0 引言

    隨著技術(shù)的進(jìn)步,，電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來越快,。單純提高主頻來提升系統(tǒng)性能的方式已經(jīng)接近瓶頸，而使用多片處理器搭建系統(tǒng)又不符合產(chǎn)品的小型化要求,。傳統(tǒng)的單核處理器已經(jīng)不能滿足日益增長的性能需求,，能夠完成并行任務(wù)處理的多核處理器應(yīng)運(yùn)而生。現(xiàn)代多核處理器主要依靠增加核數(shù)而不是頻率來提升性能,，同時(shí)芯片的高集成度也帶來了資源調(diào)度和功耗等問題,。隨著多核處理器并行度的增加，各類同構(gòu),、異構(gòu)多核處理器的出現(xiàn)使得軟件開發(fā)面臨著巨大的挑戰(zhàn),。如何在多核上高效地實(shí)現(xiàn)算法，如何合理地分配資源都是需要解決的問題,。

1 多核DSP器件簡介

    TMS320C6678是德州儀器公司(Texas Instruments,，TI)在2010年推出的一款經(jīng)典的同構(gòu)多核數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）^[1],，包含8個DSP內(nèi)核,，每個核在1.4 GHz的最高工作頻率下性能可達(dá)到22.4 G每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)(FLoating-point Operations Per Second，F(xiàn)LOPS),，支持Hyperlink等多種高速接口,，可廣泛用于移動通信、醫(yī)療電子,、高性能計(jì)算等領(lǐng)域,。

    核間通信（Inter Processor Communication，IPC）以及核與外設(shè)的通信是多核軟件開發(fā)的關(guān)鍵所在,。針對這一需求,，德州儀器公司在其新一代Keystone架構(gòu)的處理器上提供了多核導(dǎo)航器，包括硬件隊(duì)列管理器和基于包的直接存儲訪問（Direct Memory Address,，DMA）,，以實(shí)現(xiàn)核間高速數(shù)據(jù)傳輸。使用多核導(dǎo)航器進(jìn)行核間通信,，可以通過軟件對相應(yīng)的控制寄存器進(jìn)行讀寫和查詢實(shí)現(xiàn),，也可通過內(nèi)部硬件進(jìn)行事件觸發(fā)實(shí)現(xiàn)，這種方式可大大簡化核間通信處理,，但是仍存在缺點(diǎn),。一旦軟件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變，或者需要調(diào)整核的運(yùn)算負(fù)載來提升系統(tǒng)性能時(shí),，這部分工作量很大,，而且應(yīng)用受限于廠商,。

2 多核通信應(yīng)用程序接口概述

　　多核通信應(yīng)用程序接口MCAPI（Multicore Communications Application Program Interface）是由多核聯(lián)盟提出的基于消息傳遞的輕量級應(yīng)用程序接口標(biāo)準(zhǔn)^[2]，特別適用于嵌入式系統(tǒng)處理器核間通信和同步,。MCAPI的應(yīng)用不受處理器核的數(shù)目,、處理器架構(gòu)以及操作系統(tǒng)的限制，并且提供了源碼級的兼容性支持,，可擴(kuò)展性很強(qiáng),。

    相對于普通的多片處理器間通信來說，多核處理器的核間通信普遍要求低延遲,、高帶寬,。大部分多核處理器都包含片上存儲器或高速緩存（cache）。為了避免出現(xiàn)計(jì)算瓶頸,，核間通信需要減少不必要的存儲器訪問,。

    MCAPI中定義了域(domain)、節(jié)點(diǎn)(node),、端點(diǎn)(endpoint),、通道(channel)等關(guān)鍵概念。域是依賴于具體實(shí)現(xiàn)的,，既可以是具有多個處理器核的單個芯片,，也可以是板上的多個處理器。節(jié)點(diǎn)可以是線程,、處理器或硬件加速器等,，通常可用處理器核作為節(jié)點(diǎn),。端點(diǎn)是類似于套接字的通信點(diǎn)，一個節(jié)點(diǎn)通常包括多個端點(diǎn),。通道提供了一對端點(diǎn)之間的點(diǎn)到點(diǎn)的先入先出(First In First Out,，F(xiàn)IFO)存儲器用于通信，方向?yàn)閱蜗虻摹?/p>

    此外,，MCAPI定義了3種通信基本類型：消息,、包通道和標(biāo)量通道。消息是最常用的通信類型,，提供了端點(diǎn)之間收發(fā)數(shù)據(jù)的機(jī)制,，支持優(yōu)先級動態(tài)調(diào)整，可用于同步,、初始化和負(fù)載平衡,，如圖1所示。包通道和標(biāo)量通道提供了輕量級的流通信機(jī)制,，相應(yīng)的程序開銷很小,。

3 基于Poly-Platform工具的多核軟件開發(fā)流程

3.1 Poly-Platform工具簡介

    Poly-Platform是PolyCore公司提供的針對多核軟件開發(fā)的集成開發(fā)工具套件^[3],，包含Poly-Mapper、Poly-Generator,、Poly-Messenger/MCAPI,、Poly-Templates等功能模塊。采用該工具進(jìn)行開發(fā)可以基于MCAPI標(biāo)準(zhǔn)建立應(yīng)用程序節(jié)點(diǎn),，利用用戶圖形界面(Graphical User Interfaces,，GUI)向?qū)ё詣由纱a，在幾乎不修改源代碼的基礎(chǔ)上,，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序在同構(gòu)多核,、異構(gòu)多核、多處理器等不同平臺上的靈活配置和擴(kuò)展,，不受限于廠商,，應(yīng)用前景廣闊。

3.2 多核軟件開發(fā)流程

    將Poly-Platform軟件使用插件方式集成到Eclipse軟件環(huán)境中后會在TI的Code Composer Studio開發(fā)環(huán)境下出現(xiàn)相應(yīng)的菜單和選項(xiàng),，即可進(jìn)行基于Poly-Platform的多核軟件開發(fā),。這里選擇TMS320C6678多核DSP器件進(jìn)行開發(fā)，并且以8個DSP核之間依次相連并傳遞數(shù)據(jù)的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例描述開發(fā)流程,。

    (1)建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。首先建立一個拓?fù)洌═opology）工程，拓?fù)渲饕枋隽藨?yīng)用程序在（多核）平臺上的映射關(guān)系,。借助Poly-Mapper工具在建立工程后生成的拓?fù)溆成湮募羞M(jìn)行屬性設(shè)置,，選擇處理器類型，設(shè)置節(jié)點(diǎn)個數(shù)為8（對應(yīng)8個DSP核）,，名稱分別為N0—N7,，操作系統(tǒng)為TI的DSP專用操作系統(tǒng)。然后在拓?fù)鋱D中繪制8個節(jié)點(diǎn),，并在每個節(jié)點(diǎn)中間繪制一條鏈路（link）,，得到環(huán)形結(jié)構(gòu)的8節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，如圖2所示,。

    (2)建立內(nèi)存映射文件并分配資源,。建立內(nèi)存映射文件并分配若干個段(section)，設(shè)置其起始地址,、大小,、方向等參數(shù)。這些段分別用于內(nèi)存訪問區(qū)域(Memory Access Regions,，MARs)和鏈路（link）,。其中內(nèi)存訪問區(qū)域包括一些常用的資源池（pool），如消息池,、消息隊(duì)列池,、數(shù)據(jù)池,、等待池等，不同節(jié)點(diǎn)之間通過MARs共享資源可以提高資源利用效率,，提升系統(tǒng)性能,。鏈路即對應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖（見如圖2）中各節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路，

    (3)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中進(jìn)行內(nèi)存映射,。針對每一個節(jié)點(diǎn)（N0—N7）,，設(shè)置其可訪問的內(nèi)存訪問區(qū)域。然后,，還需要對內(nèi)存訪問區(qū)域包含的每一個資源池進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,，如起始地址等。同樣地,，對鏈路也需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,。

    (4)建立節(jié)點(diǎn)工程。這里與常規(guī)的DSP開發(fā)流程基本一致,，針對8個節(jié)點(diǎn)（對應(yīng)處理器核）分別建立節(jié)點(diǎn)工程,，然后需要將這8個節(jié)點(diǎn)工程與第一步建立的拓?fù)涔こ探⒂成潢P(guān)系。

    (5)編寫初始化代碼和配置文件,。首先利用Poly-Generator工具將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化為基于拓?fù)涠x的C語言和相應(yīng)的頭文件,，并存放到每個節(jié)點(diǎn)工程的工作目錄下。然后利用Poly-Template工具,，按照軟件自帶的MCAPI模板,，自動為每個節(jié)點(diǎn)工程生成節(jié)點(diǎn)初始化文件和硬件初始化文件。最后編寫TI專用的實(shí)時(shí)軟件組件(Real Time Software Component,，RTSC)配置文件和用于存儲器分配的連接器命令文件,。

    (6)編寫每個節(jié)點(diǎn)工程的主函數(shù)。主函數(shù)主要內(nèi)容包括調(diào)用節(jié)點(diǎn)初始化函數(shù),，硬件初始化函數(shù),，以及節(jié)點(diǎn)之間消息收發(fā)的函數(shù)（基于MCAPI）等。這些都可以利用Poly-Template工具提供的模板快速完成,。圖3為用模板生成的代碼示例，其功能為N1節(jié)點(diǎn)接收消息,，然后將其加1后再發(fā)送給N2節(jié)點(diǎn),。

    (7)編寫每個節(jié)點(diǎn)工程的應(yīng)用程序。將用戶的算法進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)并加入節(jié)點(diǎn)工程,，這一步與常規(guī)的DSP開發(fā)流程完全一致,。

    (8)建立目標(biāo)配置文件和RTSC平臺。首先建立用于仿真調(diào)試的目標(biāo)配置文件,，然后建立RTSC平臺用于硬件配置,，并將其加入節(jié)點(diǎn)工程,。這些都是TI專用的文件。

    (9)編譯,、調(diào)試,、運(yùn)行。對每個節(jié)點(diǎn)工程進(jìn)行編譯,、調(diào)試,、運(yùn)行，觀察程序運(yùn)行結(jié)果,。注意不要編譯拓?fù)涔こ獭?/p>

    (10)程序性能分析和優(yōu)化,。借助Poly-inspector工具提供的交互式報(bào)告環(huán)境，可以對多核軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行性能分析,，方便用戶進(jìn)行程序優(yōu)化和調(diào)整,。

4 某雷達(dá)信號處理軟件設(shè)計(jì)方案示例

    某雷達(dá)信號處理機(jī)采用TI的TMS320C6678多核DSP為主處理芯片，功能為雷達(dá)導(dǎo)引頭主動探測處理^[4],。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主從方式,，核0為主控核，負(fù)責(zé)DSP內(nèi)部資源配置和初始化,、自檢,、波形參數(shù)控制、波門控制,、對外接口控制等,，核1、核2,、核3分別負(fù)責(zé)和通道,、方位差通道、俯仰差通道的脈壓數(shù)據(jù)相干積累,、恒虛警檢測,、測距等，其他核未使用,，目前已完成軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),。但是，現(xiàn)根據(jù)項(xiàng)目需要增加被動信號處理功能和由此新增的部分對外接口,，軟件架構(gòu)發(fā)生較大改變,。此時(shí)如果仍舊采用傳統(tǒng)的DSP軟件開發(fā)方法，則軟件移植的工作量較大,，特別是需要重新設(shè)計(jì)核間通信的代碼,。而采用基于MCAPI的多核軟件開發(fā)方法^[5]并借助Poly-Platform軟件進(jìn)行開發(fā)，就可以保留原有的應(yīng)用程序不變，快速,、靈活地生成新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，并按照軟件模板快速生成符合標(biāo)準(zhǔn)的核間通信程序，代碼改動量很小,。采用方案為新增一個核4負(fù)責(zé)被動信號處理,，同時(shí)新增1個核5，負(fù)責(zé)新增的對外接口,，以及核0負(fù)責(zé)原有的一部分工作,，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算負(fù)載平衡，如圖4所示,。在實(shí)際中根據(jù)需要還可快速地改為其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并進(jìn)行性能優(yōu)化,，比如將主從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改為數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

    當(dāng)前計(jì)算環(huán)境變得越來越多元化,，DSP,、可編程邏輯器件（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）,、圖形處理器（Graphics Processing Unit,，GPU）都具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，并適用于不同的應(yīng)用場合,。多核處理器是當(dāng)前的研究熱點(diǎn),，而高集成度的異構(gòu)多核處理器是未來的發(fā)展趨勢?；诙嗪说能浖_發(fā)始終是一個難點(diǎn),，給軟件開發(fā)人員帶來了巨大的挑戰(zhàn)。本文提出的基于MCAPI的多核軟件開發(fā)方法可應(yīng)用于同構(gòu)多核,、異構(gòu)多核以及多處理器平臺,，通用性較強(qiáng)，不受廠商,、處理器,、操作系統(tǒng)的限制，可幫助用戶簡化軟件設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程中的拓?fù)湓O(shè)計(jì),、運(yùn)算負(fù)載平衡以及核間通信和資源分配等工作,，顯著地提升開發(fā)效率。

參考文獻(xiàn)

[1] Texas Instruments,，Inc.TMS320C6678 multicore fixed and floating-point digital signal processor[Z].2014.

[2] The Multicore Association.Multicore Communications API (MCAPI) Specification V2.015[Z].2011.

[3] PolyCore Software,，Inc.Poly-Platform user guide[Z].2012.

[4] 楊康.基于多核DSP的彈載毫米波雙模制導(dǎo)雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．南京：南京航空航天大學(xué)，2013.

[5] ERIC G.Using MCAPI/MDMA for ADSP-SC58x Dual-SHARC Audio Talkthrough[Z].2015.