基于多dsp并行系统的软件设计与实现

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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于多DSP并行系统的软件设计与实现 姓名：刘念 申请学位级别：硕士 专业：模式识别与智能系统 指导教师：汪国有 20081226 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 并行计算机的概念自 70 年代被提出，近四十年中，蓬勃发展，并行技术日趋成 熟。大量实际应用部门，例如数值天气预报、核武器、石油勘探、地震数据处理， 飞行器数值模拟和大型事务处理，生物信息处理等，都需要高性能实时处理技术的 支持。基于这些应用问题本身内部存在的并行性和单机性能的限制，并行计算是满 足他们需求的唯一和可行途径。

2、与此同时，嵌入式技术凭借其功能高适应性，高可靠性，成本低，体积小，功耗 低的强大优势，得到了广泛的应用。 本文主要研究了多 DSP 并行处理系统的软件设计，涉及并行处理系统的系统结 构，嵌入式实时操作系统在数字信号处理芯片（DSP）上的移植及应用，信号处理并 行算法优化的研究等等。本文对组成并行处理系统的要素：并行处理网络结构，嵌 入式实时操作系统，应用模块开发进行了详细的论述。设计和实现基于由 TigerSHARCDSP组 成 的 分 布 式 多 处 理 器 互 联 平 台 ， 在 采 用VDK RTOS(VisualDSP+ Kernel)组成的并行系统之上进行处理任务分配和调度，针对 F

3、FT， FIR 滤波等并行算法进行优化分析，提出了一些通用信号处理算法( FFT、FIR ) 在并行系统上提高性能的任务分配和算法改进方法。 关键字关键字：VDK 并行处理 信号处理算法 TigerSHARCDSP VisualDSP+ 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract The concept of parallel computer has been raised since the 70s, nearly four decades of growth and development in parallel

4、 technology matures. The practical applications, such as weather prediction, nuclear, oil exploration, seismic data processing, aircraft simulation and large transaction processing, bio-information processes need high-performance real-time processing technology. Based on these applications that exis

5、t within the problem itself and stand-alone performance parallel constraints, parallel computing is to meet their needs and the only feasible way. At the same time, embedded technology by virtue of its function of high adaptability, high reliability, low cost, small size, low power consumption advan

6、tages, has been widely used. This paper studies a multi-DSP parallel processing system software design, involving parallel processing system architecture, embedded real-time operating system in the digital signal processing chip (DSP) on the transplant and the application of parallel signal processi

7、ng algorithm research and so on. In this paper, parallel processing system composed of elements: the network structures, embedded real-time operating system, development of application modules are discussed in detail. Design and Implementation by the TigerSHARC DSP-based component of the distributed

8、 multi-processor platform for the Internet, with the introduction of VDK RTOS (VisualDSP + + Kernel), composed of parallel systems to deal with the task allocation and scheduling, for FFT, FIR filtering, parallel algorithm optimization analysis, made a number of common signal processing algorithms (

9、FFT, FIR) in the parallel system to improve the performance of the distribution of tasks to improve the methods and algorithms. Keywords: Parallel Processing DSP Processing Algorithm VDK 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和

10、集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描复制保存手段和汇编本学位论文。 保 密，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期：2008 年 12 月 26

11、日 日期：2008 年 12 月 26 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 在科学计算、地质分析、气象预测、仿真模拟、图像处理以及实时信号处理领 域以及近年来出现的如移动通讯、多媒体技术和软件无线电技术新技术和众多新的 军事应用技术等。在这些领域以及新兴技术中往往包含着大量信号处理任务，采用 的信号处理算法越来越复杂，计算量也越来越大，对任务的实时性的要求也越来越 高，以致以往用于大型计算机的并行处理技术越来越多地应用到信号处理中来。 在各种层次信号处理的硬、软件并行处理技术中，采用多处理器对信号进行并 行处理和

12、算法的并行化是一个正在受到日益重视的研究方向。本文结合课题需要， 主要以电子系统综合测试、分析和处理应用领域为方向，研究多 DSP 并行处理系统 软硬件设计和开发。 1.1 多处理器并行处理技术概述多处理器并行处理技术概述 1.1.1 并行处理技术的产生并行处理技术的产生 随着电子科学技术的发展，众多领域对计算机处理速度的要求越来越高。在实 时信号处理领域， 几十个通道/阵元的雷达系统必须具备每秒300亿次的运算速度才能 在复杂环境中实时检测出目标。现在对处理速度的要求己经达到每秒百亿次运算以 上，而将来会增长到每秒万亿次以上。与此同时，传统单处理机系统的性能在迅速 提高后，受到VLSI器件开

13、关速度、连线延迟以及VLSI理论特征尺寸的限制，运算速 度的进一步提高变得越来越困难。因此，满足对运算速度的巨大需求就产生了并行 处理技术，实现通过并行处理来提高处理机计算性能。 1.1.2 并行处理技术的发展并行处理技术的发展 并行处理是指处理器、存储器、I/O 设备以及配套的并行软件在同一时刻进行同 时操作的概念1。它涉及的范围很广，包括并行结构、并行算法、并行操作系统、并 行语言及其编译系统等。根据要解决的问题的有关并行特征和可能使用的并行计算 单元的特性，选用适当的并行算法和并行程序设计技术。编写出正确高效的并行程 序，是并行处理技术中的关键技术之一，要设计出好的并行算法，必须对并行计

14、算 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 机的硬件结构、软件系统有足够的了解，让设计的并行算法适合特定的硬件和软件 系统。并行处理机的设计是一门综合性很强的应用领域，涉及到算法研究、VLSI 设 计理论、系统结构、网络拓扑等多个方面。并行处理的目的是采用多个处理单元同 时对任务处理而减少任务的执行时间，如何能以最短的时间完成任务是并行处理机 设计者最为关心的问题。 并行信号处理机的两个基本性能(加速比和并行效率)取决于并行处理机的三个 因素:处理单元、并行处理机的网络结构、并行算法程序和任务分配方法2。处理单 元是并行处理的核心，高

15、性能的处理单元可以提高系统性能，减少系统体积和功耗， 降低结构复杂性和提高软件可维护性。并行处理机的网络结构为各处理单元提供数 据交换的通路并负责任务传送和控制调度信号的传递。任务分配和并行算法的好坏 直接影响并行处理机性能，并行算法的好坏主要以其并行度高低来衡量，并行算法 和并行程序的设计复杂度远远大于传统的串行算法和串行程序设计，更多地依赖处 理机结构，现有的并行算法远远不能满足并行处理的需要。目前还缺乏一种有效的 并行开发系统和并行设计语言，己有的并行语言要么过于简单而不能充分描述任务 的并行性，要么复杂的必须依赖于某一特定的处理机结构而应用范围狭窄。对大多 数实时信号处理来说，信号处理

16、任务的类型基本上是确定的，这就缩小了设计者的 范围，减少了程序设计的难度。 1.1.3 数字信号处理器数字信号处理器(DSP)并行处理的发展并行处理的发展 数字信号处理器(DSP)芯片以其独特的总线结构和强大的处理能力广泛用于通 信、雷达信号处理、图像处理、工业控制及医用电子学等领域，并已成为信号处理 应用中不可缺少的器件3。自第一个微处理器问世以来，数字信号处理器(DSP)技术 水平迅速提高。从1982年TI公司推出16bit定点DSP TMS320C10以来，DSP的性能发 展迅速，首先，DSP时钟频率不断增加:第一代的TMS320C10完成MAC(乘累加)还需 要390ns,第三代使TMS320C6201平均在3ns左右就可以完成一组MAC的操作。AD公 司最新一代的TigerSHARC DSP时钟频