隨著數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal ProcESSor，DSP)技術(shù)的發(fā)展，DSP已被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信等領(lǐng)域。雖然DSP經(jīng)歷了幾代的發(fā)展，運(yùn)算速度和能力都有了很大的提高，但在很多情況下，單片DSP已經(jīng)不能滿足實(shí)時(shí)處理的要求，必須尋求多片DSP并行處理的方案。

    從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)可以將并行系統(tǒng)分為共享存儲(chǔ)器并行系統(tǒng)和分布存儲(chǔ)器并行系統(tǒng)。AD公司推出的SHARC系列DSP芯片同時(shí)支持這二種并行處理器結(jié)構(gòu)。通常，將AD公司的一系列雙位高性能浮點(diǎn)DSP稱為SHARC(Super Harvard Architecture)。對(duì)于共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)，通過SHARC間的外部共享總線實(shí)現(xiàn)。對(duì)于分布存儲(chǔ)器系統(tǒng)，通過2個(gè)SHARC間的鏈路口直接連接，實(shí)現(xiàn)DSP間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。

     然而，不能認(rèn)為將多個(gè)SHARC互相進(jìn)行硬件連接就實(shí)現(xiàn)了并行處理。真正的并行處理應(yīng)該是使互連的各個(gè)DSP能夠協(xié)調(diào)工作，縮短系統(tǒng)處理的時(shí)間。這需要并行系統(tǒng)中SHARC間能完成數(shù)據(jù)流的傳遞。并行系統(tǒng)中各個(gè)SHARC間數(shù)據(jù)流的傳遞同數(shù)據(jù)處理同等重要。本文針對(duì)這二種并行方式，分別給出了軟件的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)技巧，并且給出了針對(duì)ADSP2116X的程序?qū)崿F(xiàn)。

1 共享存儲(chǔ)器并行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    SHARC為多處理器系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的支持，用戶可以在不附加任何外圍電路的情況下構(gòu)成共享存儲(chǔ)器并行系統(tǒng)。SHARC具有一套巧妙的分布式總線仲裁機(jī)制。使用2～6片SHARC把各SHARC的相應(yīng)引腳相連就可以共享外部總線。每片SHARC都可以訪問其他SHARC的片內(nèi)存儲(chǔ)器，還可以通過設(shè)置IOP寄存器啟動(dòng)其他SHARC的DMA操作。

    組成共享存儲(chǔ)器并行系統(tǒng)時(shí)，每一個(gè)SHARC都有一個(gè)惟一的標(biāo)識(shí)：ID2～0，取值范圍為000～110。ID=001表示該SHARC為1號(hào)DSP，ID=010表示該SHARC為2號(hào)DSP，依此類推。ID=000表示是單DSP系統(tǒng)。在多DSP系統(tǒng)中，ID=001號(hào)的DSP是必須存在的，這是DSP加載成功以后的主處理器。

    在共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)中，任何時(shí)刻都只有一片SHARC可以驅(qū)動(dòng)外部總線，該SHARC就被稱為主處理器。其余的從SHARC如果需要訪問總線，則必須先申請(qǐng)總線。主處理器如果此時(shí)沒有數(shù)據(jù)傳遞或者總線占用時(shí)間到，就會(huì)釋放總線控制權(quán)，把自己的外部總線驅(qū)動(dòng)為三態(tài)，完成總線控制權(quán)的轉(zhuǎn)移。

    主處理器對(duì)從SHARC的內(nèi)存訪問和對(duì)自己的內(nèi)存訪問一樣簡(jiǎn)單，既可以通過內(nèi)核直接讀寫完成，也可以通過外部口DMA實(shí)現(xiàn)。在共享存儲(chǔ)器并行系統(tǒng)中，每一片SHARC根據(jù)自己的ID號(hào)都有一個(gè)映射的多處理器存儲(chǔ)空間。例如對(duì)于ADSP2116X，ID=001的SHARC對(duì)應(yīng)的多處理器存儲(chǔ)空間為0x100000～0x1F FFFF，ID=010的SHARC對(duì)應(yīng)的多處理器存儲(chǔ)器空間為0x20 0000～0x2F FFFF等。共享存儲(chǔ)系統(tǒng)的LDF文件與單DSP系統(tǒng)有些不同。下面給出它的一個(gè)示例(以2個(gè)SHARC為例)。

例1：共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)LDF文件。

ARCHITECTURE(ADSP-21160)

SEARCH_DIR(＄ADI_DSP211xxlib)

MPMEMORY{

DSP1{START(0X100000)}　　　　//第一片DSP在多處理

//器空間的映射地址

DSP2{START(0X200000)} }　　　//第二片DSP在多處理

//器空間的映射地址

MEMORY

{pm_rsTI { TYPE(PM RAM)START(0x00040004)END

(0x0004000f)WIDTH(48) }

pm_code { TYPE(PM RAM)START(0x00040100)END

(0x00049fff)WIDTH(48) }

dm_data { TYPE(DM RAM)START(0x00050000)END

(0x00059fff)WIDTH(32) } }

PROCESSOR DSP1

{LINK_AGAINST(DSP2.DXE)　　　　//需要重新連接的

//DSP2的目標(biāo)文件

OUTPUT(DSP1.DXE)　　　　　　　//DSP1輸出的目標(biāo)文件

……　　　　　　　　　　　　　//和單DSP系統(tǒng)相同，故略去，下同

}

PROCESSOR DSP2

{LINK_AGAINST(DSP1.DXE)　　　　//需要重新連接的

//DSP1的目標(biāo)文件

OUTPUT(DSP2.DXE)　　　　　　　　//DSP2輸出的目標(biāo)文件

……

}

這樣，這二片DSP便可以通過外部總線訪問對(duì)方的內(nèi)部資源。當(dāng)DSP1需要直接訪問DSP2中的某一變量時(shí)，只需要DSP2將該變量設(shè)置為global類型，DSP1就可以在多處理器空間中通過外部總線直接訪問該變量，當(dāng)然，也可以根據(jù)變量的內(nèi)存地址直接訪問。

在共享存儲(chǔ)器并行系統(tǒng)中，當(dāng)二個(gè)SHARC之間通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，如果此時(shí)其他的DSP需要訪問外部總線，則只有掛起等待。這樣，在多個(gè)DSP間數(shù)據(jù)交換比較頻繁時(shí)，系統(tǒng)的效率就會(huì)大大降低。另外，在共享存儲(chǔ)器并行系統(tǒng)中，最多只能有6個(gè)DSP互相連接。如果需要更多的DSP并行工作，共享存儲(chǔ)器并行系統(tǒng)便無能為力。采用以下介紹的分布存儲(chǔ)器并行系統(tǒng)，可以有效地解決這個(gè)問題。

2 分布存儲(chǔ)器并行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

ADSP2116X提供了獨(dú)立的6個(gè)鏈路口，每個(gè)鏈路口可以實(shí)現(xiàn)與其他ADSP2116X或者外圍設(shè)備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。每個(gè)鏈路口包括8位雙向數(shù)據(jù)線(LxDAT7~0)，1個(gè)雙向時(shí)鐘信號(hào)(LxCLK)，1個(gè)雙向確認(rèn)信號(hào)(LxACK)。但是，鏈路口沒有為發(fā)送和接收提供2套管腳，所以在任何時(shí)刻鏈路口只能工作在單工狀態(tài)。依靠鏈路口進(jìn)行雙DSP間的數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，只需要把2個(gè)DSP的10個(gè)管腳對(duì)應(yīng)連接即可，不需要任何外部附加邏輯。

在ADSP2116X內(nèi)部有6個(gè)鏈路緩沖器。用戶通過定義LAR寄存器，可以為每個(gè)鏈路口選擇一個(gè)或幾個(gè)緩存器。鏈路緩沖器一端與內(nèi)部總線相連，另一端通過LAR寄存器與不同的鏈路口相連。需要注意的是，鏈路口與鏈路緩存器是完全不同的概念。鏈路緩沖器可以理解為一個(gè)雙向的FIFO，而鏈路口僅僅代表其對(duì)外的10個(gè)管腳。鏈路口的特性很大程度上是由其正在使用的緩沖器的特性決定的。

ADSP2116X的鏈路口發(fā)送時(shí)鐘頻率可以通過LCTLx寄存器的LxCLKD位設(shè)置(1，1/2，1/3，1/4核時(shí)鐘頻率)，鏈路口數(shù)據(jù)線根據(jù)需要可以選擇為8位或4位。發(fā)送方在時(shí)鐘LxCLK的上升沿送出8/4位碼，接收方利用時(shí)鐘下降沿鎖存8/4位碼，并且接收方使LxACK有效，表示已準(zhǔn)備好接收下一個(gè)字。在每個(gè)字開始發(fā)送時(shí)，發(fā)送方如果看到LxACK無效，則將LxCLK保持為高，并等待LxACK有效后才開始發(fā)送新字。當(dāng)發(fā)送緩沖為空時(shí)，LxCLK將保持為低電平。

鏈路口數(shù)據(jù)傳輸可以通過DMA方式和內(nèi)核直接訪問二種方式。DMA方式傳輸時(shí)不需要內(nèi)核干預(yù)，在傳輸數(shù)據(jù)量比較大時(shí)效率很高，但是需要首先進(jìn)行DMA參數(shù)設(shè)置。當(dāng)僅有個(gè)別數(shù)據(jù)需要通過鏈路口傳遞的情況下，往往不使用DMA方式，而是通過ADSP2116X的內(nèi)核直接訪問。用戶可以通過LCOM寄存器中緩沖器的狀態(tài)來控制內(nèi)核對(duì)鏈路口緩沖進(jìn)行讀寫操作，也可以通過相應(yīng)的中斷從鏈路口緩沖器中讀寫數(shù)據(jù)，如“DM(LBUF0)=R0;”或者“R0=DM(LBUF0);”等。值得注意的是，無論是試圖從一個(gè)空的鏈路緩沖中讀，還是試圖向滿的緩沖中寫，內(nèi)核的指令都會(huì)掛起，直到操作成功為止。因此，內(nèi)核指令直接讀寫鏈路緩存時(shí)，需要首先判斷鏈路緩沖狀態(tài)。

ADSP2116X為每個(gè)鏈路口提供了一個(gè)專用的DMA通道，它們分別占用DMA中的4～9通道。鏈路口的DMA使用非常方便，只需將對(duì)應(yīng)的DMA參數(shù)寄存器(IIx，IMx，Cx)設(shè)置完畢，使能LCTLx中對(duì)應(yīng)通道的LxDEN即可。在當(dāng)前DMA結(jié)束(或者鏈?zhǔn)紻MA全部結(jié)束)后，會(huì)觸發(fā)一個(gè)可屏蔽中斷通知用戶。啟動(dòng)鏈路口DMA的順序如下：

(1)由LAR寄存器的AxLB為鏈路口分配一個(gè)LBUFx;

(2)由LCTL寄存器的LxEN使能這個(gè)LBUFx，并設(shè)置好LCTL控制寄存器;

(3)設(shè)置DMA參數(shù)(IIy，IMy，Cy);

(4)置位LCTL寄存器的LxDEN，就啟動(dòng)了DMA。

其中：x=0～5，y=4～9。

下面給出一個(gè)利用鏈路口DMA發(fā)送數(shù)據(jù)的示例。

例2：利用鏈路口0進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

.SECTION/dm dm_data;

.VAR trans_data[size];

.SECTION/pm pm_code：

……

r0=0x0002c688;

dm(LAR)=r0;

r9=0x00000229;　/*LBUF0使能、發(fā)送、8位字寬、核時(shí)鐘速率*/

dm(LCTL0)=r9;

r0=trans_data;

dm(II4)=r0;　　/*需要發(fā)送數(shù)據(jù)的起始地址*/

r0=1;

dm(IM4)=r0;

r0=size;

dm(C4)=r0;

ustat1=dm(LCTL0);

bit set ustat1 L0DEN;　　/*啟動(dòng)發(fā)送DMA*/

dm(LCTL0)=ustat1;

如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不在一段連續(xù)的內(nèi)存區(qū)，而是在多段數(shù)據(jù)塊中，可以利用鏈?zhǔn)紻MA。鏈?zhǔn)紻MA可以在當(dāng)前DMA操作結(jié)束后自動(dòng)重新配置當(dāng)前通道并開始新的DMA，所有這些操作都不需要內(nèi)核的干預(yù)。在鏈?zhǔn)紻MA過程中，用戶只要對(duì)DMA參數(shù)配置一次，就可以方便地完成多塊數(shù)據(jù)的DMA傳輸。

鏈?zhǔn)紻MA是通過CPx寄存器實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于ADSP2116X來說，CPx是一個(gè)19位的寄存器。寄存器中低18位表示相對(duì)于基地址0x40000的偏移量，用戶在這個(gè)地址的內(nèi)部存儲(chǔ)器中存放下一次DMA的參數(shù)，這些參數(shù)叫做TCB(Transfer Control Blocks)。CPx中的第19位是控制當(dāng)前鏈?zhǔn)紻MA完成后是否產(chǎn)生中斷的PCI位。如果把全局地址賦給CPx，則PCI位一定為1，表明一定會(huì)產(chǎn)生中斷。

用戶只需要在內(nèi)存區(qū)填寫多個(gè)TCB的表格，用其中的CPx字段將每個(gè)表格串起來并將第一個(gè)表格的結(jié)束地址放入CPx寄存器，就可以啟動(dòng)鏈?zhǔn)紻MA。要終止一個(gè)鏈?zhǔn)紻MA，只需要把最后一個(gè)TCB中的CPx字段填0即可。TCB結(jié)構(gòu)如圖1所示。

下面是建立一個(gè)鏈?zhǔn)紻MA的順序：

(1)在片內(nèi)存儲(chǔ)器中建立需要的TCB數(shù)據(jù)塊;

(2)設(shè)置DMA參數(shù)寄存器，使能相應(yīng)的LxDEN和LxCHEN;

(3)將第一個(gè)TCB的最后一個(gè)地址的偏移量寫入CPx寄存器中，即啟動(dòng)了鏈?zhǔn)紻MA。

鏈路口的數(shù)據(jù)傳遞可以依靠中斷。鏈路口中斷的產(chǎn)生有以下3種情況：

(1)DMA使能時(shí)，DMA完成后將產(chǎn)生一個(gè)可屏蔽中斷。

(2)DMA禁止時(shí)，發(fā)送時(shí)LxBUF非滿，接收時(shí)LxBUF非空。

(3)外部設(shè)備訪問一個(gè)未指定的鏈路口，或者訪問一個(gè)已指定但LBUF被禁止的鏈路口時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)鏈路服務(wù)請(qǐng)求(LSRQ)中斷，且所有的鏈路口公用一個(gè)中斷矢量。

前2種情況比較簡(jiǎn)單，只需要注意：ADSP2116X鏈路口的中斷屏蔽、鎖存與ADSP2106X不同，它從IRPTL/IMASK中分離出來，單獨(dú)存在于寄存器LIRPTL中，并且在IMASK中加了一個(gè)鏈路口中斷總開關(guān)LPISUMI。如果要使能某個(gè)鏈路口中斷，則需要設(shè)置3個(gè)控制位。例如使能L0BUF中斷，需要以下指令：“bit set imask LPISUMI;bit set lirptl LP0MSK;bit set mode1 IRPTEN;”。

對(duì)于上面的鏈路服務(wù)請(qǐng)求中斷(LSRQ)，在多SHARC通信時(shí)比較有效。通過該中斷可以實(shí)現(xiàn)使用同一個(gè)鏈路口完成接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，并且在2個(gè)SHARC一個(gè)主動(dòng)、另一個(gè)被動(dòng)的情況下不依靠外部邏輯實(shí)現(xiàn)2個(gè)鏈路口的數(shù)據(jù)傳遞同步。例如SHARC-1需要通過鏈路口向SHARC-2傳送數(shù)據(jù)，由于SHARC-1主動(dòng)發(fā)送，因此只需配置好DMA參數(shù)，啟動(dòng)DMA即可。但是對(duì)于SHARC-2，由于被動(dòng)接收，事先并不知道SHARC-1何時(shí)向自己發(fā)送數(shù)據(jù)，因此很難在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候啟動(dòng)DMA接收。通過LSRQ中斷，就可以很容易地解決這個(gè)問題。

首先將雙方的鏈路口設(shè)置為無效。當(dāng)SHARC-1需要向SHARC-2通信時(shí)(發(fā)送或接收)將自己的鏈路口設(shè)為有效，并根據(jù)需要從自己的鏈路緩沖中讀寫數(shù)據(jù)。由于鏈路通信協(xié)議規(guī)定：當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如果對(duì)方?jīng)]有響應(yīng)，則將LxCLK置為高電平，數(shù)據(jù)線保持不變;當(dāng)需要接收數(shù)據(jù)時(shí)，如果對(duì)方?jīng)]有響應(yīng)，則LxACK保持為高電平。這樣，SHARC-2就會(huì)觸發(fā)LSRQ中斷。由于LSRQ中斷的所有鏈路口公用一個(gè)中斷矢量，因此在中斷服務(wù)子程序中，首先需要判斷哪個(gè)鏈路口有服務(wù)請(qǐng)求，且要區(qū)分是發(fā)送還是接收請(qǐng)求，然后配置相應(yīng)的DMA參數(shù)，使能該鏈路口，從而在雙方之間建立一個(gè)單向的數(shù)據(jù)通路。雙方傳遞數(shù)據(jù)完成，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)如上文中鏈路口中斷情況(1)所示的中斷。在中斷服務(wù)程序中，仍然將各自的鏈路口設(shè)置為無效，等待下一次通信請(qǐng)求。下面給出一個(gè)利用LSRQ中斷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞的示例。

例3：配置L0BUF，利用LSRQ中斷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。

r0=0x0002c688;

dm(LAR)=r0;

ustat1=dm(LCTL0);

bit clr ustat1 L0EN;　　/*禁止鏈路緩沖0*/

dm(LCTL0)=ustat1;

ustat1=dm(LSRQ);

bit set ustat1 L0TM;　　/*鏈路0發(fā)送屏蔽*/

bit set ustat1 L0RM;　　/*鏈路0接收屏蔽*/

dm(LSRQ)=ustat1;

bit set imask LSRQI;　　/*使能LSRQ中斷*/

bit set mode1 IRPTEN;

……

上面的程序段可以放在主程序的開始。經(jīng)過以上的配置，就可以通過LSRQ中斷方便地實(shí)現(xiàn)與另一片SHARC的鏈路口通信(發(fā)送、接收)。另外需要注意的是，當(dāng)修改鏈路緩沖器的使能位LxEN時(shí)，必須將該中斷屏蔽(bit clr imask LSRQI)，否則有可能產(chǎn)生不可預(yù)料的LSRQ中斷。

3 結(jié)束語

采用共享存儲(chǔ)器并行系統(tǒng)和分布存儲(chǔ)器并行系統(tǒng)各有特色，結(jié)合這二種系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想更易于構(gòu)建并行處理系統(tǒng)。設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用子模塊結(jié)構(gòu)把這二者結(jié)合起來。子模塊內(nèi)部，采用共享存儲(chǔ)器和分布存儲(chǔ)器并存，各個(gè)SHARC間根據(jù)需要既可以通過總線傳送數(shù)據(jù)，又可以通過鏈路口傳送數(shù)據(jù)。子模塊之間采用分布式存儲(chǔ)器系統(tǒng)，通過鏈路口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。采用以上設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)有效的并行處理，使系統(tǒng)整體性能有很大的提高。