德州儀器 (TI) 全新 TMS320C66x 數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 內(nèi)核不僅為屢獲殊榮的 C64x+™ 指令集架構(gòu) (ISA) 帶來了顯著的性能提升，同時(shí)還在同一處理內(nèi)核中高度集成了針對(duì)浮點(diǎn)運(yùn)算的支持。浮點(diǎn)處理技術(shù)首次能夠用于傳統(tǒng)上僅能滿足定點(diǎn)處理運(yùn)行速度要求的處理器中。該 C66x DSP 的 ISA 同時(shí)支持單精度和雙精度浮點(diǎn)操作，并全面兼容 IEEE 754 標(biāo)準(zhǔn)。這一完美組合造就了無與倫比的DSP，能夠在完全無損定點(diǎn)或浮點(diǎn)功能的情況下將浮點(diǎn)優(yōu)勢(shì)引入高速嵌入式架構(gòu)中。與其它很多可提供浮點(diǎn)協(xié)作單元的嵌入式處理器不同，TI 最新 C66x DSP 內(nèi)核直接將浮點(diǎn)指令集嵌入到C64x 定點(diǎn)指令集中。在C66x CPU上，用戶可以選擇逐條執(zhí)行浮點(diǎn)、定點(diǎn)指令，因?yàn)樵?C66x 中浮點(diǎn)與定點(diǎn)運(yùn)算能力已經(jīng)被完全集成在一起。正是由于這樣，到底使用定點(diǎn) DSP 還是浮點(diǎn) DSP 已不再是設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，因?yàn)?C66x DSP 做到了雙全其美。

 

    在同一 DSP 內(nèi)核中集成定點(diǎn)與浮點(diǎn)功能將使嵌入式系統(tǒng)算法的開發(fā)與部署方式發(fā)生根本性變革。這聽起來似乎有點(diǎn)夸大其辭，不過事實(shí)的確如此。在定點(diǎn)數(shù)字系統(tǒng)中實(shí)施算法所付出的艱辛是不可估量的。但充分滿足對(duì)速度的需求又使這一工作勢(shì)在必行，因?yàn)榈侥壳盀橹故忻嫔线€沒有任何可供使用的快速浮點(diǎn)DSP。我們能夠輕松、便捷地將采用 Matlab 等浮點(diǎn)運(yùn)算工具開發(fā)的算法移植到 DSP 中，而無需費(fèi)力轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)方式處理。借助 TI 新型 C66x DSP 的浮點(diǎn)計(jì)算能力，大多數(shù)轉(zhuǎn)換工作已顯得沒有任何必要。

 

對(duì)二進(jìn)制數(shù)字表示的回顧

 

    包含 TI DSP 等在內(nèi)的所有數(shù)字處理器均采用帶比特串（0 和 1 組成）的二進(jìn)制形式表示數(shù)字。數(shù)字表示精度取決于所使用的比特位數(shù)和表示格式兩個(gè)方面。

 

    定點(diǎn)系統(tǒng)使用比特表示一個(gè)固定取值范圍，這些值既可以是整數(shù)，也可以是具有固定數(shù)量的整數(shù)及小數(shù)位的數(shù)字。動(dòng)態(tài)取值范圍因而顯得十分有限，而且超出設(shè)定范圍的值必須達(dá)到端點(diǎn)。 

 

     定點(diǎn)處理器通常采用每秒乘法計(jì)算次數(shù)表示其 16 位運(yùn)算性能。為了充分利用處理器的處理能力（例如，為獲得其宣稱的全部性能），為這些處理器開發(fā)的算法不得不在一系列預(yù)先確定范圍的數(shù)字上進(jìn)行操作。在定點(diǎn)實(shí)施過程中無法高效執(zhí)行難以預(yù)知范圍或變化幅度大的數(shù)據(jù)集。

 

     浮點(diǎn)表示通過采用科學(xué)計(jì)數(shù)法來提供更廣的動(dòng)態(tài)范圍，從而可使用尾數(shù)（或叫有效數(shù)字）及指數(shù)進(jìn)行表示。C66x 內(nèi)核可對(duì) 32 個(gè)比特位表示的數(shù)值實(shí)施單精度浮點(diǎn)運(yùn)算，其采用的表示形式如下：(−1)5 × M × 2(N−127)，其中 S 表示符號(hào)位，M 表示尾數(shù)或有效數(shù)字位，而 N 則表示指數(shù)。S 只有一個(gè)比特位，N 有 8 個(gè)比特位，而 M 以 23 個(gè)比特位表示。 這樣，數(shù)字表示范圍為 2−127 − 2128，并具有 24 比特精度的有效位。相比而言，16 比特位的定點(diǎn)算法僅能表示 216 個(gè)數(shù)值（從 0 到 65535），故其內(nèi)在數(shù)字表示的可變范圍要小很多。所以當(dāng)數(shù)據(jù)集或工作在該數(shù)據(jù)集上的算法不可預(yù)知、動(dòng)態(tài)變化幅度很大的情況下，浮點(diǎn)數(shù)字表示法更受青睞。另外很重要的一點(diǎn)是，有效數(shù)字始終以‘1’作為第一個(gè)數(shù)字，因此其數(shù)值始終保持 24 位精度。

TI 如何創(chuàng)造性地在同一內(nèi)核中同時(shí)集成浮點(diǎn)與定點(diǎn)技術(shù)

    最新 C66x DSP 內(nèi)核 —— 圖 1 顯示的 C64x+ DSP 是 TI 最新 C66x DSP 的前代產(chǎn)品。該內(nèi)核由兩個(gè)對(duì)稱的部分 (A & B) 組成，每部分具有四個(gè)功能單元。一個(gè) .M 單元包含 4 個(gè) 16 位乘法器。

 

圖 1 － TI C64x+ DSP

 

   圖 2 所示的 TI 最新 C66x 內(nèi)核具有同 C64x+ 內(nèi)核相同的基本 A & B 結(jié)構(gòu)。請(qǐng)注意，.M 單元的 16 位乘法器已增至每個(gè)功能單元 16 個(gè)，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)核原始計(jì)算能力提升 4 倍。C66x DSP 實(shí)現(xiàn)的突破性創(chuàng)新使得由 4 個(gè)乘法器組成的各群集可協(xié)同工作以實(shí)施單精度浮點(diǎn)乘法運(yùn)算。

 圖 2 － TI 最新 C66x DSP 內(nèi)核

 

 

    C66x DSP 內(nèi)核可同時(shí)運(yùn)行多達(dá)八項(xiàng)浮點(diǎn)乘法運(yùn)算，加之高達(dá) 1.25 GHz 的時(shí)鐘頻率，使其當(dāng)之無愧地成為市場上性能最高的浮點(diǎn) DSP。將多個(gè) C66x DSP 內(nèi)核進(jìn)行完美整合，即可創(chuàng)建出具有出眾性能的多內(nèi)核片上系統(tǒng) (SoC) 設(shè)備。

浮點(diǎn)技術(shù)的成本

 

    為使定點(diǎn)與浮點(diǎn)組件都能同時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳性能，TI 專為該款最新的 C66x 內(nèi)核開發(fā)了全新的浮點(diǎn)與定點(diǎn)指令，所有這些都對(duì)實(shí)現(xiàn)高效率的無線信號(hào)處理至關(guān)重要。由于采用浮點(diǎn)符號(hào)會(huì)帶來額外的計(jì)算復(fù)雜度，從而導(dǎo)致了定點(diǎn)與浮點(diǎn)處理器“分庭抗禮”的局面。在定點(diǎn)運(yùn)算情況下，加法、乘法等基本操作簡單易行，但在浮點(diǎn)運(yùn)算情況下，這些基本操作需要做更多工作量。比如兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)相乘的情形：

 

    請(qǐng)注意，指數(shù)需要相加操作，尾數(shù)則需要相乘操作。然后，最終 (M1×M2) 值需調(diào)整成 23 位的表示形式，這可能需要對(duì)指數(shù)的值也作更改。使用浮點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行所有基本運(yùn)算時(shí)將需要很多額外的操作。

 

     浮點(diǎn)計(jì)算帶來的額外復(fù)雜度恰好說明了眾多算法僅采用定點(diǎn)表示數(shù)和定點(diǎn)運(yùn)算的原因。嵌入式處理器能夠更快地運(yùn)行定點(diǎn)運(yùn)算，并且在眾多情況下，只需要定點(diǎn)算法即可。例如，C66x DSP 內(nèi)核在每個(gè)周期內(nèi)都能執(zhí)行 16 項(xiàng)定點(diǎn)乘法運(yùn)算或者是 4 項(xiàng)浮點(diǎn)乘法運(yùn)算。為使定點(diǎn)和浮點(diǎn)組件都能同時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳性能，TI 為該款最新的 C66x DSP 內(nèi)核開發(fā)了定點(diǎn)與浮點(diǎn)運(yùn)算指令，所有這些都對(duì)實(shí)現(xiàn)高效率的無線基站信號(hào)處理至關(guān)重要。浮點(diǎn)指令 FPi 包括：

1. 單精度復(fù)數(shù)乘法

2. 矢量乘法

3. 單精度矢量加減法

4. 單精度浮點(diǎn)－整數(shù)之間的矢量變換

5. 支持雙精度浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算（加、減、乘、除及與整數(shù)間的轉(zhuǎn)換）并且完全為管線式

 

最新定點(diǎn)指令可實(shí)現(xiàn)最佳的矢量信號(hào)處理 (VSPi)，其中包括：

1. 復(fù)數(shù)矢量和矩陣乘法，諸如針對(duì)矢量的 DCMPY，以及針對(duì)矩陣乘法的CMATMPYR1

2. 實(shí)矢量乘法

3. 增強(qiáng)型點(diǎn)積計(jì)算

4. 矢量加減法

5. 矢量位移

6. 矢量比較

7. 矢量打包與拆包

 

部分應(yīng)用采用定點(diǎn)技術(shù)的隱性成本

 

     盡管與浮點(diǎn)處理相比，DSP 能夠?qū)崿F(xiàn)更快的定點(diǎn)處理，但卻不得不為特定算法在開發(fā)時(shí)間方面相付出代價(jià)。通信系統(tǒng)典型的設(shè)計(jì)流程是首先基于計(jì)算機(jī)模型開發(fā)相應(yīng)算法，然后再將這些算法用在初始系統(tǒng)部署中。隨著部署及應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，工程師便可將收集到的現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)帶回實(shí)驗(yàn)室，以通過對(duì)算法的校正、調(diào)優(yōu)提升系統(tǒng)性能。通?？墒褂?Matlab 或其他固有的浮點(diǎn)工具開發(fā)新的算法。接下來面臨的挑戰(zhàn)是如何在保持算法和系統(tǒng)性能的同時(shí)，將這些浮點(diǎn)算法轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)算法。復(fù)雜拙劣的算法會(huì)占用大量系統(tǒng)資源，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的整體性能下降。在需要用到復(fù)雜處理的情況下，將 Matlab 中的代碼移植到真實(shí)系統(tǒng)中就算耗費(fèi)數(shù)周乃至數(shù)月的時(shí)間也不是什么罕見的現(xiàn)象。TI 最新架構(gòu)具有原生浮點(diǎn)支持，從而使從浮點(diǎn)到定點(diǎn)的整個(gè)轉(zhuǎn)換過程變得毫無必要。通過在 C66x DSP 上使用浮點(diǎn)指令，可輕松將代碼從 Matlab 等工具中進(jìn)行移植，并直接編譯至 TI 的 DSP 中，如圖 3 所示。

圖 3 － 浮點(diǎn)功能可大幅加速產(chǎn)品上市進(jìn)程

 

浮點(diǎn)技術(shù)在 4G 基站中的重要作用

 

    無線電話正不斷演進(jìn)發(fā)展成為需要高數(shù)據(jù)量傳輸以支持視頻流和其他高寬帶應(yīng)用的復(fù)雜媒體平臺(tái)。為了充分滿足這些需求，無線行業(yè)需要在基站中部署 WiMax 和 LTE 等最新的 4G 技術(shù)，力爭為終端用戶提供更高的數(shù)據(jù)吞吐量。這些 4G 基站利用多天線信號(hào)處理及 MIMO、Beamforming 等算法來提高其性能。通常情況下，這些算法會(huì)依賴本身易于量化和縮放與定點(diǎn)處理相關(guān)的問題的矩陣反演技術(shù)。采用浮點(diǎn)實(shí)施這些算法可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的速度及精確度，從而獲得更高性能，并最終為移動(dòng)電話用戶帶來更精彩的體驗(yàn)。

 

不斷增長、層出不窮的高性能應(yīng)用亟需浮點(diǎn)運(yùn)算功能

 

    之前我們已經(jīng)討論過，由于執(zhí)行每個(gè)基本算術(shù)運(yùn)算需要較長時(shí)間，所以浮點(diǎn)處理是很耗時(shí)的，但這種情況在當(dāng)算法需要很大動(dòng)態(tài)范圍操作時(shí)則不然。在 4G 處理的矩陣反轉(zhuǎn)操作中，由于沒有簡單可行的定點(diǎn)操作方法，因此算法雖然運(yùn)行于定點(diǎn)處理器（無原生浮點(diǎn)支持）中，但基本還是被迫對(duì)浮點(diǎn)運(yùn)算進(jìn)行仿真。由于處理器沒有獲得定點(diǎn)功能的優(yōu)勢(shì)，因而在與使用支持浮點(diǎn)運(yùn)算的處理器運(yùn)行時(shí)，這些算法的運(yùn)行速度要慢很多。C66x DSP 自身支持浮點(diǎn)功能，所以消除了這種性能瓶頸。例如，C66x DSP 內(nèi)核運(yùn)行 MIMO 及其他關(guān)鍵的多天線信號(hào)處理算法比在 C64x+ DSP 上運(yùn)行定點(diǎn)功能的相同算法整整快 4 倍。

 

    在國防、公共安全基礎(chǔ)設(shè)施及航空電子設(shè)備等各種任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用領(lǐng)域，浮點(diǎn)功能不僅可簡化開發(fā)，同時(shí)還能大幅提高性能。由于能夠直接使用 MATLAB 中的代碼，浮點(diǎn)不僅能夠顯著縮短開發(fā)周期，并且與大型 FFT 等定點(diǎn)代碼相比，眾多算法的浮點(diǎn)實(shí)施也會(huì)占用更少的執(zhí)行周期。例如，雷達(dá)、導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)會(huì)處理通過傳感器陣列獲取的據(jù)量。眾多傳感器組件的各種不同能源模式可提供與目標(biāo)的跟蹤和定位相關(guān)的信息。這組數(shù)據(jù)必須通過線性方程組處理才能提取到所需信息。解決辦法包括矩陣反演、分解與自適應(yīng)濾波等數(shù)學(xué)函數(shù)。對(duì)更高輸出精度與更大動(dòng)態(tài)范圍的需求促使這些功能在諸如C66x 等 1.25GHz 浮點(diǎn)引擎上實(shí)現(xiàn)出眾的表現(xiàn)。另外，C66x 擁有的 SIMD 增強(qiáng)以及每周期定點(diǎn)能力高達(dá) 1.25GHz 32 MAC 的卓越性能，也為設(shè)計(jì)人員在選擇適合其應(yīng)用的浮點(diǎn)與定點(diǎn)組合方面提供了極大的靈活性。

 

    除機(jī)器視覺、工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用外，超聲波等用于醫(yī)療影像的影像識(shí)別也需要非常高的計(jì)算準(zhǔn)確度，這些均可從浮點(diǎn)功能獲益匪淺。在進(jìn)行超聲波檢查時(shí)，必須對(duì)聲源發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行定義和處理，才能創(chuàng)建可提供實(shí)用診斷信息的輸出影像。對(duì)于用戶而言，C66x ISA 提供的更高精度可使影像系統(tǒng)達(dá)到更高的分辨率和識(shí)別率。

 

    浮點(diǎn)應(yīng)用眾所周知的領(lǐng)域便是語音處理，其不僅需要嚴(yán)格的時(shí)延，同時(shí)還需要超高的采樣率，這些都會(huì)極度依賴浮點(diǎn)功能提供的更高計(jì)算精度和更大的動(dòng)態(tài)可變范圍來適應(yīng)濾波及其他降噪算法。此外，機(jī)器人設(shè)計(jì)也會(huì)考慮寬動(dòng)態(tài)范圍。因?yàn)檠b配線上也許會(huì)發(fā)生難以預(yù)料的事件。浮點(diǎn) DSP 的寬動(dòng)態(tài)范圍可確保機(jī)器人控制電路以可預(yù)知的形式處理不可預(yù)知的狀況。

結(jié)論

    TI 最新的 C66x 內(nèi)核催生了基于 DSP 的嵌入式處理器及SoCs 的創(chuàng)新類別，因而您無需再在定點(diǎn)處理器還是浮點(diǎn)處理器之間進(jìn)行利弊權(quán)衡。這一革命性的進(jìn)步將從根本上改變實(shí)時(shí)系統(tǒng)算法的設(shè)計(jì)與開發(fā)方式，從而使得系統(tǒng)開發(fā)人員能夠輕松而快速地構(gòu)建極具差異化功能的全新解決方案。

 

更多詳細(xì)信息，敬請(qǐng)?jiān)L問 www.ti.com/c66multicore