異構(gòu)多核可編程系統(tǒng)原理與應(yīng)用

摘 要： 如今FFT卷積廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號處理，并且過去幾年證實了異構(gòu)多核可編程系統(tǒng)（HMPS）的發(fā)展。另外，HMPS已經(jīng)成為DSP領(lǐng)域的主流趨勢。因此，研究基于HMPS大點FFT卷積的高效地實現(xiàn)顯得非常重要?；谥丿B相加FFT卷積方法，設(shè)計一款針對輸入數(shù)據(jù)流的高效流水重疊相加濾波器。介紹了基于HMPS的大點FFT卷積實現(xiàn)，獲得了高精度的濾波效果。此外，采用流水技術(shù)的濾波器設(shè)計，提高系統(tǒng)處理速度、數(shù)據(jù)吞吐率和任務(wù)并行度。基于Xilinx XC7V2000T FPGA開發(fā)板上的實驗表明，參與運算的采樣點越大，系統(tǒng)的任務(wù)并行度、處理速度和數(shù)據(jù)吞吐率就會越高。當采樣點達到1M時，系統(tǒng)的平均任務(wù)平行度達到了5.33，消耗了2.745×106個系統(tǒng)時鐘周期數(shù)，并且絕對誤差精度達到10-4。

0 引言

在數(shù)字信號處理領(lǐng)域，長沖激響應(yīng)的數(shù)據(jù)流卷積運算廣泛地應(yīng)用在雷達接收匹配濾波器、數(shù)字通信、圖像處理和信號接收帶通濾波器等中。FFT卷積方法將線性卷積轉(zhuǎn)換到頻域，通過使用有效的FFT處理器，對于數(shù)據(jù)流處理是有效算法，具有很高數(shù)據(jù)處理速度，但數(shù)據(jù)吞吐率很低。為了使用FFT卷積方法處理數(shù)據(jù)流，F(xiàn)FT處理器必須多路復(fù)用，以保持處理速度和吞吐率同步。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展，HMPS已經(jīng)成為IC主流趨勢，并且在很多應(yīng)用領(lǐng)域成為最具有發(fā)展前景的硬件處理技術(shù)[1，2]。因此，在處理零點填充數(shù)據(jù)流，大點FFT卷積運算中，HMPS成為這種數(shù)據(jù)密集型和計算密集型任務(wù)的最佳解決方法。為了獲得高吞吐率和處理速度，研究基于NoC[3]互聯(lián)的HMPS，充分利用其并行計算處理能力，具有良好的可拓展性和低功耗等。

大點FFT卷積實現(xiàn)需要大量復(fù)雜計算，成為濾波器設(shè)計的瓶頸。本文首先介紹并總結(jié)大點FFT卷積運算原理以及推導(dǎo)方法；其次，展示HMPS系統(tǒng)架構(gòu)和詳細的算法映射方案；最后，給出系統(tǒng)性能參數(shù)，包括結(jié)果誤差比較、系統(tǒng)任務(wù)并行度、硬件資源消耗和針對系統(tǒng)性能的改進目標和方向等[4，5]。

1 重疊相加算法原理

如圖1所示，重疊相加FFT卷積方法是將采樣序列劃分成具有L等長度的數(shù)據(jù)片段。假設(shè)抽頭系數(shù)h(n)長度為N，采樣序列x(n)為無限長，將x(n)序列等分成長為L的數(shù)據(jù)片段，如式(1)所示：
?

?

那么，序列h(n)和x(n)的FFT卷積為濾波結(jié)果，定義如下：

?

由式(2)和式(3)推導(dǎo)可知，當計算大點FFT卷積時，首先，計算分段片段的線性卷積yk(n)，然后將分段片段的卷積結(jié)果重疊部分相加，則為最終濾波結(jié)果y(n)。

為了避免混疊效應(yīng)，對于長度為M的濾波沖激響應(yīng)，將各個分段序列后追加M-1個0，同時將時域卷積轉(zhuǎn)換成頻域相乘，在采樣序列為N的DFT中，其中N≥L+M-1，由式(4)可得頻域濾波結(jié)果：

其中H(k)為濾波器的頻域響應(yīng)，X(k)和Y(k)分別代表采樣序列和濾波結(jié)果的頻域響應(yīng)。在零點填充的沖激響應(yīng)序列和分段序列轉(zhuǎn)換成頻域相乘之后，將各分段濾波結(jié)果求逆FFT運算，最后在時域中，將上一份段的后M-1點與下一分段的前M-1點重疊相加即為最終濾波結(jié)果。

2 基于NoC平臺的HMPS

異構(gòu)多核可編程系統(tǒng)HMPS主要應(yīng)用在高密度計算中，該系統(tǒng)設(shè)計不僅能滿足某些特殊類型操作，而且還具有一定的通用性。

如圖2所示，基于7×6 2D mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的HMPS系統(tǒng)架構(gòu)具有22個資源節(jié)點，所有的操作數(shù)和狀態(tài)控制信息等通過該通信網(wǎng)絡(luò)進行傳遞。同時，該多核系統(tǒng)集成的資源節(jié)點類型主要有：Flash簇、主控制器簇（Main Controller Cluster）、以太網(wǎng)口簇（Ethernet Port Cluster）、三層網(wǎng)絡(luò)、4GB的DDR3簇以及3種浮點運算單元簇。該系統(tǒng)的32 bit浮點運算單元主要有協(xié)處理器簇（COP Cluster）、可重構(gòu)運算單元簇（RCU Cluster）和FFT/IFFT簇，滿足IEEE-754單精度浮點標準。在NoC平臺下的每個資源節(jié)點分別具有轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)請求包的狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)、下發(fā)配置信息的配置網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌娐方粨Q網(wǎng)絡(luò)（PCC）。在任務(wù)運行時，所有的資源節(jié)點必須滿足片上網(wǎng)絡(luò)通信機制和主控制器任務(wù)調(diào)度管理來協(xié)同處理，發(fā)揮系統(tǒng)高性能優(yōu)勢。

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2.1 Flash簇

系統(tǒng)進行上電復(fù)位之后，由Flash簇中固化的配置引導(dǎo)信息完成HMPS系統(tǒng)任務(wù)初始化工作。

2.2 主控制器簇

通過向DDR請求配置信息，對參與任務(wù)的簇配置，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)請求/應(yīng)答信息，接收DDR發(fā)出的任務(wù)切換信息，進行任務(wù)切換, 完成系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度。

2.3 以太網(wǎng)口簇

實現(xiàn)上位機軟件與FPGA芯片之間的數(shù)據(jù)交換，下發(fā)系統(tǒng)任務(wù)運算的配置信息和原數(shù)據(jù)以及回傳運算結(jié)果數(shù)據(jù)，網(wǎng)口簇是HMPS調(diào)試的必要手段。

2.4 三層網(wǎng)絡(luò)