TMS320C6678處理器的VLFFT演示

　　簡(jiǎn)介

　　本白皮書探討了TMS320C6678處理器的VLFFT演示。通過內(nèi)置8個(gè)固定和浮點(diǎn)DSP內(nèi)核的TMS320C6678處理器來執(zhí)行16K-1024K的一維單精度浮點(diǎn)FFT算法樣本，檢測(cè)其分別在采用1,2,4或8核時(shí)各自的運(yùn)行時(shí)間。演示的結(jié)果證明了C66X DSP內(nèi)核的優(yōu)異性能，以及TMS320C6678處理器跨多核平行化執(zhí)行性能與內(nèi)核數(shù)量成正比的特性。本文的演示采用FFT算法，該算法在諸如醫(yī)學(xué)成像、通信、軍事和商業(yè)雷達(dá)以及電子戰(zhàn)(干擾器、抗干擾器)等領(lǐng)域中被頻繁應(yīng)用。本文演示結(jié)果顯示，在運(yùn)行速率為1 GHz，DSP內(nèi)核為8個(gè)時(shí)，用TMS320C6678處理器執(zhí)行1024K的FFT算法樣本只需要6.4毫秒。

　　TMS320C6678 SoC

　　TMS320C6678處理器具有8個(gè)DSP內(nèi)核，是基于TI的C66x 固定和浮點(diǎn)DSP內(nèi)核以及 TI享有多核權(quán)利的創(chuàng)新型KeyStone構(gòu)架創(chuàng)建的。它運(yùn)行速度最高可達(dá)1.25GHz，在這個(gè)速度下它可以進(jìn)行每秒160千兆次浮點(diǎn)運(yùn)算，而且通常情況下消耗的電能不到10w。TMS320C6678處理器的特色是它每一個(gè)DSP內(nèi)核都有512KB的 L2內(nèi)存;此外，8MB的芯片內(nèi)存中有4MB的共享內(nèi)存，并且這兩個(gè)內(nèi)存都有糾錯(cuò)碼。它的DDR3界面是64位的，有8位糾錯(cuò)碼，運(yùn)行速度可以高達(dá)每秒1600兆比特，同時(shí)支持高達(dá)8GB的外部存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存取。此外，TMS320C6678的配套外設(shè)包括PCle、Serial RapidIO® 、Gigabit Ethernet以及TI的HyperLink界面，這個(gè)界面在連接到TI的其他DSP，ARM， ARM+DSP處理器以及第三方的FPGA時(shí)可以提供高達(dá)50Gbps的連接速度。

　　在本文的VLFFT演示中，TMS320C6678處理器運(yùn)行速度為1GHz，DDR3界面?zhèn)鬏斔俣葹?333MHz。

　　圖一：TMS320C6678框圖

　　VLFFT演示

　　由于VLFFT算法要求將輸入的數(shù)據(jù)存放在處理器的外部存儲(chǔ)器當(dāng)中，在本演示過程中，數(shù)據(jù)通過DSP內(nèi)核存取、分配和處理，最后將結(jié)果輸出到外部存儲(chǔ)器中。同時(shí)，在整個(gè)過程中始終保持循環(huán)計(jì)數(shù)和時(shí)間測(cè)量。演示時(shí)，為TMS320C6678處理器配置不同數(shù)量的內(nèi)核(1,2,4或8個(gè))來計(jì)算當(dāng)FFT大小不同時(shí)的結(jié)果，這些FFT規(guī)格包括：

　　• 16K

　　• 32K

　　• 64K

　　• 128K

　　• 156K

　　• 512K

　　• 1024K

　　在演示過程中，通過將計(jì)算負(fù)載分布到多個(gè)核和完全充分利用C66X DSP內(nèi)核高性能計(jì)算能力的方法來確保執(zhí)行FFT達(dá)到最大性能。同時(shí)運(yùn)用基礎(chǔ)時(shí)間抽取算法將一維VLFFT算法用類似的二維FFT算法來表達(dá)。這種方法是在遇到非常大的數(shù)據(jù)N時(shí)，分解成N=N1*N2的形式。在本演示過程中，如果一維輸入數(shù)組非常大，就采用N1行*N2列的二維數(shù)組來表示，然后通過以下步驟來計(jì)算FFT：

　　1. 計(jì)算N2列數(shù)組在N1行數(shù)組中不同大小時(shí)的FFT;

　　2. 乘以旋轉(zhuǎn)因子;

　　3. 存儲(chǔ)N2 列在N1行不同大小時(shí)FFT算法的結(jié)果，形成一個(gè)N2*N1的二維數(shù)組;

　　4. 計(jì)算N1行數(shù)組在N2列數(shù)組中不同大小時(shí)的FFT;

　　5. 存儲(chǔ)列方向上的數(shù)據(jù)形成N2*N1二維數(shù)組。

　　這個(gè)算法被Takahashi稱為Hitachi SR8000的高性能平行FFT算法。

　　在執(zhí)行多核算法時(shí)，第一步是計(jì)算N2列(核的數(shù)量)在N1行規(guī)格下的FFT算法，第四步是計(jì)算N1行(核的數(shù)量)在N2列規(guī)格下的FFT算法。0核是主核，負(fù)責(zé)與所有剩下的附屬核同步。根據(jù)N1數(shù)組和N2數(shù)組的大小，每一個(gè)內(nèi)核計(jì)算出來的FFT總數(shù)都被分成幾個(gè)較小的模塊以適應(yīng)每個(gè)核L2 SRAM內(nèi)存的空間。每一組數(shù)據(jù)都通過外部存儲(chǔ)器中的DMA 預(yù)取到L2 SRAM內(nèi)存中，然后通過DDR將數(shù)據(jù)返回到外部存儲(chǔ)器中。每個(gè)核都運(yùn)用2個(gè)DMA通道在外部存儲(chǔ)器(DDR3)和內(nèi)部存儲(chǔ)器(L2 SRAM)中轉(zhuǎn)化輸入和輸出的數(shù)據(jù)。

　　結(jié)果

　　下頁(yè)圖表1展示了TMS320C6678評(píng)估版(TMDSEVM6678LE)分別在一個(gè)DSP周期和一個(gè)毫秒單位時(shí)間內(nèi)運(yùn)行FFT代碼的結(jié)果。在理想狀態(tài)下，當(dāng)用于計(jì)算的內(nèi)核數(shù)量增加一倍，循環(huán)計(jì)數(shù)就會(huì)減少一半。但在現(xiàn)實(shí)中，由于存在信息運(yùn)行的天花板，同時(shí)受限于內(nèi)存大小和信息寬度(內(nèi)部存儲(chǔ)器)，這種情況很難實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，當(dāng)用雙核取代單核時(shí)，運(yùn)行FFT的時(shí)間平均減少了49.3 %，基本達(dá)到了理想的周期數(shù)的一半。當(dāng)用四核替代一核時(shí)，運(yùn)行FFT的時(shí)間平均減少了72.5%，而采用八核時(shí)平均運(yùn)行時(shí)間則減少了81.6%。

　　表格一：FFT分別在1/2/4/8DSP核時(shí)周期及毫秒的結(jié)果

　　由此我們可以看出，無論是雙核還是四核，隨著FFT的大小從16k增加到256k，運(yùn)行時(shí)間減少的幅度也越來越大，而采用八核時(shí)運(yùn)行時(shí)間減少的幅度更加劇烈。這是因?yàn)閷?duì)于較小的FFT，核數(shù)越多，并行代碼相對(duì)于額外增加核數(shù)來提高性能的代價(jià)要小很多。以前256KB的FFT，在提高性能方面的效果并不太理想，在雙核時(shí)只能提高2倍，四核時(shí)也只有4倍，而在八核時(shí)反而會(huì)降低其性能。這是由于八核處理數(shù)據(jù)的速度遠(yuǎn)高于外部存儲(chǔ)器傳輸數(shù)據(jù)的速度，從而使其存儲(chǔ)空間到達(dá)上限導(dǎo)致的。在本演示中，計(jì)算一個(gè)大小為1024k的FFT，即一百萬點(diǎn)的FFT，在采用8個(gè)DSP內(nèi)核，運(yùn)行速率為1GHz時(shí)，運(yùn)行時(shí)間僅6.4毫秒。

　　圖二：?jiǎn)魏伺c多核在性能上的提升

　　結(jié)論

　　綜上所述，用TI的TMS320C6678處理器來執(zhí)行一個(gè)百萬點(diǎn)的FFT，在1GHz的工作頻率下，8核同時(shí)運(yùn)行所需時(shí)間僅需6.4毫秒。如此高速的DSP內(nèi)核完全足以用來執(zhí)行某些應(yīng)用的實(shí)時(shí)運(yùn)算，比如雷達(dá)、電子戰(zhàn)爭(zhēng)和醫(yī)學(xué)繪圖等。如果用最大速度1.25GHz來運(yùn)行TMS320C6678處理器，同時(shí)采用更高帶寬的DDR3和1600MTPS的話，執(zhí)行運(yùn)算所需時(shí)間會(huì)更短。