基站调制解调器――为什么要现在选择多核？

3G 无线技术可支持诸如视频流等各种高带宽应用，从而能够大幅提高收发器基站 (BTS) 的工作负载。事实上，流经基站的数据业务量的日益提高已经促使无线运营商不得不蜂拥开始回程扩容。独立分析公司 Heavy Reading 于 2006 年3 月发布的一份报告指出，“运营商一般根据每个蜂窝站点 2 条 T-1/E1 回程电路制订最初的 HSDPA/EV-DO 部署计划;但随着容量扩展，他们开始意识到需要多达 10 条此类电路。”

由于回程容量与用户需求在同时增长，无线运营商及其基础局端供应商也在想方设法确保基站本身不出现瓶颈。为避免此类问题，移动行业正在迅速向采用多核基带处理器的基站调制解调器过渡。在无线基站领域之外，多核处理器用过去几年时间就证明了自身在性能平衡与功率效率方面的价值，这一点可以说明为什么仅德州仪器 (TI) 一家公司的处理器出货量就超过了 10 亿。现在人们不再对无线基站系统设计人员开始采用它们而感到惊讶。

多核设计的一大关键优势就是效率。多核设计可将任务分配至多个内核，而不是为承担附加工作负荷而单纯提高单个处理器内核的频率。例如，如果系统需要数字信号处理器 (DSP) 提供 3GHz 性能，多核设计可以在单个 DSP 封装中采用三个频率为 1GHz 的内核。

相比而言，如果为了满足新型 BTS 的严苛要求而提高单核 DSP 的速度，则所需功率和产生的热量会达到让人无法承受的水平，而多核设计可以在无损性能的情况下避免这些缺陷。

此外，芯片制造商还可以通过开发高级的低功耗技术来进一步提高多核 DPS 的功率效率。TI 的 Smart Reflex 技术就是一个很好的范例，其可以在保持规定器件性能的同时降低静态与动态功耗。Smart Reflex 技术可根据制造工艺考虑到器件专用的硅芯片特征以及热参数等因素。这样不仅可以有效降低 DSP 的功耗，同时还能保持性能目标 —— TI 的 TCI6488 基带处理器(采用 Smart Reflex 技术的DSP 之一)目前达到 1GHz。

多核的另一种优势是能够集成片上加速器来提高自身性能，进而消除对附加 FPGA 或微处理器的需求，同时还能降低组件数与材料清单 (BOM) 成本。这种竞争优势也是多核设计能够吸引系统设计人员及其基础局端客户的原因所在。

新要求

对于大多数无线运营商而言，由于电子邮件、Web 浏览、音乐下载等数据应用的广泛普及，他们都面临着数据流量快速增长的挑战。此外，遥测、远程信息处理技术以及其它机器对机器 (M2M) 等应用的更广泛应用也是数据流量不断增长的原因。所有这些因素共同造成了每个 BTS 或基站需要承担更多的负载，在城市区域尤其如此。

随着运营商部署长期演进 (LTE) 等 4G 技术，其工作负载还会进一步提高 —— 预计要支持超过 300Mbps 的峰值下载速度和超过 80Mbps 的峰值上传速度。

另外，3G 调制解调器标准要求支持每个用户的特定数据速率与服务质量 (QoS) 要求。这种功能性会带来各方面的 I/O、MIPS 与内存需求。因此，在准备对现有片上系统 (SoC)(如 TCI6488 等)进行编程或者开发一种新的片上系统(SoC)以支持当今多用户 BTS 调制解调器时，软件与系统设计人员会面临多种挑战并需要周全考虑设计事项。

从说明简单调制解调器数据流程的图 1 可以了解这些 SoC 执行的任务。四种方框分别表示滤波器、解调、正向纠错与拆包任务。此外，图中还显示了一个时延要求较低的控制通道和一个时延要求更宽松的数据通道。

图1：基本 BTS 调制解调器模型。

典型嵌入式系统软件的设计包括对软件组件或任务的开发，这些软件组件或任务运行于实时操作系统 (RTOS) 上，而且为实现预期功能相互之间需要实时互动。设计人员一开始就必须决定每项任务是与用户还是与功能相关。如果与用户相关，则可能会执行多个功能，但仅限于该用户。如果与某个功能相关，则会对所有用户执行该功能。这种基本决策具有多方面影响：产生中断的方式、任务切换频率、软件与所有外设的互动方式以及 SoC 的硬件加速等。

根据用户分配任务

图 2 说明，当根据用户分配任务的系统中存在两个用户时将如何安排任务。利用标签结尾的编号区分每个用户，而每个标签标明是长时延(慢)还是短时延(快)通道。

图2：根据用户进行的任务分配。

SoC 的内核不知道同时存在多少个用户，因此它必须：

• 在复位时预定义所需的最大任务数;或者

• 随着用户在系统的出现而动态生成任务并在用户退出系统时删除任务。

每种技术各有优劣。例如，对于预定义任务，即使它们未被使用，内核也必须知道所需任务的最大数量并且维护这些任务的数据结构。如果内核对每个任务的最差情况也维持完整的数据结构(包括数据存储需求)，则所带来的挑战是必须提供可支持所有用户按最高数据速率运行时的足够内存。

一种解决方案是定义高速率和中等速率等多个任务级别，并且定义每个等级的具体数量。然后内核可根据所需的用户速率选择任务类型。问题是用户速率可能会改变，从而迫使内核将所有状态信息从一种结构转移至另一种结构。

因此，虽然可以针对所有任务预定义某些结构，但其他结构必须与任务动态关联。在此情况下，内存管理必须尽可能简单，而且还得避免内存碎片。

在用户出现时可以动态生成任务及其方式，然后在用户退出时删除。这种方法很明确，但是缺点是在内存中创建和删除结构时会产生开销并且造成相关内存管理问题。

在根据用户分配任务时，任务数随着用户数的增加会成倍增长。在WCDMA 基站中，一颗芯片支持的 32～64 个用户中的每一个都会需要数百个任务，这是巨大的工作负载。随着任务数量的增加，每秒的任务切换次数也会相应增加。因此中断程序和内核会耗费更多时间，而用于有效工作的时间会更少。TI 相信，如果存在数十个用户，那么基于用户的任务组织工作会导致系统无法管理。