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发信人: cgl (老顽童), 信区: ECE
标题: DSP编程和多个DSP并行处理
发信站: 紫丁香 (Thu Sep 23 11:47:27 1999), 转信

　　一、DSP程序开发

　　为了使DSP有效运行、必须要用能充分考虑DSP内部并
行性的汇编语言进行编制DSP程序。前面提到，美国TI公
司的DSP推销员说DSP编程容易，实际上他是指DSP的汇编语
言相对于计算机的汇编语言而言，比较容易一些，因为没
有像计算机汇编语言那样复杂。但是，对于习惯用高级语
言编程的用户，利用DSP汇编语言编程还是有困难的。因
为，汇编语言是面向机器的程序设计语言，它是一种把机
器语言（机器指令码）符号化的低级程序设计语言。使用
计算机汇编语言的用户一定要熟悉机器硬件结构和指令系
统；使用DSP汇编语言的用户一定要熟悉DSP芯片内部结构
和指令系统，这对于DSP用户来说也实非容易的事情。

　　从发展DSP应用角度观察，应该有相当规模的DSP开发
应用队伍，这个队伍的成员应该掌握使用汇编语言Assemb
lyLanguage编程基本功，才能开发出高效率的DSP应用程
序。特别是在利用多个DSP芯片开展并行处理应用时，具有
这种编程基本功底是绝对必要的。甚至，在某些专业应用
领域，诸如，日本简易便携电话PHS、磁盘驱动器里的控
制系统等，可能仅有一块DSP芯片，供编程的空间很小，需
要用DSP指令编写高效率精干的小程序。因为，利用汇编
语言编制应用程序，DSP还需要一种汇编程序Assembler通
过代真把源程序中各个符号转换成DSP可执行的指令代码。
Assembler也要占用DSP的有限存储空间。前文提及的正确
理解DSP，实际上也包括这一层含义。也就是说，不对DSP
的性能和结构有透澈地了解，很难推广DSP应用。

　　从DSP编程角度观察，需要重视以下两点：首先，DSP
处理任务的执行时间要给予重视，其次，C语言及其编译
程序Compiler支持工具也很重要。这是日本武藏工业大学
的学者曾祢元隆等研究DSP应用的重要心得体会，对于推广
DSP应用具有重要意义。

　　现在，美国TI公司尽管已提供软件支持工具，但是，
对于并行执令还有一定的困难。如今美国、墨西哥和日本
武藏工业大学等，正在积极地开发更好用的编译程序，除
了特殊指令以外，已经可以实现自动翻译。日本武藏工业
大学的DSP研究与开发状况如下：对于TI公司的DSP系列产
品中的C40和C3X的新编译程序已基本上开发出来，对于其
他的DSP用的软件工具正在加紧研究与开发之中。

　　二、多个DSP并行处理

　　随着数字信号处理器DSP芯片逐年增多和芯片价格的
降低，多个DSP芯片并行处理的实用化研究，成为近年来DS
P研究热点之一。提起多个DSP并行处理，使人们很快联想
到跨入九十年代的超级并行处理MPP（MassivelyParalleP
rocessing）巨型机热潮。这类机器一上市，宣称具备三
大特点：

　　〈1〉高性能—MPP巨型机的峰值处理性能可以理解为
单个微处理器的性能与系统内容纳的微处理器总个数的乘
积，系统里链接的MPU个数愈多，则峰值处理速度愈高；

　　〈2〉伸缩性—系统伸缩性包含多种含义，系统性能
、系统通信带宽等都与系统内链接的微处理器个数成线性
增长关系，系统规模可大可小，表现出良好的可伸缩性；

　　〈3〉高性能／价格比—无论CISC还是RISC微处理器M
PU都是工业化大生产的标准产品，构筑成MPP巨型机，其
性能可同向量机媲美，而价格仅为向量巨型机的1／10甚至
更低，堪称是高性能／价格比。

　　九十年代初期的MPP巨型机，由于技术不够成熟，特
别是编译系统不成熟，导至MPP巨型机实际有效性能仅为其
峰值处理速度的1／10以下。早期的MPP巨型机厂家，如象
赫赫有名的美国TMC公司、KSR（KendallSquareResearch
）公司都先后倒闭，美国著名的小巨型机厂家Convex公司
已被HP公司并购。但是，这些有创见的小公司开发的先进
技术，依然存在并经过不断改进正被发扬光大。例如，有
关的“超级计算机更高无尽头”报道，MPP巨型机的峰值处
理速度已超过1TFLOPS，正向100TFLOPS冲刺。

　　现在，对于超级并行处理MPP技术已历经多年探索研
究，正开始走出摇篮期向成熟化方向迈进。据日本京都大
学工学部教授富田真治分析，MPP技术走向成熟，将需在以
下5方面取得突破性进展：〈1〉并行处理语言、调试程序
和软件工具，要求实现标准化；〈2〉需要加强应用研究
，掌握和理解大规模应用程序，要对并行处理程序的处理
类型分类，需要有基准测试程序评价；〈3〉研究MPP巨型
机的单元处理器的体系结构，优化出单元处理器结构；〈4
〉共享存储器结构和消息传送结构有待进一步研究，大规
模共享存储器系统里，缓存控制采取登录方式可能会有大
发展；〈5〉高速互连网络和同步结构是MPP系统的重要组
成部分，有待进一步研究和发展。美国NII构想的核心部
分HPCC计划已接近尾声，日本与美国HPCC对抗的计划Manda
la正在实施，将必然要对上述MPP关键性技术取得突破性
进展。

　　在这样的背景下，国际上出现多个DSP并行处理研究
与开发热点，显然是紧密相关的。因为，把MPP系统与现在
研究的多个DSP并行处理系统两相对照（参阅图1所示的多
个DSP网络拓扑结构），不难发现MPP系统和多个DSP并行
处理系统极为相拟。现在之所以称图1所示的系统为多个DS
P并行处理系统，是因为网络结点上的处理器是数字信号
处理器DSP。假若标明处理器是复杂指令集计算机CISC型或
精简指令集计算机RISC型微处理器MPU，则该系统就是超
级并行处理巨型机系统。因此，现在出现的多个DSP网络拓
扑结构或者多个DSP并行处理系统并不是新东西，而是现
代MPP技术向数字信号处理领域扩散的结果。现代科学技术
高度综合发展的今天，各种科学技术相互交叉和渗透，MP
P技术扩展到数字信号处理领域也是很自然的。

　　欧美各工业发达国家已把DSP并行处理系统中结点处
理器个数扩展到128个，试图获得更高的信号处理速度。日
本武藏工业大学现已研制出几种DSP网络，例如，C25 16
、C40 32和86220 16等，实现高速运算。据该大学的DS
P研究与开发实践发明，利用多个DSP执行大规模处理任务
时，各DSP之间交换数据实现数据通信和对各DSP均衡地分
配处理任务，都是重要的研究课题。这个问题不解决，尽
管网络里有多个DSP结点，也是不能充分发挥各结点DSP作
用和实现高速处理。连接DSP的网络拓扑结构是多种多样
，最简单的连接方式是总线结构，其它，像超立方体连接
、树状连接和环状连接等等，都各有其特点，也只能根据
应用问题的类型选择相应的连接机构。特别是多个DSP并行
处理系统的管理也是个难题，为此需要考虑内置操作系统
OS功能的管理电路，用于母板，路由器和仲裁器等管理。

　　从日本高等学校研究与开发多个DSP并行处理系统中
所遇到技术问题，可以看到问题的性质和在MPP系统里的问
题在本质上是一样的，只是因为目前系统规模还不大，问
题不那么突出罢了。不难想像随着DSP网络拓扑结构规模
的扩大，必然要借鉴更多的MPP新技术。无疑，也必须要研
究DSP并行处理语言和编译程序以及调试软件工具；需要
掌握和理解DSP大规模应用程序；需要研究适合多个DSP并
行处理系统中的结点DSP的体系结构，优化出DSP结构；对
于共享存储器结构，消息传送结构以及DSP互连网络结构，
都将需要进行深入研究。难怪，日本武藏工业大学电力信
息研究室的教授曾弥元隆一再大声疾呼，要正确地理解DS
P功能，将其用于控制和实时计算，巨型实时计算，要考
虑研制出经得住国际竞争的系统产品。他还着重指出，多D
SP网络是国际上近一两年出现的新研究热点，值得注意的
是国际上已把多DSP的网络系统用于VR和CG等领域，日本
应该在这方面有所作为。

　　三、瞄准CG和VR

　　所谓计算机图像学CG（ComputerGraphics）是研究用
计算机处理图形信息，或者是研究处理人和计算机之间图
形通信等有关的理论和技术叫作计算机图像学CG。众所周
知，传统的方法把要求计算机处理的问题输入到计算机和
获取计算机处理的结果，都采用字母和数码形式。但是，
在日常工作、学习和生活中，人们习惯于和图表、图形打
交道，因为这类表达方式直观且方便。随着计算机科学技
术的进步，出现图形输入／输出设备及其相应的图形处理
软件，这也为计算机图形学CG奠定了物质基础。现代计算
机图形学包括图形的输入、图形的生成，图形在机器里的
表示，图形的操作处理以及人机交互图形通信等诸多内容
。

　　另一方面，美国VPIResearch公司提出虚拟现实VR（V
irtualReality）新技术术语并且向市场推出VR系统产品R
B2，把数据手套（DataGlove）作为人机接口，头盈式显
示器HMD（HeadMountdeDisplay）后来也作为VR系统的配套
输出设备。VR系统现在也称为人工现实系统AR（Artifici
alReality）。这也说明VR系统的本质，利用它可使人
一面用HMD观察由计算机图形学CG技术实现的3维空间，一
面把人带入到人工实现的虚拟世界，利用数据手套操作，
使人有如身临其境地去体验和感受这人工虚拟世界。

　　莫道CG和VR技术都不是日本高技术企业发明的，一旦
日本厂家介入这一领域里，利用其先进生产设备和制造工
艺迅速地改进CG和VR技术产品。例如，日本日商电子公司
完全接产VPLReseach公司的数据手套DatagloveModelJ以
后，已于1995年将其售价降低50－60万日元；利用新电子
器件和工艺，制作出性能更高、价格更便宜的兼容新产品
。该公司利用廉价PC机同引进美国Autodesk公司的VR软件C
DK（CyberspaceDeveloperKit）相结合，开发出新的系统
产品VRmaker，已于1995年大量投放市场。与VRmaker系
统配套的HMD，其售价高达210万日元。自从1996年夏季以
来，日本松下电工、索尼、岛津制作所和Olympus光学工
业公司等厂家，纷纷将其HMD新产品投放市场。例如，Olym
pus光学工业公司的HMD新产品MediamaskMW601，LCO尺寸
为1．35英寸，象素点个数为1068 480，产生的立体虚像
与人眼距离约为2m，HMD外形尺寸184 230 234mm3，重量
700克，售价仅为90万日元；索尼公司的PLM－50型HMD新
产品，能显示2维虚像，象素点个数为800 225，重量为30
0克，其售价仅为8．8万日元。实际上，日本厂家早已开
发出HMD原型（92－93年），之所以迟迟未能上市，是因为
一直同大学和医学单位协作，开展评价HMD对视觉的影响
。现已证实，索尼的PLM－50 型HMD在使用2小时左右（
看电影），完全对人视觉无害。显示3维图像HMD，对视觉
的影响仍在调查之中，对视沉影响程度尚不完全清楚。

　　近年来，CG和VR技术应用在日本已日益广泛，诸如整
形手术后手功能修复，手语输入，机器人手臂远程操作、
虚拟厨房仿真体验系统，3维CG动画制作，计算输出数据
可视化，虚拟手术模拟，产品原型装配与设计验证等等，
正向家庭娱乐等领域扩展。日本自从泡沫经济破灭以后，
正采取新经济政策恢复经济、低附加产值的电子产品生产
早已转向海外，国内振兴电子产业正向高技术高附加产值
的产品转移。例如，CG和VR系统产品也正是日本高技术企
业的目标之一。而运行CG软件和提供VR系统3维图形处理能
力的最关键器件DSP，正是日本厂家薄弱的一环。日本武
藏工业大学电力信息研究室教授曾弥等，无疑正承担日本D
SP研究与开发的重任。再这样的背景下，日本的专家学者
怎能不在日本新闻媒介上大声疾呼要理解和重视DSP呢。
况且，多DSP网络卡作为3为图形加速器在国际上已广泛应
用CG和VR系统的情况下，无疑，日本研究与开发多DSP并行
处理系统已迫在眉睫，刻不容缓。

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