DSP内核+ARM核成为高性能实时应用首选

高速、高密集的数据处理需求不断挑战着DSP的性能极限，顺应这些需求，DSP未来将如何发展？日前，在与ADI工业部门市场经理陆磊的交流中，笔者找到了些许答案。

DSP 呈现五大发展趋势

陆磊认为，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。

陆磊强调，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。



陆磊强调，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μC/ OS2或μC/ 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。