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(shí)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(diǎn)FFT卷積的高效地實(shí)現(xiàn)顯得非常重要。基于重疊相加FFT卷積方法，設(shè)計(jì)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(diǎn)FFT卷積實(shí)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(jì)，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(shí)驗(yàn)表明，參與運(yùn)算的采樣點(diǎn)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(huì)越高。當(dāng)采樣點(diǎn)達(dá)到1M時(shí)，系統(tǒng)的平均任務(wù)平行度達(dá)到了5.33，消耗了2.745×106個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期數(shù)，并且絕對誤差精度達(dá)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(yùn)算廣泛地應(yīng)用在雷達(dá)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(diǎn)填充數(shù)據(jù)流，大點(diǎn)FFT卷積運(yùn)算中，HMPS成為這種數(shù)據(jù)密集型和計(jì)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(jì)算處理能力，具有良好的可拓展性和低功耗等。

大點(diǎn)FFT卷積實(shí)現(xiàn)需要大量復(fù)雜計(jì)算，成為濾波器設(shè)計(jì)的瓶頸。本文首先介紹并總結(jié)大點(diǎn)FFT卷積運(yùn)算原理以及推導(dǎo)方法；其次，展示HMPS系統(tǒng)架構(gòu)和詳細(xì)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(jìn)目標(biāo)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：

基于異構(gòu)多核可編程系統(tǒng)的大點(diǎn)FFT卷積設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由式(2)和式(3)推導(dǎo)可知，當(dāng)計(jì)算大點(diǎn)FFT卷積時(shí)，首先，計(jì)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(gè)分段序列后追加M-1個(gè)0，同時(shí)將時(shí)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?yàn)V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(diǎn)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(yùn)算，最后在時(shí)域中，將上一份段的后M-1點(diǎn)與下一分段的前M-1點(diǎn)重疊相加即為最終濾波結(jié)果。

2 基于NoC平臺(tái)的HMPS

異構(gòu)多核可編程系統(tǒng)HMPS主要應(yīng)用在高密度計(jì)算中，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)資源節(jié)點(diǎn)，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(jìn)行傳遞。同時(shí)，該多核系統(tǒng)集成的資源節(jié)點(diǎn)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(diǎn)運(yùn)算單元簇。該系統(tǒng)的32 bit浮點(diǎn)運(yùn)算單元主要有協(xié)處理器簇（COP Cluster）、可重構(gòu)運(yùn)算單元簇（RCU Cluster）和FFT/IFFT簇，滿足IEEE-754單精度浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)。在NoC平臺(tái)下的每個(gè)資源節(jié)點(diǎn)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(yùn)行時(shí)，所有的資源節(jié)點(diǎn)必須滿足片上網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)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。