［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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