摘 要： 根據(jù)TMS320C6678芯片的特點,，針對核間、片間,、板間的通信要求,，提出了一種跨系統(tǒng)的透明傳輸模型及實現(xiàn)，并分析了傳輸性能,，對基于TMS320C6678的嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計提供了指導(dǎo),。
關(guān)鍵詞： TMS320C6678；多核通信,；平臺軟件
TMS320C6678是TI公司2010年11月發(fā)布的KeyStone架構(gòu)的8核DSP處理器,，每個CorePac核的頻率最高為1.25 GHz，提供強大的定點和浮點運算能力,，同時芯片內(nèi)部集成了Multicore Navigator,、RapidIO、千兆以太網(wǎng)和EDMA等外設(shè),，由于芯片處理能力強,，外設(shè)功能豐富，而且片內(nèi)集成了大量的硬件加速器,，例如Packet Accelerator,、Multicore Navigator等，被廣泛地應(yīng)用在通信,、雷達,、聲納、火控,、電子對抗等領(lǐng)域,。從目前的情況看，由于C6678的以上優(yōu)異的特性,，基于TMS320C6678的硬件和軟件平臺,，在未來的5~10年內(nèi)，將是信號處理平臺主流,。
雖然TMS320C6678硬件優(yōu)點眾多,，但由于芯片內(nèi)部集成了8核,，而且有大量的外設(shè)及加速器，通常每個板卡單位上有4個TMS320C6678,，相當(dāng)于32個DSP核,，按照一個機架4塊板卡的設(shè)計，這將是一個128個DSP核的陣列,，而且節(jié)點間的連接方式復(fù)雜,，如何簡單、高效,、易調(diào)試地實現(xiàn)128個分布式節(jié)點的通信,，為平臺軟件設(shè)計者提出了極高的要求。
針對基于TMS320C6678分布式系統(tǒng)的特點,，本文首先分析了TMS320C6678的硬件通信方式及設(shè)計難點,，進而提出了一種基于透明傳輸?shù)姆植际较到y(tǒng)通信方式及實現(xiàn)，最后通過實驗給出了性能分析,，為基于TMS320C6678的平臺軟件設(shè)計提供了參考,。
1 核間、DSP間和板間的傳輸方式
由于TMS320C6678芯片高度集成的特性,，片內(nèi)除了8個CorePac內(nèi)核外,，還集成了以太網(wǎng)、EDMA,、RapidIO,、PCIe以及Multicore Navigator、Packet Accelerator協(xié)處理器等外設(shè),。
在多個TMS320C6678的板卡設(shè)計中,，芯片內(nèi)的核間通信,，通常采用共享內(nèi)存或DMA實現(xiàn),，因為TMS320C6678中有專門用于數(shù)據(jù)搬移的協(xié)處理器Multicore Navigator，因此芯片內(nèi)的核間通信用基于硬件隊列協(xié)處理器的CDMA實現(xiàn),。特點是速度快,、效率高，缺點是編程復(fù)雜,，學(xué)習(xí)周期長,。
在雷達、聲納等應(yīng)用中,，一般在一塊DSP處理板上設(shè)計多個TMS320C6678處理器,，在一個機架上插多塊DSP處理板卡來承載大數(shù)據(jù)量的處理。對于板卡內(nèi)DSP間通信,，以前可能會經(jīng)常采用PCIe的設(shè)計,，但目前的主流設(shè)計,，傾向于采用RapidIO的通信方式，因為雖然PCIe有架構(gòu)簡單,、編程容易等特點,，但是PCIe一般只能用作設(shè)備內(nèi)的通信，而且對于復(fù)雜的陣列節(jié)點間的通信就力不從心,。因此RapidIO這種高效,、可靠、跨設(shè)備的傳輸方式被用作DSP間,、板間傳輸?shù)闹饕绞?。對于大?shù)據(jù)量的傳輸，一般會采用RapidIO type5,、RapidIO type6以及RapidIO type10,、RapidIO type2混合的模式。由于TMS320C6678支持千兆以太網(wǎng)傳輸,，在某些TMS320C6678陣列的板卡設(shè)計中,，例如Advantech DPS8901單板20個TMS320C6678的陣列，DSP間以及CPU和DSP間還會采用基于以太網(wǎng)的傳輸方式,。板卡通信示意圖如圖1所示,。
綜上，在一個板卡的軟,、硬件系統(tǒng)設(shè)計中,，單位節(jié)點之間交互有如此多的接口和通信路徑，使平臺軟件的設(shè)計和編程工作變得異常復(fù)雜,。比如節(jié)點A和節(jié)點B之間,，底層通過CDMA連接，節(jié)點B和節(jié)點C之間底層通過RapidIO通信,，如果沒有一種好的上層通信機制,，節(jié)點A向節(jié)點C發(fā)送數(shù)據(jù)，這一過程是非常繁瑣和復(fù)雜的,，如圖2所示,。
因此，為解決分布式系統(tǒng)節(jié)點的透明傳輸問題,，本文提出一種跨核,、跨處理器、跨板卡,、跨系統(tǒng)的透明傳輸機制LINX及軟件實現(xiàn),，下面將詳細闡述LINX模塊的機制和通信模式。
2 統(tǒng)一接口的分布式透明傳輸模式
針對TMS320C6678板卡設(shè)計中復(fù)雜的底層接口狀況，提出一種點對點的分布式系統(tǒng)節(jié)點間的透明傳輸模型,，稱之為LINX,。
這一分布式透明節(jié)點間傳輸模型應(yīng)具有以下特性。
?。?）統(tǒng)一接口,、使用簡便。從系統(tǒng)架構(gòu)的角度,，LINX設(shè)計為統(tǒng)一應(yīng)用程序接口的中間件模型,，即不管底層是何種傳輸介質(zhì)，例如SRIO,、以太網(wǎng),、CDMA等，對于應(yīng)用程序來說,，對于跨介質(zhì)傳輸,，均使用統(tǒng)一的接口函數(shù)。統(tǒng)一通信接口的好處是顯而易見的,，因為對于應(yīng)用程序開發(fā)者,，可以直接調(diào)用統(tǒng)一的接口，跨介質(zhì)進行數(shù)據(jù)的收發(fā),。
?。?）跨介質(zhì)傳輸。傳輸模型設(shè)計為分層架構(gòu),，不同的底層鏈路驅(qū)動按照一定的格式,，通過統(tǒng)一抽象的接口例如發(fā)送、接收,、初始化,、查詢、響應(yīng)中斷等基本接口,，與LINX中間件層對接,。對于跨多個節(jié)點的傳輸，提供簡單的鏈路定義及使用的方式,。
?。?）錯誤檢測,。具有基本的錯誤檢測功能,，當(dāng)LINX模塊檢測到底層鏈路錯誤時，應(yīng)及時上報給通信節(jié)點,。而且對于不可靠傳輸介質(zhì),，比如基于共享內(nèi)存的通信方式，還需要提供可靠傳輸保證,，例如用心跳機制的發(fā)送/應(yīng)答,，對不可靠的鏈路提供通信安全保證,。
根據(jù)以上特性，提出的LINX傳輸模型如圖3所示,。自下而上依次是驅(qū)動層,、傳輸層、會話層以及應(yīng)用程序接口,。
其中驅(qū)動層負責(zé)具體的驅(qū)動鏈路實現(xiàn),；傳輸層負責(zé)與驅(qū)動層接口，底層的監(jiān)控和檢測重傳,；會話層負責(zé)和傳輸層接口,，進行鏈路名管理、鏈路路徑的搜索并提供應(yīng)用程序接口,。
LINX采用點對點的傳輸模型,，如圖4所示。節(jié)點為TMS320C6678的CorePac核,，節(jié)點A與節(jié)點B之間通過CDMA驅(qū)動通信,，鏈路標識號為n1，那么節(jié)點A上的任務(wù)A給節(jié)點B上的任務(wù)B發(fā)送數(shù)據(jù),，可通過接口寫成Send（n1/B,，&data）。
同理,，節(jié)點A上的任務(wù)A通過節(jié)點B,，向節(jié)點C上的任務(wù)C發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過CDMA和RapidIO兩個鏈路,，分別標識為n1和n2,，那么可通過接口寫成Send（n1/n2/C，&data）,。
由此可見,，在TMS320C6678的陣列中，使用基于LINX中間件架構(gòu)構(gòu)建的分布式系統(tǒng)通信方式,，實現(xiàn)跨介質(zhì)的傳輸,，通信接口非常簡便。對于系統(tǒng)設(shè)計來說,，可達到各個節(jié)點間的無縫傳輸,。由于LINX是基于底層驅(qū)動的中間件管理模塊，在驅(qū)動之上會增加一些負載,，下面是LINX模塊的軟件實現(xiàn),，在TMS320C6678EVM開發(fā)板卡上所做的性能測試實驗，用以評估LINX模塊對傳輸性能的影響。
3 分布式透明傳輸模式的性能測試
由于RapidIO在多DSP及多板卡的集群設(shè)備中是最常用的一種接口,，因此以RapidIO為例測試LINX基于RapidIO傳輸在TMS320C6678上的性能,。
本測試基于標準TMS320C6678EVM開發(fā)板，測試采用OSEck硬實時操作系統(tǒng),，內(nèi)核代碼在L2 Memory上,，其他驅(qū)動、中間層LINX所使用的數(shù)據(jù)區(qū)以及應(yīng)用層所用的內(nèi)存池均位于片外的DDR3存儲器上,，測試的時間周期使用硬件定時器Timer 10（0x022A0000）測量,，TMS320C6678主頻為1 GHz，RapidIO配置為5 Gb/s,、4x模式,，采用DirectIO（SRIO type5/6）方式通信。
TMS320C6678核0發(fā)送數(shù)據(jù),，核1接收數(shù)據(jù),，1核在收到之后向0核回送，每次測試一個回環(huán)耗時,，測試連續(xù)進行n次,，由發(fā)送端設(shè)置時間戳進行連續(xù)統(tǒng)計測試，統(tǒng)計單位1 cycle等于1 ns,，如表1所示,。
其中，總耗時為測試n次之后的單向傳輸耗時,；測試次數(shù)為總的測試次數(shù),；每次耗時為每次單向發(fā)送數(shù)據(jù)時，從任務(wù)發(fā)出數(shù)據(jù)到對方節(jié)點收到數(shù)據(jù)所消耗的時間,；消息大小為發(fā)送數(shù)據(jù)塊的大?。籘hroughput為傳輸帶寬,。Throughput的計算公式為（消息大小/（總耗時/測試次數(shù)））×1 000 000 000×8（單位bit/s）,。
按照理論計算，RapidIO 5 Gb/s模式下的去除8 b/10 b編碼后的理論有效帶寬是4 Gb/s,，然后還要去除驅(qū)動,、中間層及應(yīng)用層的系統(tǒng)開銷，最終的實際有效帶寬不超過理論有效帶寬的80%,。
從測試結(jié)果看,，在采用LINX中間件架構(gòu)構(gòu)建的分布式系統(tǒng)通信方式下，傳輸帶寬隨發(fā)送的數(shù)據(jù)增大而增大,，由于TMS320C6678的RapidIO傳輸硬件限制,，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包最大不超過1 MB。一般采用RapidIO傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是比較大的,，典型情況下在傳輸大于4 KB的數(shù)據(jù)時,，帶寬趨向穩(wěn)定，結(jié)果接近于有效實際帶寬,。
因此,，采用LINX中間件架構(gòu)構(gòu)建的分布式系統(tǒng)，在使用簡便,、跨介質(zhì)傳輸和有效錯誤檢測等優(yōu)點特性的基礎(chǔ)上,，在大數(shù)據(jù)量的傳輸模式下，性能接近于直接驅(qū)動模式,。
目前TMS320C6678芯片被越來越廣泛地使用在通信,、雷達、聲納,、電子對抗等領(lǐng)域,，由于系統(tǒng)設(shè)計日益復(fù)雜，通信接口多樣,，需要分布式的透明傳輸中間件模塊,，把系統(tǒng)中幾十個乃至上百個TMS320C6678內(nèi)核節(jié)點無縫連接起來。針對TMS320C6678核間,、片間,、板間的通信要求，本文提出了一種稱為LINX的分布式系統(tǒng)節(jié)點間的透明傳輸模型,，提供了實現(xiàn)方法及性能測試數(shù)據(jù),，為基于TMS320C6678芯片的系統(tǒng)軟件設(shè)計提供了參考。
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