为多处理器系统选择最佳设计方案

过去开发一个多处理器应用，可能只需要写下那些要求，核对一下那些大型DSP供应商所供应的器件的规格，然后选择最好的芯片就可以了。但时代已经变了，今天的工程师们有了更多的选择。大型FPGA供应商改进了他们的信号处理产品，而选择最佳方案则变得复杂。

在本文中，我们将探讨一下多处理器系统有什么可以利用的，以及如何在DSP、FPGA或者二者的混合方案之间作出最好的选择。我们将分别简单地讨论这两种芯片，但将主要内容更多地集中在系统级因素上。

对于高性能信号处理应用，当然还有除DSP和FPGA之外的其它选择。ASIC和ASSP都能很好地适用于某个特定的信号处理应用，但仅限于在大规模应用中，否则它们的高成本都会让它们无法成为优选。

已获认可的DSP方案

自从20世纪80年代被发明以来，DSP一直以合理的功耗和价格提供着优越的性能。对于很多基于不断快速改变的新兴标准的应用来说，DSP都很有吸引力。由于DSP算法可以很容易地以C语言等简单语言来执行，就能在标准发生变化时更容易地对代码进行更新来反映这种变化。

另外，很多用于最新无线标准等应用领域的信号处理算法的复杂本性，使之更适合利用DSP来执行：一个DSP设备可以通过呼叫一个不同的软件程序来更容易地改变处理算法。尽管现在的FPGA可以快速重配，但要在继续处理数据的情况下动态地实现这一点，则是非常复杂且很有挑战性的。

DSP在功耗方面也在不断改进。在手持设备市场的需求驱动下，一些下一代高性能DSP结合了功耗管理技术。这可以让整个系统的功耗在低数据量时得到降低，或者用来阻止过热。一个功耗和温度敏感型FPGA配置也能以相似的方式来管理其时钟域，但需要更多的开发工作。

但是，DSP并不特别适合并行处理：有些并行处理任务可能只需要一个FPGA，却会需要多个DSP。比如，在无线基带领域，对于WiMAX直角频分多路存取(OFDMA)通道的处理来说，一个纯DSP方案在所能处理的带宽和通道数量上无法匹敌一个FPGA方案。因此DSP方案就会产生过高的成本和功耗。

灵活的FPGA方案

FPGA相比于DSP有一个很大的优势：在并行应用中的效率－这是通过采用多个并行处理区块来实现的。FPGA拥有能让嵌入式系统设计者将设备和应用实现最完美匹配的灵活性，并能以每通道较低的成本达到最高的数据吞吐量。

FPGA虽然具有很高灵活性，但相比于硬接线式架构，它的门极数量和非优化型方案的硅面积增加，因而在功耗上产生了额外的成本。但是，65纳米技术和性能相当的ASIC技术在量产中的应用，让FPGA不仅能在实验室环境中降低功耗，还能在量产中也将功耗进一步降低。

尽管芯片层的功耗更高，但FPGA的通道平均功耗可以比DSP的低很多。DSP一般功耗只有3～4W，而FPGA的功耗为7～10W，但FPGA能处理相当于DSP的十倍的通道密度。

近几年来，人们对DSP优势的推崇已经转变成为将FPGA和DSP技术结合起来，比如Xilnx Virtex-5 SXT系列产品。这让FPGA能够结合DSP算法处理，执行原本非并行的任务。这样的"基于DSP"的FPGA在某些信号处理应用中已经显示出了巨大的吞吐量优势，这一点通过其在高端处理市场的成功就得到了很好的反映。但是，FPGA一般不适合处理连续有条件型数据流。

编程FPGA仍然很难，一般需要一种偏向硬件的语言，例如Verilog或VHDL。FPGA方案的代码会比DSP方案长出数倍，这样会增加开发成本，并延长上市时间。

基于C语言的合成工具还没有实现C编码式处理器方案的易用性和高性能。高级合成工具例如Simulink区块图合成目前还没有得到广泛应用，而老的FPGA合成方法仍然延续着，尤其是当需要最大性能时。

混合多处理器系统

从一个设计工程师的角度来讲，FPGA和DSP的同步开发让他们能够找到用于信号处理应用的更新更好的方案。关于FPGA和DSP哪个更好的问题并没有一个简单的答案，而对于很多应用来说一个混合式系统才是最好的选择。这个系统结合了两种技术来提供一个方案，而这样的方案要比二者单纯相加要更好一些。

图1展示了一个标准的刀片子系统，其中包括了4颗TI公司的DSP和1颗Xilinx的FPGA。除了在DSP和FPGA之间采用EMIF连接来实现最小过空的协处理，这个子系统还带有一个全Serial RapidIO (SRIO)架构，使其能够用于无线电数据发送，并可用作卡上和卡外两个设备间的一个低延迟直接内存存取。

图1：DSP/FPGA模块(AMC-D4F1)架构图

先进夹层卡（AMC）外形的可升级