DSP内核+ARM核成为高性能实时应用首选_3
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  DSP 呈现五大发展趋势

  DSP的发展对于推动下一代产品创新有重要作用。未来,DSP将呈现出五大发展趋势。

  首先是DSP的集成,越来越多的器件需要内嵌DSP功能,实现形态包括采用DSP核或是硬件加速单元。而对DSP的需求则主要来自于实时算法的复杂程度在不断增加,以及定点算法转为浮点算法的趋势。至于为什么要转向浮点算法?陆磊表示主要有三方面原因:第一,许多算法需要更多的字长和更大的动态范围,这时候浮点比定点有天生的优势。第二,产品开发和上市时间在不断缩短,客户不希望花太多的时间做定点到浮点的转化工作,直接用浮点算法实现的话,可以加快产品上市。第三个原因是浮点处理器或者浮点算法的成本在不断下降,且和定点越来越接近。

  此外,越来越多的DSP都集成了ARM处理器,虽然目前看来,多数的ARM核在实现DSP的信号处理任务时,实时性能还比较有限,但集成ARM核却是未来的必然趋势。

  同时,DSP也需要越来越多的接口,例如PCIe、以太网等等,这些接口在ARM处理器平台比较完善,但是DSP传统上由于更注重算法性能,在接口方面不够丰富,未来会致力于满足各种连接的要求。

  第二个趋势就是低功耗。DSP并非运算性能越高越好,而是需要追求性能和功耗的平衡。例如很多应用场景中,系统的散热很重要,因此并不能一味追求主频高或多核,更多需要权衡功耗的需求。

  第三个趋势是DSP对于软件IP保护和安全网络连接的需求在不断增长。特别是在物联网时代,DSP需更加重视安全特性。

  第四和第五个大的趋势更多是来自于客户方面的需求,一方面客户要求产品尽快上市,另一方面则要求更高的可靠性和长期供货能力。由于产品迭代越来越快,客户需要管理的代码越来越多,与此同时,客户在系统集成、测试、调试方面也在面临较多的挑战,这都是DSP在未来的发展中需着重考虑的问题。

  双SHARC+内核加Cortex-A5,提升工业和实时音频处理性能

  基于上述趋势,ADI推出了新一代的SHARC处理器,主要面向工业和实时音频处理(包括工业音频和汽车、消费类音频)两大应用。相较于上一代产品,一个最显著的特点是它基于SHARC+的内核,性能比上一代SHARC核进一步提升了许多。该系列处理器共包括8款产品,ADSP-SC58x有5款,是基于双SHARC+内核和ARM Cortex-A5处理器的产品;ADSP-2158x有3款,不包括Cortex-A5,仅基于双SHARC+内核。

  ADSP-SC58x和ADSP-2158x系列在高温下的功耗不到2W,使新型处理器系列在能效上达到上一代产品的5倍以上,超过最强劲竞争处理器2倍以上。在散热管理对功耗形成限制,或者无法容忍成本高、可靠性低的风扇的应用中,这一优势可以带来行业领先的数字信号处理性能,具体应用包括汽车、消费级和专业级音响、多轴电机控制、能源分布系统等。

  ADSP-SC58x产品的FPU和Neon DSP扩展指令集可以应付额外的实时处理任务与管理外设,以便连接音频、工业闭环控制和工业检测应用中的时间关键型数据。这些接口包括千兆以太网接口(支持AVB和IEEE-1588)、高速USB接口、移动存储(包括SD/SDIO)、PCI Express和多种其他连接选项,可以打造出灵活而精简的系统设计。

ADSP-SC589处理器框图

  ADSP-2158x系列主要面向一般需要DSP协处理器的应用,包括两个SHARC+内核和DSP加速器,同时还带有与内核相匹配的一组外设。

  在软件知识产权保护日益成为业界一大安全顾虑的背景下,新一代的SHARC处理器同时还推出了ARM TrustZone安全功能以及一个板载的加密硬件加速器。对于可靠性至关重要的应用,可通过存储器奇偶校验和纠错硬件提高数据的完整性。

  之所以采用硬件加速单元,是因为需要支持FTI、iFFT、FIR、IIR,电力应用时需要做谐波分析,电机控制的时候做SINC滤波,这些运算量非常大,通过硬件加速可增强整体芯片的处理能力,以FFT性能来看可以支持最高18GFLOPS的浮点运算能力,相比较5.4G SHARC+的运算能力而言,速度能效是其10倍,功耗更低。此外,在进行加密运算的时候也会消耗很大的内存,如果也是采用SHARC+的处理器核心来做的话很不经济,用硬件加速的方式既能够实现安全性,同时也保证了整体的性能没有损失。

  单片处理器可应对多种应用需求

  据介绍,以往客户采用SHARC搭建系统时往往需要多颗芯片,通过Linkport构建DSP阵列。但是随着半导体技术的发展,客户对于系统的成本、体积、功耗等要求都在不断提高,因此集成化成为一个显著的发展趋势。如今通过双SHARC+内核与Cortex-A5集成的单芯片,同时采用低功耗的CMOS工艺,功耗可降低50%以上,BOM成本可降低33%以上,可节约60%的电路板面积。

  在汽车音频放大器中,单片ADSP-SC584处理器性能基本可满足系统要求。现在汽车中麦克风的应用越来越多,类似噪声抵消,就需要麦克风先采集噪声的来源,然后再做相应的数字信号处理。这其中需要很多的音频通道,包括喇叭和麦克风,另一方面需要很强的数字信号处理的能力。

  在专业音响数字混频器方面,专业音响有低、中、高端的划分,根据处理性能的不同,客户选择的处理器数量也不一样。对于很高端的专业音响数字混频器而言,需要MCU+DSP阵列来完成。因为运算量非常大,可以采用ADSP-SC589做处理器,如果需要进一步的性能拓展,可以通过linkport无缝连接ADSP-2158X。

  在工业电机控制方面,普通的电机控制可能需要一个比较小的ARM处理器就可以实现。但是对于比较高端的电机控制,比如磁阻的同步电机,不仅需要驱动电机,还需要一些运动控制的算法,这时候高性能的SHARC+就有用武之地了,如果还需要双轴、三轴的位置控制的运算,这时候还需要FFT硬件加速单元。

  由于工业以太网会是未来的一个趋势,实时的工业以太网会越来越多采用ADSP-SC58X系列处理器,由于有千兆以太网,而且支持1588同步的以太网,在进行工业控制的后端数据传输的时候,具备了实时性、高速性。同样,PCle和异步总线也可以扩展出更多的以太网,因为在某些应用环境下,客户其实需要更多的以太网来进行扩展系统,处理器具有很高的内部吞吐能力,所以在以太网扩展方面不会有瓶颈。

  开源操作系统是工业领域必然趋势

  ADSP-SC58X 和ADSP-2158X 的开发工具主要分为软件和硬件两个部分。软件部分集成开发工具CCES(CrossCore Eembedded Studio),其特点是实现了ARM和SHARC+调试环境的无缝集成,可以在同一个环境中同时调试SHARC+和ARM。硬件方面,ADI 推出了SC589 评估版,还有ICE-1000仿真器。

  越是复杂的处理器,用户对操作系统的要求也越高,因此ADI提供了两种操作系统供用户选择,一种是C/ OS2或C/ OS3,可以运行在ARM或SHARC+的核上面,特点是实时性非常好,是比较轻量的实时操作系统。另一个较复杂的操作系统是ucLinux,它提供整套基于ARM的操作系统,以及ARM的工具链。

  至于为什么采用开源的操作系统,而非在工业领域沿用多年的风河等知名的操作系统?陆磊表示,未来的工业领域,开源系统会更有前景。随着客户技术能力的提高,他们越来越期望能掌握更多的知识产权,在操作系统方面也是一样,他们希望能够完全自己掌握,而不是购买已有的系统。现在已有的客户比如电力监控、高端伺服驱动、马达控制方面,都已经开始选用开源的操作系统,这是未来的必然趋势。

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