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    多核DSP中FFTC協(xié)處理器在LTE-A下的應(yīng)用*

    2016-08-24 01:27:09李小文薛堯黃菲譚博
    廣東通信技術(shù) 2016年7期
    關(guān)鍵詞:協(xié)處理器描述符物理層

    [李小文 薛堯 黃菲 譚博]

    多核DSP中FFTC協(xié)處理器在LTE-A下的應(yīng)用*

    [李小文 薛堯 黃菲 譚博]

    隨著無線通信系統(tǒng)傳輸數(shù)率的不斷提升,采用單核DSP進(jìn)行數(shù)字基帶處理的系統(tǒng)漸漸不能滿足日益增加的復(fù)雜度及實(shí)時(shí)性要求,多核并行模式以及協(xié)處理器的加入逐漸被廣泛應(yīng)用。針對于此,基于LTE-A系統(tǒng)下物理層鏈路的實(shí)現(xiàn),采用TI 推出的TMS320C6670高性能4核處理器,其中多核架構(gòu)特性優(yōu)點(diǎn)以及快速傅里葉變換協(xié)處理器(FFTC)的使用,將有效減少開發(fā)難度以及提高數(shù)據(jù)處理速度,大幅提升LTE-A數(shù)字基帶系統(tǒng)處理性能。

    FFTC 多核導(dǎo)航 數(shù)據(jù)包 LTE-A

    李小文

    碩導(dǎo),教授,研究員,男,重慶郵電大學(xué)重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信,TD-LTE 系統(tǒng)開發(fā)研究。

    薛堯

    碩士研究生,男,重慶郵電大學(xué)重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,主要研究方向:多核DSP在LTE中的應(yīng)用。

    黃菲

    碩士研究生,男,重慶郵電大學(xué)重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,主要研究方向:物理層研究與DSP實(shí)現(xiàn)。

    譚博

    碩士研究生,男,重慶郵電大學(xué)重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,主要研究方向:物理層研究與DSP實(shí)現(xiàn)。

    引言

    DSP是對數(shù)字信號進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理的專用處理器,在當(dāng)今的數(shù)字化的背景下,DSP以其高性能和軟件可編程等特點(diǎn),已經(jīng)成為電子工業(yè)領(lǐng)域增長最迅速的產(chǎn)品之一[1]。但是隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大以及產(chǎn)品性能的日益豐富,數(shù)字信號處理平臺發(fā)展趨向大計(jì)算量、大帶寬、高集成度的特點(diǎn),人們對數(shù)字信號處理器數(shù)據(jù)處理速度和計(jì)算性能提出了更高的要求[2]。單核DSP運(yùn)算性能逐漸不能滿足這些要求,于是多核DSP已經(jīng)成為數(shù)字處理發(fā)展的必然選擇[3]。通信行業(yè)中隨著通信標(biāo)準(zhǔn)的不斷演進(jìn),LTE/LTE-A標(biāo)準(zhǔn)[4]已經(jīng)商用并成為通信行業(yè)焦點(diǎn),同時(shí)LTE/ LTE-A通信系統(tǒng)對傳輸數(shù)率的要求越來越高,這給底層硬件處理器帶來了很大挑戰(zhàn)。目前很多采用DSP進(jìn)行基帶處理的軟基站、小型基站和無線電[5],其DSP的處理器性能直接成為一個(gè)制約系統(tǒng)的重要因素。鑒于此,TI推出了一款四核定點(diǎn)/浮點(diǎn)DSP TMS320C6670,單核1.2GHz,該芯片架構(gòu)采用多核導(dǎo)航機(jī)制,并包含有FFTC、BCP、TCP3、VCP2等協(xié)處理器,是一塊基于通信用途的DSP芯片[6]。該芯片首次設(shè)計(jì)了多核導(dǎo)航機(jī)制,用于控制和完成數(shù)據(jù)包在設(shè)備內(nèi)的高速傳輸。

    快速傅里葉變換協(xié)處理器(FFTC)、比特級協(xié)處理器(BCP)可以用以輔助DSP進(jìn)行LTE-A基帶數(shù)據(jù)的處理,以此可以提升基帶數(shù)據(jù)處理的效率,減輕DSP負(fù)擔(dān)。FFTC主要是一個(gè)可編程的外設(shè),專門用來進(jìn)行基帶FFT/ IFFT的數(shù)據(jù)處理,而BCP則主要完成LTE-A物理層比特級的數(shù)據(jù)處理。在LTE_A物理層中,F(xiàn)FT/IFFT是必不可少的流程,對于使用各種算法對FFT/IFFT的實(shí)現(xiàn),現(xiàn)在基于這個(gè)協(xié)處理器,可以大大減少LTE_A物理層中算法的復(fù)雜度,而只需要關(guān)注FFTC的配置以及處理速度和數(shù)據(jù)的正確性。因此本文主要研究FFTC協(xié)處理器對于LTE系統(tǒng)的應(yīng)用,首先對多核導(dǎo)航的結(jié)構(gòu)原理做分析,然后對FFTC協(xié)處理器進(jìn)行分析,最后給出一種多核導(dǎo)航結(jié)合FFTC的具體LTE-A應(yīng)用實(shí)例及其相應(yīng)的波形圖,分析FFTC的性能;結(jié)果表明如果使用得當(dāng),可以極大的提高系統(tǒng)效率,減少代碼復(fù)雜度和物理層開發(fā)難度。

    圖1 多核導(dǎo)航模塊

    1 多核架構(gòu)概述

    基于TMS320C6670 DSP采用了多核導(dǎo)航機(jī)制。多核導(dǎo)航由隊(duì)列管理子系統(tǒng)( Queue Manager Subsystem, QMSS)和包直接存儲器訪問(Packet Direct Memory Access, PKTDMA)組成,QMSS 負(fù)責(zé)隊(duì)列的監(jiān)控和累加,負(fù)載均衡、流量整形以及中斷的分配等工作[7]。PKTDMA 主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包在設(shè)備內(nèi)的零拷貝高速傳輸。多核導(dǎo)航機(jī)制還設(shè)置有一系列隊(duì)列,包括發(fā)送、發(fā)送完成、接收、接收完成隊(duì)列。根據(jù)用戶設(shè)計(jì)要求,可以配置 PKTDMA 內(nèi)部發(fā)送調(diào)度器將發(fā)送隊(duì)列里的任務(wù)分配到不同的接收隊(duì)列,從而快速定向到可用的硬件模塊,減少 DSP 負(fù)擔(dān),提高系統(tǒng)整體性能。這種基于數(shù)據(jù)包的片上系統(tǒng)使用具有 2Tbit/s容量的 TeraNet 交換網(wǎng)絡(luò)來搬移數(shù)據(jù)包,處理速度非??捎^[8]。

    1.1 多核導(dǎo)航功能框圖

    如圖1,多核導(dǎo)航由一個(gè)隊(duì)列管理器子系統(tǒng)(QMSS)和多個(gè) PKTDMA組成,其中, QMSS包含一個(gè)隊(duì)列管理器、一個(gè)基礎(chǔ)PKTDMA、兩個(gè)帶定時(shí)器的PDSP固件[9]。多核導(dǎo)航的外圍設(shè)備有SRIO、AIF2、BCP、FFTC等,這些外圍設(shè)備的內(nèi)部都包含一個(gè)PKTDMA。用戶只需要在使用這些外圍設(shè)備的時(shí)候,結(jié)合多核導(dǎo)航配置好相應(yīng)的PKTDMA,就可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊數(shù)據(jù)的發(fā)送以及接收,并且使用中斷來實(shí)現(xiàn)多核間或核與外圍設(shè)備之間的通知機(jī)制。

    1.2 多核導(dǎo)航工作原理

    多核導(dǎo)航主要通過隊(duì)列管理器(QM)來負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包隊(duì)列的加速管理,PKTDMA則主要根據(jù)隊(duì)列中描述符有效載荷緩沖區(qū)的鏈接,對有效載荷發(fā)送或接收。發(fā)送原理如圖2。

    收發(fā)數(shù)的過程有以下四種隊(duì)列:

    (1) 發(fā)送完成隊(duì)列(TxFDQ):在發(fā)送端,為發(fā)送隊(duì)列提供空閑描述符,數(shù)據(jù)傳送完成后,回收空閑描述符給主機(jī)。

    (2) 發(fā)送隊(duì)列(TX):專用隊(duì)列,發(fā)送端口用于存儲待發(fā)送數(shù)據(jù)包。

    (3) 空閑描述符隊(duì)列(FDQ):在接收端,用來提供空閑描述符,用于指定數(shù)據(jù)接收buffer。

    (4) 接收隊(duì)列(RX):將已經(jīng)完成接收的包向前傳輸給主機(jī)或其等同實(shí)體。

    (5) 圖中的描述符是一小塊存儲空間,用于描述將要在系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。

    在發(fā)送端和接收端,發(fā)送完成隊(duì)列(TxFDQ)和空閑描述符隊(duì)列(FDQ)可以看成同一個(gè)隊(duì)列,都是用于存放空閑的描述符,只是分別用于發(fā)送和接收。

    在發(fā)送端,首先從空閑隊(duì)列中取得描述符,然后對描述符的buffer區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)填充,并將描述符壓入到發(fā)送隊(duì)列,PKTDMA就會從發(fā)送隊(duì)列中自動(dòng)取得描述符,從而讀取有效載荷,發(fā)送至傳輸口并自動(dòng)回收描述符。在接收端,PKTDMA會自動(dòng)從空閑描述符隊(duì)列取得描述符,然后將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的buffer,并將描述符壓入到接收隊(duì)列。

    圖2 多核導(dǎo)航工作原理框圖

    2 快速傅里葉變換協(xié)處理器(FFTC)

    2.1 FFTC協(xié)處理器

    在DSP TMS320C6670芯片中一共有三個(gè)FFTC,這個(gè)協(xié)處理器被設(shè)計(jì)用來加速LTE物理層中對數(shù)據(jù)的FFT/IFFT計(jì)算,三個(gè)協(xié)處理器可以并行運(yùn)行且可被四個(gè)核調(diào)用。FFTC主要有以下功能:FFT與IFFT、LTE中7.5KHZ頻移、添加/去除CP、補(bǔ)零操作、對每級蝶形運(yùn)算實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)或用戶自定義方式的縮放。

    2.2 FFTC協(xié)處理器子模塊

    如圖3,為FFTC的原理框圖[10]。

    圖3 FFTC原理框圖

    如圖3,F(xiàn)FTC協(xié)處理器由以下子模塊構(gòu)成:

    (1) 配置寄存器:FFTC有4組配置寄存器,這些寄存器的設(shè)置都是相同的,都包含有5個(gè)寄存器。每組對應(yīng)一個(gè)發(fā)送隊(duì)列。配置寄存器主要是用于設(shè)置FFTC做DFT/IDFT計(jì)算時(shí)所需的配置參數(shù)。

    (2) FFT engine:執(zhí)行DFT/IDFT運(yùn)算處理的模塊。

    (3) Packet DMA:FFT engine的I/O口,F(xiàn)FTC使用多核導(dǎo)航來進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入以及輸出,多核導(dǎo)航搬運(yùn)數(shù)據(jù)時(shí)不需要CPU的參與。

    (4) FFT流接口:用于連接多核導(dǎo)航與FFT engine。

    (5) FFTC調(diào)度器:FFTC多核導(dǎo)航給FFT engine提供了多個(gè)發(fā)送隊(duì)列。FFTC調(diào)度器的任務(wù)是要根據(jù)優(yōu)先級選擇出這些發(fā)送隊(duì)列里下一個(gè)將要處理的數(shù)據(jù)包。

    3 FFTC在LTE-A中的應(yīng)用

    在LTE物理信道數(shù)據(jù)處理過程中都需要進(jìn)行FFT/ IFFT計(jì)算。如圖4顯示了其中一個(gè)信道LTE下行共享信道處理的流程。如果傳統(tǒng)的利用匯編或C語言進(jìn)行變成來實(shí)現(xiàn)物理層的信道處理將耗費(fèi)大量的指令周期,隨著數(shù)據(jù)量的增加,處理的時(shí)間也隨之上升[11],所以LTE物理層中有效的利用BCP和FFTC兩個(gè)協(xié)處理器能高效的解決以上的問題,減少代碼復(fù)雜度和運(yùn)行時(shí)間。

    圖4 LTE下行共享信道處理的流程

    C6670中有3個(gè)FFTC協(xié)處理器, 3個(gè)協(xié)處理器可以被四個(gè)核同時(shí)訪問,所以合理的資源分配也能提高數(shù)據(jù)處理時(shí)間。FFTC協(xié)處理器和多核導(dǎo)航的PKTDMA以及QM子系統(tǒng)有著密切的聯(lián)系,PKTDMA/QM子系統(tǒng)是用來發(fā)送FFT請求和接收輸出結(jié)果的唯一途徑。在LTE物理層中如果需要應(yīng)用到FFTC就一定需要配置好多核導(dǎo)航,用于給FFTC發(fā)送數(shù)據(jù)以及接收計(jì)算之后的數(shù)據(jù)并發(fā)送給相應(yīng)的核或者模塊進(jìn)行下一步操作。

    3.1 多核導(dǎo)航的配置

    多核導(dǎo)航和FFTC的通信,不僅需要數(shù)據(jù)信息的傳輸,同時(shí)也需要同步控制信息的傳輸。數(shù)據(jù)信息通過PKTDMA傳輸,同步控制信息則通過中斷實(shí)現(xiàn)。

    多核導(dǎo)航具有靈活的中斷機(jī)制,包括高優(yōu)先級累加器中斷、低優(yōu)先級累加器中斷和隊(duì)列掛起中斷。其中,高優(yōu)先級累加器中斷可實(shí)現(xiàn)對具體指定核的中斷,低優(yōu)先級累加器中斷可實(shí)現(xiàn)對自己的中斷。隊(duì)列掛起中斷,即可實(shí)現(xiàn)對指定核的中斷,也可實(shí)現(xiàn)對所有核的中斷。

    多核導(dǎo)航作為加速數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)現(xiàn)多核協(xié)同工作的硬件機(jī)制,需要在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對多核導(dǎo)航模塊進(jìn)行適當(dāng)?shù)某跏蓟?,為其分配足夠的資源,以確保該模塊能夠持續(xù)正常工作。主要需要初始化的有QMSS、PKTDMA、發(fā)送通道、接收通道、接收流、描述符、中斷等。C6670一共有8192個(gè)隊(duì)列,其中FFTC的發(fā)送隊(duì)列已經(jīng)做了明確的劃分,而接收隊(duì)列我們采用高優(yōu)先級累加器隊(duì)列,這種隊(duì)列有其對應(yīng)的中斷事件,能映射到一個(gè)特定的DSP核上,F(xiàn)FTC根據(jù)這個(gè)接收隊(duì)列就能將處理后的數(shù)據(jù)通過中斷發(fā)送給我們想要的核去進(jìn)行下一步的處理,有利于多核協(xié)作提高效率。

    3.2 FFTC的配置

    對FFTC的配置主要在于驅(qū)動(dòng)程序的編寫,由驅(qū)動(dòng)程序?qū)FTC進(jìn)行管理,并負(fù)責(zé)配置 FFT/IFFT計(jì)算時(shí)的一部分參數(shù)。

    (1) FFT engine參數(shù)配置

    如圖5,在FFT engine中數(shù)據(jù)主要由以下順序進(jìn)行計(jì)算。決定這些參數(shù)的主要由五個(gè)寄存器組成,分別是目標(biāo)隊(duì)列寄存器、縮放和移位寄存器、循環(huán)前綴寄存器、控制寄存器、LTE頻移寄存器。根據(jù)實(shí)際需要配置這些寄存器的相應(yīng)比特位,F(xiàn)FT engine就會按照這些參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。最終生成所需要的OFDM信號。

    圖5 FFTC 引擎

    3.3 FFTC數(shù)據(jù)測試?yán)?/p>

    如圖6為FFTC數(shù)據(jù)測試?yán)塘鞒虉D。待系統(tǒng)初始化及多核導(dǎo)航初始化后,按照LTE-A對ODFM信號生成的要求配置好FFTC相應(yīng)的參數(shù)寄存器,當(dāng)有需要進(jìn)行計(jì)算的數(shù)據(jù)包時(shí),就從發(fā)送空閑隊(duì)列里彈出描述符,然后把凈荷數(shù)據(jù)寫入描述符鏈接的buffer,再把描述符壓入發(fā)送隊(duì)列,數(shù)據(jù)包便會自動(dòng)開始傳輸至FFT引擎,F(xiàn)FT引擎就會按照事先配置好的功能進(jìn)行計(jì)算,得到結(jié)果。

    4 測試結(jié)果及分析

    基于TI推出的TMS320C6670多核DSP平臺,利用快速傅里葉變換協(xié)處理器FFTC實(shí)現(xiàn)了回環(huán)測試和不同長度數(shù)據(jù)的計(jì)算,以驗(yàn)證FFTC協(xié)處理器的正確性和高效率。并將FFTC應(yīng)用于LTE-A的物理層的數(shù)據(jù)處理,減少工程復(fù)雜度以及運(yùn)行時(shí)間。工程中,我們首先進(jìn)行了FFTC的回環(huán)測試,驗(yàn)證FFTC協(xié)處理器的正確性,接著對不同數(shù)據(jù)長度的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行測試,同傳統(tǒng)的匯編或C語言的運(yùn)行時(shí)間做對比,以驗(yàn)證合理使用FFTC協(xié)處理器可以非常高效的實(shí)現(xiàn)LTE中FFT/IFFT的計(jì)算。多核DSP[12]、TMS320C6670的FFTC協(xié)處理器四種運(yùn)算系統(tǒng)平臺。已驗(yàn)證基于FFTC協(xié)處理器運(yùn)算的高效率性。各系統(tǒng)平均的FFT運(yùn)算耗時(shí)如表1。

    圖6 FFTC數(shù)據(jù)測試工程流程

    表1 不同運(yùn)算平臺FFT處理時(shí)間

    由表1分析可知,基于TI的C6713單核運(yùn)算平臺對FFT實(shí)現(xiàn)的耗時(shí)最長,運(yùn)算時(shí)間達(dá)到了183.50205ms,實(shí)時(shí)性最差。借助MATLAB的FFT運(yùn)算實(shí)時(shí)性稍有提高,而采用C6678多核并行運(yùn)算,對于1M數(shù)據(jù)的FFT耗時(shí)僅為6.5ms,對比前兩種系統(tǒng)平臺有了顯著提高。但是我們采用FFTC加速器對于1M數(shù)據(jù)的計(jì)算時(shí)間則只有0.618ms,對比C6678多核并行運(yùn)算時(shí)間減少10倍左右,可見FFTC的實(shí)時(shí)性更高。

    表2給出了基于TMS320C6670的FFTC處理不同數(shù)據(jù)長度的耗時(shí)。

    4.1 FFTC回環(huán)測試

    回環(huán)測試中,按照LTE物理層下行共享信道的OFDM信號生成規(guī)則,配置好寄存器參數(shù),F(xiàn)FTC_A配置為做2048點(diǎn)IFFT以及160長度的CP添加。首先將2048個(gè)32位數(shù)據(jù)壓入到描述符Buffer區(qū)域,再將描述符壓入到FFTC_A發(fā)送隊(duì)列,就可以從預(yù)先設(shè)定的接收隊(duì)列中取得處理后的數(shù)據(jù)。之后將處理后存放數(shù)據(jù)的描述符壓入到FFTC_B的發(fā)送隊(duì)列,F(xiàn)FTC_B的寄存器參數(shù)配置為去CP,以及2048點(diǎn)的FFT。最后從接收隊(duì)列取得數(shù)據(jù)同最開始發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,數(shù)據(jù)一樣則表示FFTC測試通過,就可分別作為LTE物理層的接收端和發(fā)送端。

    實(shí)際測試結(jié)果中,最后得到的數(shù)據(jù)同原始輸入數(shù)據(jù)比較,內(nèi)存顯示第一個(gè)數(shù)據(jù)個(gè)位同原始數(shù)據(jù)有1的偏差,其余數(shù)據(jù)則全部一樣,說明存在一點(diǎn)計(jì)算誤差,但這并不影響其余數(shù)據(jù)的正確性,說明回環(huán)測試通過,F(xiàn)FTC能夠正常運(yùn)行。

    表2 不同數(shù)據(jù)長度FFTC運(yùn)算耗時(shí)

    由表2分析可知:隨著數(shù)據(jù)長度的增長,平均1K數(shù)據(jù)長度的計(jì)算時(shí)間在減少,說明當(dāng)數(shù)據(jù)搬移與處理達(dá)到流水操作,F(xiàn)FTC的處理效果會更好。反而數(shù)據(jù)量小的時(shí)候,F(xiàn)FTC對于數(shù)據(jù)的處理有額外的時(shí)間開銷,不能達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)。

    4.2 FFTC運(yùn)算實(shí)時(shí)性分析

    圖7 FFTC數(shù)據(jù)測試耗時(shí)曲線

    運(yùn)算耗時(shí)在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中是最重要的性能指標(biāo)之一。在本論文中對1M的數(shù)據(jù)量進(jìn)行FFT運(yùn)算,主要基于MATLAB仿真、TMS320C6713單核和TMS320C6678

    從圖7可以看出,當(dāng)數(shù)據(jù)長度達(dá)到一定的值之后,對于平均1K的處理時(shí)間越來越接近,幅度也在降低,曲線走向也趨于平緩,說明FFTC已經(jīng)逐漸達(dá)到了一個(gè)最大的處理速度,此時(shí)性能最優(yōu)。

    5 結(jié) 論

    本文對TI C66系列DSP中的多核導(dǎo)航以及FFTC基本原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,著重分析了數(shù)據(jù)在FFTC中計(jì)算的時(shí)間開銷。并將FFTC應(yīng)用到LTE-A通信流程中,為其他多核DSP的應(yīng)用開發(fā)提供參考。

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