0 引言

    隨著技術的進步，電子產品更新換代的速度越來越快。單純提高主頻來提升系統性能的方式已經接近瓶頸，而使用多片處理器搭建系統又不符合產品的小型化要求。傳統的單核處理器已經不能滿足日益增長的性能需求，能夠完成并行任務處理的多核處理器應運而生。現代多核處理器主要依靠增加核數而不是頻率來提升性能，同時芯片的高集成度也帶來了資源調度和功耗等問題。隨著多核處理器并行度的增加，各類同構、異構多核處理器的出現使得軟件開發面臨著巨大的挑戰。如何在多核上高效地實現算法，如何合理地分配資源都是需要解決的問題。

1 多核DSP器件簡介

    TMS320C6678是德州儀器公司(Texas Instruments，TI)在2010年推出的一款經典的同構多核數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）^[1]，包含8個DSP內核，每個核在1.4 GHz的最高工作頻率下性能可達到22.4 G每秒浮點運算次數(FLoating-point Operations Per Second，FLOPS)，支持Hyperlink等多種高速接口，可廣泛用于移動通信、醫療電子、高性能計算等領域。

    核間通信（Inter Processor Communication，IPC）以及核與外設的通信是多核軟件開發的關鍵所在。針對這一需求，德州儀器公司在其新一代Keystone架構的處理器上提供了多核導航器，包括硬件隊列管理器和基于包的直接存儲訪問（Direct Memory Address，DMA），以實現核間高速數據傳輸。使用多核導航器進行核間通信，可以通過軟件對相應的控制寄存器進行讀寫和查詢實現，也可通過內部硬件進行事件觸發實現，這種方式可大大簡化核間通信處理，但是仍存在缺點。一旦軟件拓撲結構發生改變，或者需要調整核的運算負載來提升系統性能時，這部分工作量很大，而且應用受限于廠商。

2 多核通信應用程序接口概述

　　多核通信應用程序接口MCAPI（Multicore Communications Application Program Interface）是由多核聯盟提出的基于消息傳遞的輕量級應用程序接口標準^[2]，特別適用于嵌入式系統處理器核間通信和同步。MCAPI的應用不受處理器核的數目、處理器架構以及操作系統的限制，并且提供了源碼級的兼容性支持，可擴展性很強。

    相對于普通的多片處理器間通信來說，多核處理器的核間通信普遍要求低延遲、高帶寬。大部分多核處理器都包含片上存儲器或高速緩存（cache）。為了避免出現計算瓶頸，核間通信需要減少不必要的存儲器訪問。

    MCAPI中定義了域(domain)、節點(node)、端點(endpoint)、通道(channel)等關鍵概念。域是依賴于具體實現的，既可以是具有多個處理器核的單個芯片，也可以是板上的多個處理器。節點可以是線程、處理器或硬件加速器等，通常可用處理器核作為節點。端點是類似于套接字的通信點，一個節點通常包括多個端點。通道提供了一對端點之間的點到點的先入先出(First In First Out，FIFO)存儲器用于通信，方向為單向的。

    此外，MCAPI定義了3種通信基本類型：消息、包通道和標量通道。消息是最常用的通信類型，提供了端點之間收發數據的機制，支持優先級動態調整，可用于同步、初始化和負載平衡，如圖1所示。包通道和標量通道提供了輕量級的流通信機制，相應的程序開銷很小。

3 基于Poly-Platform工具的多核軟件開發流程

3.1 Poly-Platform工具簡介

    Poly-Platform是PolyCore公司提供的針對多核軟件開發的集成開發工具套件^[3]，包含Poly-Mapper、Poly-Generator、Poly-Messenger/MCAPI、Poly-Templates等功能模塊。采用該工具進行開發可以基于MCAPI標準建立應用程序節點，利用用戶圖形界面(Graphical User Interfaces，GUI)向導自動生成代碼，在幾乎不修改源代碼的基礎上，實現應用程序在同構多核、異構多核、多處理器等不同平臺上的靈活配置和擴展，不受限于廠商，應用前景廣闊。

3.2 多核軟件開發流程

    將Poly-Platform軟件使用插件方式集成到Eclipse軟件環境中后會在TI的Code Composer Studio開發環境下出現相應的菜單和選項，即可進行基于Poly-Platform的多核軟件開發。這里選擇TMS320C6678多核DSP器件進行開發，并且以8個DSP核之間依次相連并傳遞數據的環形拓撲結構為例描述開發流程。

    (1)建立拓撲結構。首先建立一個拓撲（Topology）工程，拓撲主要描述了應用程序在（多核）平臺上的映射關系。借助Poly-Mapper工具在建立工程后生成的拓撲映射文件中進行屬性設置，選擇處理器類型，設置節點個數為8（對應8個DSP核），名稱分別為N0—N7，操作系統為TI的DSP專用操作系統。然后在拓撲圖中繪制8個節點，并在每個節點中間繪制一條鏈路（link），得到環形結構的8節點拓撲結構圖，如圖2所示。

    (2)建立內存映射文件并分配資源。建立內存映射文件并分配若干個段(section)，設置其起始地址、大小、方向等參數。這些段分別用于內存訪問區域(Memory Access Regions，MARs)和鏈路（link）。其中內存訪問區域包括一些常用的資源池（pool），如消息池、消息隊列池、數據池、等待池等，不同節點之間通過MARs共享資源可以提高資源利用效率，提升系統性能。鏈路即對應拓撲結構圖（見如圖2）中各節點之間的通信鏈路，

    (3)在拓撲結構圖中進行內存映射。針對每一個節點（N0—N7），設置其可訪問的內存訪問區域。然后，還需要對內存訪問區域包含的每一個資源池進行參數設置，如起始地址等。同樣地，對鏈路也需要進行參數設置。

    (4)建立節點工程。這里與常規的DSP開發流程基本一致，針對8個節點（對應處理器核）分別建立節點工程，然后需要將這8個節點工程與第一步建立的拓撲工程建立映射關系。

    (5)編寫初始化代碼和配置文件。首先利用Poly-Generator工具將拓撲結構圖轉化為基于拓撲定義的C語言和相應的頭文件，并存放到每個節點工程的工作目錄下。然后利用Poly-Template工具，按照軟件自帶的MCAPI模板，自動為每個節點工程生成節點初始化文件和硬件初始化文件。最后編寫TI專用的實時軟件組件(Real Time Software Component，RTSC)配置文件和用于存儲器分配的連接器命令文件。

    (6)編寫每個節點工程的主函數。主函數主要內容包括調用節點初始化函數，硬件初始化函數，以及節點之間消息收發的函數（基于MCAPI）等。這些都可以利用Poly-Template工具提供的模板快速完成。圖3為用模板生成的代碼示例，其功能為N1節點接收消息，然后將其加1后再發送給N2節點。

    (7)編寫每個節點工程的應用程序。將用戶的算法進行代碼實現并加入節點工程，這一步與常規的DSP開發流程完全一致。

    (8)建立目標配置文件和RTSC平臺。首先建立用于仿真調試的目標配置文件，然后建立RTSC平臺用于硬件配置，并將其加入節點工程。這些都是TI專用的文件。

    (9)編譯、調試、運行。對每個節點工程進行編譯、調試、運行，觀察程序運行結果。注意不要編譯拓撲工程。

    (10)程序性能分析和優化。借助Poly-inspector工具提供的交互式報告環境，可以對多核軟件實現進行性能分析，方便用戶進行程序優化和調整。

4 某雷達信號處理軟件設計方案示例

    某雷達信號處理機采用TI的TMS320C6678多核DSP為主處理芯片，功能為雷達導引頭主動探測處理^[4]。其拓撲結構為主從方式，核0為主控核，負責DSP內部資源配置和初始化、自檢、波形參數控制、波門控制、對外接口控制等，核1、核2、核3分別負責和通道、方位差通道、俯仰差通道的脈壓數據相干積累、恒虛警檢測、測距等，其他核未使用，目前已完成軟件設計和實現。但是，現根據項目需要增加被動信號處理功能和由此新增的部分對外接口，軟件架構發生較大改變。此時如果仍舊采用傳統的DSP軟件開發方法，則軟件移植的工作量較大，特別是需要重新設計核間通信的代碼。而采用基于MCAPI的多核軟件開發方法^[5]并借助Poly-Platform軟件進行開發，就可以保留原有的應用程序不變，快速、靈活地生成新的拓撲結構，并按照軟件模板快速生成符合標準的核間通信程序，代碼改動量很小。采用方案為新增一個核4負責被動信號處理，同時新增1個核5，負責新增的對外接口，以及核0負責原有的一部分工作，以實現運算負載平衡，如圖4所示。在實際中根據需要還可快速地改為其他拓撲結構并進行性能優化，比如將主從拓撲結構改為數據流結構。

5 結論

    當前計算環境變得越來越多元化，DSP、可編程邏輯器件（Field Programmable Gate Array，FPGA）、圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）都具有較強的運算能力，并適用于不同的應用場合。多核處理器是當前的研究熱點，而高集成度的異構多核處理器是未來的發展趨勢。基于多核的軟件開發始終是一個難點，給軟件開發人員帶來了巨大的挑戰。本文提出的基于MCAPI的多核軟件開發方法可應用于同構多核、異構多核以及多處理器平臺，通用性較強，不受廠商、處理器、操作系統的限制，可幫助用戶簡化軟件設計和優化過程中的拓撲設計、運算負載平衡以及核間通信和資源分配等工作，顯著地提升開發效率。

參考文獻

[1] Texas Instruments，Inc.TMS320C6678 multicore fixed and floating-point digital signal processor[Z].2014.

[2] The Multicore Association.Multicore Communications API (MCAPI) Specification V2.015[Z].2011.

[3] PolyCore Software，Inc.Poly-Platform user guide[Z].2012.

[4] 楊康.基于多核DSP的彈載毫米波雙模制導雷達關鍵技術研究[D]．南京：南京航空航天大學，2013.

[5] ERIC G.Using MCAPI/MDMA for ADSP-SC58x Dual-SHARC Audio Talkthrough[Z].2015.