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連續實時信號處理器的性能分析
摘要：對AD公司的TigerSHARC DSP(ADSP-TS101S)和摩托羅拉公司的具有AltiVec矢量處理器核的PowerPC系列MPC7410和MPC7455處理器，在連續實時信號處理領域的應用進行了評估。對于復雜、實時信號算是系統的設計人員來講，最嚴峻的挑戰是針對給定任何選擇一個最有效的處理器。因為處理器效率依賴于應用，涉及到結構和應用等各個方面，因此折中的辦法很難定義和評估。用通常使用的方法評價處理器，往往誤導人們。因為它掩蓋了許多依賴應用并使實際性能下降因素；在不同的處理器上執行應用，然后評估每個處理器執行的實際性能，這種方法費用昂貴、花費時間，不切合實際。
１ 處理器概況
ＡＤ公司的ＴigerSHARC DSP(ADSP-TS101S)和摩托羅位公司PowerPC系列處理器代表了獲得高性能計算能力的不同結構和方法。ＴigerSHARC代表ＤＳＰ的傳統做法，它具有低開銷、確定性和ＤＭＡ引擎等特點，專門用于開發嵌入式實時應用系統，例如雷達、聲納、無線通信和圖像處理。相反，ＰowerPC是一種ＲＩＳＣ處理器，用于開發副蘋果計算機最高性能的Ｇ４工作站；具有很高的時鐘頻率以及強大的ＡltiVec矢量處理引擎，在一些嵌入式信號處理應用方面也取得了很大的成功。
很明顯，具有ＡltiVec核的ＰowerPC G4(74xx)具有較高的核時鐘速率與性能。PowerPC的核時鐘速率幾乎是目前TigerSHARC的3.3倍（不久更快版本的TigerSHARC將發布）。AltiVec核每個周期執行單條指令，每１２８位向量包含４個獨立的３２位數據單元，這就是眾所周知的SIM-D（單指令多數據）結構。當執行一次乘加(MAC)矢量運算時，達到峰值處理能力，每周期可完成８次浮點操作。對于1GHz的MPC7455，峰值處理能力可達8000M次/s浮點運算。AltiVec每周期能執行８次整數或定點操作，峰值整數運算能力為８０００ＭＯＰＳ（百萬次操作／s）。
相反，ＴigerSHARC有兩個獨立的３２閏處理器核，或稱MIMD（多指令多數據）結構。每個計算單元每周期能執行一次乘法以及和差分運算，對于300MHz ADSP-TS101S每周期完成６次浮點運算或1800MFLOPS峰值運算能力。當執行１６位數據運算時，TigerSHARC可以利用它的超標量體系結構，分離兩個獨立３２位計算單元成２個單獨的１６位SIMD單元，這樣每個操作在兩個數據單元，每個周期可以增加超過１２次的操作。另外，TigerSHARC有另外兩個專門的１６位整數引擎，每個周期可以增加超過１２次的操作，這樣每個周期共計２４次整數運算，7200MOPS。
２ Ｉ／Ｏ帶寬與處理能力的比值
在許多信號處理的應用中，受限于數據流而不是處理能力，因此理解處理器Ｉ／Ｏ能力以及與處理器內核的數據交換的性能十分重要。衡量的尺度是Ｉ／Ｏ帶寬與處理率之比（ＢＰＲ），即處理器峰值Ｉ／Ｏ帶寬（ＭＢ/s）除以峰值處理能力（ＭＦＬＯＰＳ）。１Ｂ／ＦＬＯＰ的ＢＰＲ指示它是一個比較平衡的連續信號處理結構，意味著處理器對每個浮點操作能完成１Ｂ數據傳輸。一個處理器的ＢＰＲ明顯高于或低于１Ｂ／ＦＬＯＰ，表示這種結構比連續信號處理器更適合數據流搬移或后向數據處理。
圖１所示為ＰowerPC處理器節點方框圖。從圖中可以看出所有處理器Ｉ／Ｏ的訪問必須通過ＭＰＣ和控制器／橋芯片之間的６４位，１２８ＭＨz(對于ＭＰＣ７４５５為１３３ＭＨｚ)系統總線。對于ＭＰＣ７４１０任何一個處理器的最高Ｉ／Ｏ帶寬是１０００ＭＢ／s,對ＭＰＣ７４５５的最高Ｉ／Ｏ帶寬是１０６４ ＭＢ/s。
然而由于Ａltivec很強大，這種適宜的高帶寬不一定總能跟上核的速度。當MPC7455執行8000MFLOPS時，數據搬移的速度僅為1064MB/s。BPR值只有０.13，說明這種結構的I/O帶寬和處理能力是不平衡的。因此，PowerPC對塊處理是有效的（比如具有高的計算和相對低的數據流動），但對連續的、高數據流動、較少計算的連續信號處理，是低效率的。
TigerSHARC是為多處理器設計的，而且提供了６４位、100MHz共享系統總線以及４個８位，250MHz的Link口作I/O和處理器之間的數據通信，簇總線的搬移數據速率為800MB/s。數據還可以通過Ｌink口以50MB/s速度進行傳送，每個TigerSHRC提供總的I/O帶寬可達1800MB/s。TigerSHARC的ＢＰＲ是0.1，表明對連續的信號處理是平衡的優化結構。
３ 信號處理能力—cFFT
１０２４點復數FFT(cFFT)是評價信號處理性能使用最廣泛的基準。原因如下：第一，清晰而且容易易化；第二，在大多數應用中，它是最普遍使用的信號處理函數；第三，cFFT可以評估處理器的數據處理能力和處理速度。
值得注意的是，由于ＰwerPC的速度和性能，在計算１０２４點cFFT有明顯優越性；然而TigerSHARC是為DSP裁剪定制的，在執行信號處理算法時會更加有效。這是由于芯片具有極好的數據搬移的能力、平衡以及單周期執行蝶形運算能力（乘法、加法、差分）。AltiVec核比TigerSHARC核快3.3倍，潛在處理速率是TIgerSHARC的4.4倍，然而它執行一個１０２４點cFFT僅比TIgerSHARC快2.5倍。TigerSHARC在９７５０周期可以完成CFFT運算，而PowerPC必須用１３０００個周期，因此，在執行一個１０２４點CFFT時，TigerSHARC的計算效率比PowerPC高３３％。換句話說，如果以相同的時鐘頻率運行，TIgerSHARC會超過PowerPC ３３％。隨著TigerSHARC時鐘速率繼續提升，考慮成本和功耗等問題，當它執行FFT信號處理應用時，它的能力要顯明超過AltiVec。
４ 連續的cFFT
評價處理器能力時，通常考慮它的處理能力、Ｉ／Ｏ帶寬，甚至算法的執行，但遺憾的是這些評估沒有一個能真實反映實際應用。實際應用時，這些因素往往相互影響。數據必須按所希望的那樣同時輸入、處理、輸出。每個１０２４點cFFT需要８ＫＢ數據輸入（１０２４個樣本×２個樣
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