔ)局端供應(yīng)商也在想方設(shè)法確?；颈旧聿怀霈F(xiàn)瓶頸。為避免此類問題，移動(dòng)行業(yè)正在迅速向采用多核基帶處理器的基站調(diào)制解調(diào)器過渡。在無線基站領(lǐng)域之外，多核處理器用過去幾年時(shí)間就證明了自身在性能平衡與功率效率方面的價(jià)值，這一點(diǎn)可以說明為什么僅德州儀器 (TI) 一家公司的處理器出貨量就超過了 10 億?，F(xiàn)在人們不再對(duì)無線基站系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員開始采用它們而感到驚訝。

多核設(shè)計(jì)的一大關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)就是效率。多核設(shè)計(jì)可將任務(wù)分配至多個(gè)內(nèi)核，而不是為承擔(dān)附加工作負(fù)荷而單純提高單個(gè)處理器內(nèi)核的頻率。例如，如果系統(tǒng)需要數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 提供 3GHz 性能，多核設(shè)計(jì)可以在單個(gè) DSP 封裝中采用三個(gè)頻率為 1GHz 的內(nèi)核。

相比而言，如果為了滿足新型 BTS 的嚴(yán)苛要求而提高單核 DSP 的速度，則所需功率和產(chǎn)生的熱量會(huì)達(dá)到讓人無法承受的水平，而多核設(shè)計(jì)可以在無損性能的情況下避免這些缺陷。

此外，芯片制造商還可以通過開發(fā)高級(jí)的低功耗技術(shù)來進(jìn)一步提高多核 DPS 的功率效率。TI 的 Smart Reflex 技術(shù)就是一個(gè)很好的范例，其可以在保持規(guī)定器件性能的同時(shí)降低靜態(tài)與動(dòng)態(tài)功耗。Smart Reflex 技術(shù)可根據(jù)制造工藝考慮到器件專用的硅芯片特征以及熱參數(shù)等因素。這樣不僅可以有效降低 DSP 的功耗，同時(shí)還能保持性能目標(biāo) —— TI 的 TCI6488 基帶處理器(采用 Smart Reflex 技術(shù)的DSP 之一)目前達(dá)到 1GHz。

多核的另一種優(yōu)勢(shì)是能夠集成片上加速器來提高自身性能，進(jìn)而消除對(duì)附加 FPGA 或微處理器的需求，同時(shí)還能降低組件數(shù)與材料清單 (BOM) 成本。這種競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)也是多核設(shè)計(jì)能夠吸引系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員及其基礎(chǔ)局端客戶的原因所在。

新要求

對(duì)于大多數(shù)無線運(yùn)營(yíng)商而言，由于電子郵件、Web 瀏覽、音樂下載等數(shù)據(jù)應(yīng)用的廣泛普及，他們都面臨著數(shù)據(jù)流量快速增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)。此外，遙測(cè)、遠(yuǎn)程信息處理技術(shù)以及其它機(jī)器對(duì)機(jī)器 (M2M) 等應(yīng)用的更廣泛應(yīng)用也是數(shù)據(jù)流量不斷增長(zhǎng)的原因。所有這些因素共同造成了每個(gè) BTS 或基站需要承擔(dān)更多的負(fù)載，在城市區(qū)域尤其如此。

隨著運(yùn)營(yíng)商部署長(zhǎng)期演進(jìn) (LTE) 等 4G 技術(shù)，其工作負(fù)載還會(huì)進(jìn)一步提高 —— 預(yù)計(jì)要支持超過 300Mbps 的峰值下載速度和超過 80Mbps 的峰值上傳速度。

另外，3G 調(diào)制解調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)要求支持每個(gè)用戶的特定數(shù)據(jù)速率與服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 要求。這種功能性會(huì)帶來各方面的 I/O、MIPS 與內(nèi)存需求。因此，在準(zhǔn)備對(duì)現(xiàn)有片上系統(tǒng) (SoC)(如 TCI6488 等)進(jìn)行編程或者開發(fā)一種新的片上系統(tǒng)(SoC)以支持當(dāng)今多用戶 BTS 調(diào)制解調(diào)器時(shí)，軟件與系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員會(huì)面臨多種挑戰(zhàn)并需要周全考慮設(shè)計(jì)事項(xiàng)。

從說明簡(jiǎn)單調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)流程的圖 1 可以了解這些 SoC 執(zhí)行的任務(wù)。四種方框分別表示濾波器、解調(diào)、正向糾錯(cuò)與拆包任務(wù)。此外，圖中還顯示了一個(gè)時(shí)延要求較低的控制通道和一個(gè)時(shí)延要求更寬松的數(shù)據(jù)通道。

圖1：基本 BTS 調(diào)制解調(diào)器模型。

典型嵌入式系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)包括對(duì)軟件組件或任務(wù)的開發(fā)，這些軟件組件或任務(wù)運(yùn)行于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 上，而且為實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能相互之間需要實(shí)時(shí)互動(dòng)。設(shè)計(jì)人員一開始就必須決定每項(xiàng)任務(wù)是與用戶還是與功能相關(guān)。如果與用戶相關(guān)，則可能會(huì)執(zhí)行多個(gè)功能，但僅限于該用戶。如果與某個(gè)功能相關(guān)，則會(huì)對(duì)所有用戶執(zhí)行該功能。這種基本決策具有多方面影響：產(chǎn)生中斷的方式、任務(wù)切換頻率、軟件與所有外設(shè)的互動(dòng)方式以及 SoC 的硬件加速等。

根據(jù)用戶分配任務(wù)

圖 2 說明，當(dāng)根據(jù)用戶分配任務(wù)的系統(tǒng)中存在兩個(gè)用戶時(shí)將如何安排任務(wù)。利用標(biāo)簽結(jié)尾的編號(hào)區(qū)分每個(gè)用戶，而每個(gè)標(biāo)簽標(biāo)明是長(zhǎng)時(shí)延(慢)還是短時(shí)延(快)通道。

圖2：根據(jù)用戶進(jìn)行的任務(wù)分配。

SoC 的內(nèi)核不知道同時(shí)存在多少個(gè)用戶，因此它必須：

• 在復(fù)位時(shí)預(yù)定義所需的最大任務(wù)數(shù);或者

• 隨著用戶在系統(tǒng)的出現(xiàn)而動(dòng)態(tài)生成任務(wù)并在用戶退出系統(tǒng)時(shí)刪除任務(wù)。

每種技術(shù)各有優(yōu)劣。例如，對(duì)于預(yù)定義任務(wù)，即使它們未被使用，內(nèi)核也必須知道所需任務(wù)的最大數(shù)量并且維護(hù)這些任務(wù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如果內(nèi)核對(duì)每個(gè)任務(wù)的最差情況也維持完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求)，則所帶來的挑戰(zhàn)是必須提供可支持所有用戶按最高數(shù)據(jù)速率運(yùn)行時(shí)的足夠內(nèi)存。

一種解決方案是定義高速率和中等速率等多個(gè)任務(wù)級(jí)別，并且定義每個(gè)等級(jí)的具體數(shù)量。然后內(nèi)核可根據(jù)所需的用戶速率選擇任務(wù)類型。問題是用戶速率可能會(huì)改變，從而迫使內(nèi)核將所有狀態(tài)信息從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至另一種結(jié)構(gòu)。

因此，雖然可以針對(duì)所有任務(wù)預(yù)定義某些結(jié)構(gòu)，但其他結(jié)構(gòu)必須與任務(wù)動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。在此情況下，內(nèi)存管理必須盡可能簡(jiǎn)單，而且還得避免內(nèi)存碎片。

在用戶出現(xiàn)時(shí)可以動(dòng)態(tài)生成任務(wù)及其方式，然后在用戶退出時(shí)刪除。這種方法很明確，但是缺點(diǎn)是在內(nèi)存中創(chuàng)建和刪除結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)產(chǎn)生開銷并且造成相關(guān)內(nèi)存管理問題。

在根據(jù)用戶分配任務(wù)時(shí)，任務(wù)數(shù)隨著用戶數(shù)的增加會(huì)成倍增長(zhǎng)。在WCDMA 基站中，一顆芯片支持的 32～64 個(gè)用戶中的每一個(gè)都會(huì)需要數(shù)百個(gè)任務(wù)，這是巨大的工作負(fù)載。隨著任務(wù)數(shù)量的增加，每秒的任務(wù)切換次數(shù)也會(huì)相應(yīng)增加。因此中斷程序和內(nèi)核會(huì)耗費(fèi)更多時(shí)間，而用于有效工作的時(shí)間會(huì)更少。TI 相信，如果存在數(shù)十個(gè)用戶，那么基于用戶的任務(wù)組織工作會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法管理。