摘  要： 根據(jù)TMS320C6678芯片的特點(diǎn)，針對(duì)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(shí)現(xiàn)，并分析了傳輸性能，對(duì)基于TMS320C6678的嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

　　關(guān)鍵詞： TMS320C6678；多核通信；平臺(tái)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(gè)CorePac核的頻率最高為1.25 GHz，提供強(qiáng)大的定點(diǎn)和浮點(diǎn)運(yùn)算能力，同時(shí)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(qiáng)，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(dá)、聲納、火控、電子對(duì)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(tái)，在未來的5~10年內(nèi)，將是信號(hào)處理平臺(tái)主流。

　　雖然TMS320C6678硬件優(yōu)點(diǎn)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(gè)板卡單位上有4個(gè)TMS320C6678，相當(dāng)于32個(gè)DSP核，按照一個(gè)機(jī)架4塊板卡的設(shè)計(jì)，這將是一個(gè)128個(gè)DSP核的陣列，而且節(jié)點(diǎn)間的連接方式復(fù)雜，如何簡單、高效、易調(diào)試地實(shí)現(xiàn)128個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)的通信，為平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)者提出了極高的要求。

　　針對(duì)基于TMS320C6678分布式系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文首先分析了TMS320C6678的硬件通信方式及設(shè)計(jì)難點(diǎn)，進(jìn)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(shí)現(xiàn)，最后通過實(shí)驗(yàn)給出了性能分析，為基于TMS320C6678的平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)TMS320C6678的板卡設(shè)計(jì)中，芯片內(nèi)的核間通信，通常采用共享內(nèi)存或DMA實(shí)現(xiàn)，因?yàn)門MS320C6678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(duì)列協(xié)處理器的CDMA實(shí)現(xiàn)。特點(diǎn)是速度快、效率高，缺點(diǎn)是編程復(fù)雜，學(xué)習(xí)周期長。

　　在雷達(dá)、聲納等應(yīng)用中，一般在一塊DSP處理板上設(shè)計(jì)多個(gè)TMS320C6678處理器，在一個(gè)機(jī)架上插多塊DSP處理板卡來承載大數(shù)據(jù)量的處理。對(duì)于板卡內(nèi)DSP間通信，以前可能會(huì)經(jīng)常采用PCIe的設(shè)計(jì)，但目前的主流設(shè)計(jì)，傾向于采用RapidIO的通信方式，因?yàn)殡m然PCIe有架構(gòu)簡單、編程容易等特點(diǎn)，但是PCIe一般只能用作設(shè)備內(nèi)的通信，而且對(duì)于復(fù)雜的陣列節(jié)點(diǎn)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?。?duì)于大數(shù)據(jù)量的傳輸，一般會(huì)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(jì)中，例如Advantech DPS8901單板20個(gè)TMS320C6678的陣列，DSP間以及CPU和DSP間還會(huì)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(gè)板卡的軟、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單位節(jié)點(diǎn)之間交互有如此多的接口和通信路徑，使平臺(tái)軟件的設(shè)計(jì)和編程工作變得異常復(fù)雜。比如節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間，底層通過CDMA連接，節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C之間底層通過RapidIO通信，如果沒有一種好的上層通信機(jī)制，節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jī)制LINX及軟件實(shí)現(xiàn)，下面將詳細(xì)闡述LINX模塊的機(jī)制和通信模式。

　　2 統(tǒng)一接口的分布式透明傳輸模式

　　針對(duì)TMS320C6678板卡設(shè)計(jì)中復(fù)雜的底層接口狀況，提出一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分布式系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間的透明傳輸模型，稱之為LINX。

　　這一分布式透明節(jié)點(diǎn)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(jì)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(duì)于應(yīng)用程序來說，對(duì)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?yàn)閷?duì)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(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。

　?。?）跨介質(zhì)傳輸。傳輸模型設(shè)計(jì)為分層架構(gòu)，不同的底層鏈路驅(qū)動(dòng)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(duì)接。對(duì)于跨多個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸，提供簡單的鏈路定義及使用的方式。

　?。?）錯(cuò)誤檢測。具有基本的錯(cuò)誤檢測功能，當(dāng)LINX模塊檢測到底層鏈路錯(cuò)誤時(shí)，應(yīng)及時(shí)上報(bào)給通信節(jié)點(diǎn)。而且對(duì)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(jī)制的發(fā)送/應(yīng)答，對(duì)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(dòng)層、傳輸層、會(huì)話層以及應(yīng)用程序接口。

　　其中驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)具體的驅(qū)動(dòng)鏈路實(shí)現(xiàn)；傳輸層負(fù)責(zé)與驅(qū)動(dòng)層接口，底層的監(jiān)控和檢測重傳；會(huì)話層負(fù)責(zé)和傳輸層接口，進(jìn)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸模型，如圖4所示。節(jié)點(diǎn)為TMS320C6678的CorePac核，節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B之間通過CDMA驅(qū)動(dòng)通信，鏈路標(biāo)識(shí)號(hào)為n1，那么節(jié)點(diǎn)A上的任務(wù)A給節(jié)點(diǎn)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(diǎn)A上的任務(wù)A通過節(jié)點(diǎn)B，向節(jié)點(diǎn)C上的任務(wù)C發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過CDMA和RapidIO兩個(gè)鏈路，分別標(biāo)識(shí)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(shí)現(xiàn)跨介質(zhì)的傳輸，通信接口非常簡便。對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，可達(dá)到各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的無縫傳輸。由于LINX是基于底層驅(qū)動(dòng)的中間件管理模塊，在驅(qū)動(dòng)之上會(huì)增加一些負(fù)載，下面是LINX模塊的軟件實(shí)現(xiàn)，在TMS320C6678EVM開發(fā)板卡上所做的性能測試實(shí)驗(yàn)，用以評(píng)估LINX模塊對(duì)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(biāo)準(zhǔn)TMS320C6678EVM開發(fā)板，測試采用OSEck硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，內(nèi)核代碼在L2 Memory上，其他驅(qū)動(dòng)、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(chǔ)器上，測試的時(shí)間周期使用硬件定時(shí)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(gè)回環(huán)耗時(shí)，測試連續(xù)進(jìn)行n次，由發(fā)送端設(shè)置時(shí)間戳進(jìn)行連續(xù)統(tǒng)計(jì)測試，統(tǒng)計(jì)單位1 cycle等于1 ns，如表1所示。

　　其中，總耗時(shí)為測試n次之后的單向傳輸耗時(shí)；測試次數(shù)為總的測試次數(shù)；每次耗時(shí)為每次單向發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，從任務(wù)發(fā)出數(shù)據(jù)到對(duì)方節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)所消耗的時(shí)間；消息大小為發(fā)送數(shù)據(jù)塊的大??；Throughput為傳輸帶寬。Throughput的計(jì)算公式為（消息大小/（總耗時(shí)/測試次數(shù)））×1 000 000 000×8（單位bit/s）。

　　按照理論計(jì)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(dòng)、中間層及應(yīng)用層的系統(tǒng)開銷，最終的實(shí)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(shí)，帶寬趨向穩(wěn)定，結(jié)果接近于有效實(shí)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(cuò)誤檢測等優(yōu)點(diǎn)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(dòng)模式。

　　目前TMS320C6678芯片被越來越廣泛地使用在通信、雷達(dá)、聲納、電子對(duì)抗等領(lǐng)域，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)乃至上百個(gè)TMS320C6678內(nèi)核節(jié)點(diǎn)無縫連接起來。針對(duì)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(diǎn)間的透明傳輸模型，提供了實(shí)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(jì)提供了參考。

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