0 引言

    隨著技術(shù)的進(jìn)步，電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來越快。單純提高主頻來提升系統(tǒng)性能的方式已經(jīng)接近瓶頸，而使用多片處理器搭建系統(tǒng)又不符合產(chǎn)品的小型化要求。傳統(tǒng)的單核處理器已經(jīng)不能滿足日益增長的性能需求，能夠完成并行任務(wù)處理的多核處理器應(yīng)運(yùn)而生。現(xiàn)代多核處理器主要依靠增加核數(shù)而不是頻率來提升性能，同時(shí)芯片的高集成度也帶來了資源調(diào)度和功耗等問題。隨著多核處理器并行度的增加，各類同構(gòu)、異構(gòu)多核處理器的出現(xiàn)使得軟件開發(fā)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。如何在多核上高效地實(shí)現(xiàn)算法，如何合理地分配資源都是需要解決的問題。

1 多核DSP器件簡(jiǎn)介

    TMS320C6678是德州儀器公司(Texas Instruments，TI)在2010年推出的一款經(jīng)典的同構(gòu)多核數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）^[1]，包含8個(gè)DSP內(nèi)核，每個(gè)核在1.4 GHz的最高工作頻率下性能可達(dá)到22.4 G每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)(FLoating-point Operations Per Second，F(xiàn)LOPS)，支持Hyperlink等多種高速接口，可廣泛用于移動(dòng)通信、醫(yī)療電子、高性能計(jì)算等領(lǐng)域。

    核間通信（Inter Processor Communication，IPC）以及核與外設(shè)的通信是多核軟件開發(fā)的關(guān)鍵所在。針對(duì)這一需求，德州儀器公司在其新一代Keystone架構(gòu)的處理器上提供了多核導(dǎo)航器，包括硬件隊(duì)列管理器和基于包的直接存儲(chǔ)訪問（Direct Memory Address，DMA），以實(shí)現(xiàn)核間高速數(shù)據(jù)傳輸。使用多核導(dǎo)航器進(jìn)行核間通信，可以通過軟件對(duì)相應(yīng)的控制寄存器進(jìn)行讀寫和查詢實(shí)現(xiàn)，也可通過內(nèi)部硬件進(jìn)行事件觸發(fā)實(shí)現(xiàn)，這種方式可大大簡(jiǎn)化核間通信處理，但是仍存在缺點(diǎn)。一旦軟件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變，或者需要調(diào)整核的運(yùn)算負(fù)載來提升系統(tǒng)性能時(shí)，這部分工作量很大，而且應(yīng)用受限于廠商。

2 多核通信應(yīng)用程序接口概述

　　多核通信應(yīng)用程序接口MCAPI（Multicore Communications Application Program Interface）是由多核聯(lián)盟提出的基于消息傳遞的輕量級(jí)應(yīng)用程序接口標(biāo)準(zhǔn)^[2]，特別適用于嵌入式系統(tǒng)處理器核間通信和同步。MCAPI的應(yīng)用不受處理器核的數(shù)目、處理器架構(gòu)以及操作系統(tǒng)的限制，并且提供了源碼級(jí)的兼容性支持，可擴(kuò)展性很強(qiáng)。

    相對(duì)于普通的多片處理器間通信來說，多核處理器的核間通信普遍要求低延遲、高帶寬。大部分多核處理器都包含片上存儲(chǔ)器或高速緩存（cache）。為了避免出現(xiàn)計(jì)算瓶頸，核間通信需要減少不必要的存儲(chǔ)器訪問。

    MCAPI中定義了域(domain)、節(jié)點(diǎn)(node)、端點(diǎn)(endpoint)、通道(channel)等關(guān)鍵概念。域是依賴于具體實(shí)現(xiàn)的，既可以是具有多個(gè)處理器核的單個(gè)芯片，也可以是板上的多個(gè)處理器。節(jié)點(diǎn)可以是線程、處理器或硬件加速器等，通常可用處理器核作為節(jié)點(diǎn)。端點(diǎn)是類似于套接字的通信點(diǎn)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)通常包括多個(gè)端點(diǎn)。通道提供了一對(duì)端點(diǎn)之間的點(diǎn)到點(diǎn)的先入先出(First In First Out，F(xiàn)IFO)存儲(chǔ)器用于通信，方向?yàn)閱蜗虻摹?/p>

    此外，MCAPI定義了3種通信基本類型：消息、包通道和標(biāo)量通道。消息是最常用的通信類型，提供了端點(diǎn)之間收發(fā)數(shù)據(jù)的機(jī)制，支持優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，可用于同步、初始化和負(fù)載平衡，如圖1所示。包通道和標(biāo)量通道提供了輕量級(jí)的流通信機(jī)制，相應(yīng)的程序開銷很小。

3 基于Poly-Platform工具的多核軟件開發(fā)流程

3.1 Poly-Platform工具簡(jiǎn)介

    Poly-Platform是PolyCore公司提供的針對(duì)多核軟件開發(fā)的集成開發(fā)工具套件^[3]，包含Poly-Mapper、Poly-Generator、Poly-Messenger/MCAPI、Poly-Templates等功能模塊。采用該工具進(jìn)行開發(fā)可以基于MCAPI標(biāo)準(zhǔn)建立應(yīng)用程序節(jié)點(diǎn)，利用用戶圖形界面(Graphical User Interfaces，GUI)向?qū)ё詣?dòng)生成代碼，在幾乎不修改源代碼的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序在同構(gòu)多核、異構(gòu)多核、多處理器等不同平臺(tái)上的靈活配置和擴(kuò)展，不受限于廠商，應(yīng)用前景廣闊。

3.2 多核軟件開發(fā)流程

    將Poly-Platform軟件使用插件方式集成到Eclipse軟件環(huán)境中后會(huì)在TI的Code Composer Studio開發(fā)環(huán)境下出現(xiàn)相應(yīng)的菜單和選項(xiàng)，即可進(jìn)行基于Poly-Platform的多核軟件開發(fā)。這里選擇TMS320C6678多核DSP器件進(jìn)行開發(fā)，并且以8個(gè)DSP核之間依次相連并傳遞數(shù)據(jù)的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例描述開發(fā)流程。

    (1)建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。首先建立一個(gè)拓?fù)洌═opology）工程，拓?fù)渲饕枋隽藨?yīng)用程序在（多核）平臺(tái)上的映射關(guān)系。借助Poly-Mapper工具在建立工程后生成的拓?fù)溆成湮募羞M(jìn)行屬性設(shè)置，選擇處理器類型，設(shè)置節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為8（對(duì)應(yīng)8個(gè)DSP核），名稱分別為N0—N7，操作系統(tǒng)為TI的DSP專用操作系統(tǒng)。然后在拓?fù)鋱D中繪制8個(gè)節(jié)點(diǎn)，并在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中間繪制一條鏈路（link），得到環(huán)形結(jié)構(gòu)的8節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

    (2)建立內(nèi)存映射文件并分配資源。建立內(nèi)存映射文件并分配若干個(gè)段(section)，設(shè)置其起始地址、大小、方向等參數(shù)。這些段分別用于內(nèi)存訪問區(qū)域(Memory Access Regions，MARs)和鏈路（link）。其中內(nèi)存訪問區(qū)域包括一些常用的資源池（pool），如消息池、消息隊(duì)列池、數(shù)據(jù)池、等待池等，不同節(jié)點(diǎn)之間通過MARs共享資源可以提高資源利用效率，提升系統(tǒng)性能。鏈路即對(duì)應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖（見如圖2）中各節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路，

    (3)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中進(jìn)行內(nèi)存映射。針對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)（N0—N7），設(shè)置其可訪問的內(nèi)存訪問區(qū)域。然后，還需要對(duì)內(nèi)存訪問區(qū)域包含的每一個(gè)資源池進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如起始地址等。同樣地，對(duì)鏈路也需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

    (4)建立節(jié)點(diǎn)工程。這里與常規(guī)的DSP開發(fā)流程基本一致，針對(duì)8個(gè)節(jié)點(diǎn)（對(duì)應(yīng)處理器核）分別建立節(jié)點(diǎn)工程，然后需要將這8個(gè)節(jié)點(diǎn)工程與第一步建立的拓?fù)涔こ探⒂成潢P(guān)系。

    (5)編寫初始化代碼和配置文件。首先利用Poly-Generator工具將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化為基于拓?fù)涠x的C語言和相應(yīng)的頭文件，并存放到每個(gè)節(jié)點(diǎn)工程的工作目錄下。然后利用Poly-Template工具，按照軟件自帶的MCAPI模板，自動(dòng)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)工程生成節(jié)點(diǎn)初始化文件和硬件初始化文件。最后編寫TI專用的實(shí)時(shí)軟件組件(Real Time Software Component，RTSC)配置文件和用于存儲(chǔ)器分配的連接器命令文件。

    (6)編寫每個(gè)節(jié)點(diǎn)工程的主函數(shù)。主函數(shù)主要內(nèi)容包括調(diào)用節(jié)點(diǎn)初始化函數(shù)，硬件初始化函數(shù)，以及節(jié)點(diǎn)之間消息收發(fā)的函數(shù)（基于MCAPI）等。這些都可以利用Poly-Template工具提供的模板快速完成。圖3為用模板生成的代碼示例，其功能為N1節(jié)點(diǎn)接收消息，然后將其加1后再發(fā)送給N2節(jié)點(diǎn)。

    (7)編寫每個(gè)節(jié)點(diǎn)工程的應(yīng)用程序。將用戶的算法進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)并加入節(jié)點(diǎn)工程，這一步與常規(guī)的DSP開發(fā)流程完全一致。

    (8)建立目標(biāo)配置文件和RTSC平臺(tái)。首先建立用于仿真調(diào)試的目標(biāo)配置文件，然后建立RTSC平臺(tái)用于硬件配置，并將其加入節(jié)點(diǎn)工程。這些都是TI專用的文件。

    (9)編譯、調(diào)試、運(yùn)行。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)工程進(jìn)行編譯、調(diào)試、運(yùn)行，觀察程序運(yùn)行結(jié)果。注意不要編譯拓?fù)涔こ獭?/p>

    (10)程序性能分析和優(yōu)化。借助Poly-inspector工具提供的交互式報(bào)告環(huán)境，可以對(duì)多核軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行性能分析，方便用戶進(jìn)行程序優(yōu)化和調(diào)整。

4 某雷達(dá)信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)方案示例

    某雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)采用TI的TMS320C6678多核DSP為主處理芯片，功能為雷達(dá)導(dǎo)引頭主動(dòng)探測(cè)處理^[4]。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主從方式，核0為主控核，負(fù)責(zé)DSP內(nèi)部資源配置和初始化、自檢、波形參數(shù)控制、波門控制、對(duì)外接口控制等，核1、核2、核3分別負(fù)責(zé)和通道、方位差通道、俯仰差通道的脈壓數(shù)據(jù)相干積累、恒虛警檢測(cè)、測(cè)距等，其他核未使用，目前已完成軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。但是，現(xiàn)根據(jù)項(xiàng)目需要增加被動(dòng)信號(hào)處理功能和由此新增的部分對(duì)外接口，軟件架構(gòu)發(fā)生較大改變。此時(shí)如果仍舊采用傳統(tǒng)的DSP軟件開發(fā)方法，則軟件移植的工作量較大，特別是需要重新設(shè)計(jì)核間通信的代碼。而采用基于MCAPI的多核軟件開發(fā)方法^[5]并借助Poly-Platform軟件進(jìn)行開發(fā)，就可以保留原有的應(yīng)用程序不變，快速、靈活地生成新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并按照軟件模板快速生成符合標(biāo)準(zhǔn)的核間通信程序，代碼改動(dòng)量很小。采用方案為新增一個(gè)核4負(fù)責(zé)被動(dòng)信號(hào)處理，同時(shí)新增1個(gè)核5，負(fù)責(zé)新增的對(duì)外接口，以及核0負(fù)責(zé)原有的一部分工作，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算負(fù)載平衡，如圖4所示。在實(shí)際中根據(jù)需要還可快速地改為其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并進(jìn)行性能優(yōu)化，比如將主從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改為數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

    當(dāng)前計(jì)算環(huán)境變得越來越多元化，DSP、可編程邏輯器件（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）、圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）都具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，并適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。多核處理器是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，而高集成度的異構(gòu)多核處理器是未來的發(fā)展趨勢(shì)。基于多核的軟件開發(fā)始終是一個(gè)難點(diǎn)，給軟件開發(fā)人員帶來了巨大的挑戰(zhàn)。本文提出的基于MCAPI的多核軟件開發(fā)方法可應(yīng)用于同構(gòu)多核、異構(gòu)多核以及多處理器平臺(tái)，通用性較強(qiáng)，不受廠商、處理器、操作系統(tǒng)的限制，可幫助用戶簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程中的拓?fù)湓O(shè)計(jì)、運(yùn)算負(fù)載平衡以及核間通信和資源分配等工作，顯著地提升開發(fā)效率。

參考文獻(xiàn)

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[4] 楊康.基于多核DSP的彈載毫米波雙模制導(dǎo)雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．南京：南京航空航天大學(xué)，2013.

[5] ERIC G.Using MCAPI/MDMA for ADSP-SC58x Dual-SHARC Audio Talkthrough[Z].2015.