DSP并行处理在剖面声纳系统

S320DM642是TI公司2004年推出的多媒体处理器，具有最高720MHz的主频，单片峰值处理能力为5 760MIPS，而且该芯片具有10M/100M以太网接口，可以方便地实现处理板间的网络数据互连，从而可以实现系统的并行数据处理。

图2中，左端DSP为从DSP，通过其自身网口与接收换能器内的数据转换网络连接，根据显示速度要求，接收转换后的信号数据，并存储到其外围的SDRAM中。当接收到一帧信号数据时转入并行处理程序，左右两片DSP采用流水线并行处理方式。

并行处理时左端DSP负责接收数据，右端主DSP通过HPI接口读取左端DSP的内部数据及外部SDRAM的数据，同时左右两端的DSP通过双端口FIFO进行数据交换、邮箱信息传递等。为了保证信号处理时左右两端DSP的负载平衡，系统将剖面声纳系统需要处理的任务进行划分：多波束剖面声纳信号处理需要将9路波束数据(每路7 500点16bit)进行FFT、频域波束形成、频域相关算法、IFFT、时域FIR滤波、时域加权压制旁瓣等算法处理。如果TI DSP所采用的指令，其"取指"、"分析"、"执行"三大操作步骤采用流水线工作流程，则可以利用多个任务在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套设备上的不同运算单元，来加快系统的计算速度，流水线的并行执行大大降低了整个系统任务的执行时间。为了保证两个DSP的负载平衡，使系统工作时流水线并行处理板能够真正地以流水线的形式并行处理剖面的数据，将每块并行处理板内任务进行了划分。系统单个DSP负载的划分如图3所示。

以1秒钟单板实现5帧数据显示为例，将系统任务细分成时间相等的几个子过程，分配给处理板各个部件流水执行。流水线的最大吞吐率取决于子过程所经过的时间，该时间越小，流水线的最大吞吐率越高。系统流水处理的时间-空间图如图4所示。

2.2 板间基于IP互连的并行处理

基于IP网路互连通路，本文设计了板间的基于IP互连的并行处理结构。

多波束剖面声纳系统的每块DSP处理板内部并行针对15ms的采集时间可以达到10帧/秒的数据处理速度，基本上可以达到显示需求。但如果系统要求更长的探测距离、更多的数据量和更高的显示帧率，则需要并行处理板具有更高的数据吞吐能力。如显示部分要求20帧/秒的显示速度时，就应当使系统的处理速度达到20帧/秒。普通的并行处理结构增加系统的处理单元时需要做大量的辅助工作，如电子系统的程序、逻辑以及电路板需要大量的改进，而基于IP互连的多波束剖面声纳系统的网络结构在增加系统的处理速度时，只需物理上增加一块相同的处理板，且板上的逻辑和程序无需太多修改，只需要修改板上对应的IP地址，使接收换能器数据发送端能够一点对二点分别发送分帧数据。而网络数据发送端只需在每一帧的数据包的包头上标明发往哪个IP地址即可。系统上电后，先检测局域网内的IP数目，并通过发包回包方式获得系统中各个处理板的IP地址，也可以实现在板上的程序中固定IP地址。这样数据发送端的网络设备就可以循环地将每一帧的数据发往不同的处理板，而系统的处理板分别处理每帧的数据再通过网络分别上传到水上主机端显示，从而线性地提高了系统的处理速度。

图5详细阐述了1～3块处理板组成的基于IP网络传输的并行处理板的系统处理流程。利用每块处理板上的两块TMS320 DM642的网络接口以及DSP的高速处理能力，能够很好地实现基于IP互连网络传输的并行处理，接收换能器的网络发送端以服务器形式向不同的IP地址发送每一帧数据，每块处理板接收的每帧数据分别处理后再由另一端口通过网络形式发送到水上主机端。为防止每块处理板上的两块DSP的网络IP混淆，采用相同的IP地址，数据上传时主机通过路由器接收不同处理板的处理结果，并按照帧率进行显示，这样就可以通过增加处理板来增加系统的显示处理速度。

基于DSP并行处理结构的多波束剖面声纳系统是利用剖面声纳从浅海、浅地层剖面结构分析到海洋石油管线探测以及从以往利用单波束剖面声纳到现在利用多波束剖面声纳的一次新的尝试，结合工程应用改进了声纳的技术指标，系统中提出的流水线并行处理结构以及基于IP网络互连的并行处理结构成倍地提高了系统的处理速度。系统调试结果表明，该系统软硬件结构设计合理、工作稳定、工作效果明显。

参考文献

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