连续实时信号处理器的性能分析

4 连续的cFFT

评价处理器能力时,通常考虑它的处理能力､I/O带宽,甚至算法的执行,但遗憾的是这些评估没有一个能真实反映实际应用｡实际应用时,这些因素往往相互影响｡数据必须按所希望的那样同时输入､处理､输出｡每个1024点cFFT需要8KB数据输入(1024个样本×2个样本/IQ对×4字节/样本
)和8KB数据输出,共16KB的数据流｡通过比较1024点cFFT基准与16KB乘积与处理器的I/O带宽,来决定是受限于处理器的计算能力还是I/O带宽｡

对于TigerSHARC,其准的倒数表示每秒钟能执行30 769次1024点cFFT,由于TIgerSHARC在后台能搬移所需要的数据,需要有504MB/s的数据流(30769/s×16KB),可以保证处理器的I/O带宽,因此TigerSHARC完全适合如此应用｡

对于MPC7410,1024点CFFT其准其实是误导｡因为它不能同时搬移数据和进行数据处理,而且在处理时间里,8KB的输入数据必须搬入高速缓存(cache),8KB的输出数据必须搬出的高速缓存(cache)｡搬移数据需要增加16.4μs的处理时间,执行1024点CFFT共需要38.4μs 的时间｡考虑到数据的租用移,1024点CFFT基准的倒数为1/38.4μs｡

然而对于MPC7455的情况不同,基准的倒数显示处理器内核每秒处理76 923次1024点CFFT,需要1260MB/s数据流量｡尽管PowerPC进行处理的同时能搬移数据,但它的峰值带宽仅为1064MB/s,因此在这一应用中带宽受到了限制｡假设它能连续保持峰值I/O带宽(cache管理和控制器瓶颈会明显减小I/O带宽,不在本文讨论管理),PMC7455每秒仅能执行64941次1024点cFFT(1064MB/s除16KB/1024点cFFT),明显比基准的倒数要小｡

5 板极应用

如上所述,目前可获得基于所有处理器cPCI和VME总线的COTS板｡然而,当与板级应用相联系时,会大大改变以上的评估结果｡

因为MPC7455带宽受限,板级的结构会增加I/O的限制,进一步恶化处理器连续CFFT的性能｡不考虑背板的数据流,对于PowerPC来讲,目前最好的I/O方式是两个64位/66MHz PMC,双528 MB/s PMC,可达到的数据流共1056MB/s｡这已经小于MPC7455的1064MB/s峰值I/O带宽｡实际上PMC达到连续､持续的吞吐率也是不可能的｡假设1056MB/s持续的I/O带宽,PowerPC板持续1024点cFFTs为每秒64453次(1056MB/s被16KB除)——不依赖于PowerPC的数量或速度｡

相反,TigerSHARC具有通过link口可扩展的I/O,图2所示为典型的4个TigerSHARC处理器的结构框图｡在此例子中,每个处理器必须共享一个簇总线带宽,每个处理器使用2个Link口作为处理器间的数据传输,每个TigerSHARC的其它2个Link被用做I/O｡这样每个处理器I/O总带宽就减少至700MB/s(Link口2×250MB/s+1/4×共享簇总线800MB/s)｡然而,对于每个处理器,在最大连续CFFT速率的情况下,TigerSHARC需要504MB/s的带宽｡虽然这一速率在TigerSHARC极限范围,但把连续的I/O分裂成Link口和簇总线也是不切合实际的做法｡实际上,对于连续CFFT的最大I/O数据率是500MHz,由每个TIgerSHARC的两个Link口提供｡很小带宽的限制降低了连续1024点cFFT的性能,每个TigerSHARC能处理30 517次｡TigerSHARC低功耗､小尺寸和功能的集成,目前可得到簇总线(8片TigerSHARC)6U cPCI板卡｡8片TigerSHARC每秒能执行244 135次连续1024点CFFT运算,几乎是理想PowerPC板卡的4倍｡



6 结论

我们讨论的各种COTS板的应用,代表了连续实时信号处理应用的实际性能｡对于其它因素的分析(如中断､开发环境､DMAs､存储器的利用､Cache管理､电源等)不在本文讨论范围｡如果应用系统需要大量的计算､比较少的数据搬移和所谓的后向数据处理,由于较高的时钟频率和强大的内核,PowerPC是理想的选择;反之,对于像成像､雷达､声纳和监听等应用的连续､实时信号处理,由于需要比较高的数据吞吐率,TigerSHARC应该是首选｡