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TMS320C40通信通道的时序Petri网分析

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TMS320C40 通信通道的时序 Petri 网分析

Petri Nets 1993（Application and Theory of Petri Nets 1993 会议论文，第 562-571 页），作者 David A. Hartley & David M. Harvey，英国利物浦约翰摩尔斯大学相干与电光学研究组。

一句话结论

用带时间 Petri 网（Timed Petri Net）对 TI TMS320C40 DSP 的 6 个通信端口 + DMA 协处理器做精确建模拟真，证明：单条 DMA 总线带宽不足以喂饱 6 个通信口跑满速；Split 模式下每字交换一次总线 TOKEN 使通信带宽腰斩（20 MB/s 峰值只能到约 12.5 MB/s）。

研究动机

  • 作者团队在设计一个基于 TMS320C40 的多处理器图像处理系统，需要评估互连通信性能。
  • 商用 TMS320C40 软件模拟器不支持多处理器系统仿真，只能自建模型。
  • Petri 网此前已被用于单处理器架构和系统级（处理器/内存/互连网络）建模，本文把 TMS320C40 的通信口 + DMA 协处理器做成 Petri 网子网，通过仿真求各工况带宽。

TMS320C40 通信硬件要点（背景知识）

  • 6 个 12 位双向通信口，每口峰值 20 MB/s；两口直连即可组并行系统。
  • 总线所有权用 TOKEN 传递协议：持 TOKEN 者拥有总线；接收方要发数据就请求 TOKEN。TOKEN 是”公平”的——每传完一个字就必须交还 TOKEN，即使还有多个字要发。
  • 每口有 8 字深的输入/输出 FIFO 缓冲。
  • 6 通道 DMA 协处理器把搬数任务从 CPU 卸载；DMA 有独立的地址/数据总线，可与 CPU 并发访问内存，冲突用可编程仲裁（固定优先级：通道 0 最高；或轮转优先级）。
  • 两种模式：
    • Unified 模式：DMA 通道做普通内存↔内存单向传输。
    • Split 模式：6 个 DMA 通道拆绑成 12 个（每通信口主/辅各一），Primary 做内存→通信口，Auxiliary 做通信口→内存。
  • 时间以 H1 时钟为单位（50MHz 器件 H1 周期 40ns ≈ 指令周期）。DMA 读恒 1 周期；写内部内存 1 周期、写外部内存 2 周期。

Petri 网建模方法

仿真软件用 C 实现（SUN 工作站 + IBM PC），转移延时按 H1 周期倍数指定，采用 3 阶段 firing 的 timed transition。冲突解决可逐冲突点配置：随机 / 固定优先级 / 轮转优先级——正好对上 TMS320C40 的可编程 DMA 仲裁方案。

模型由 6 个相同子网（每通信口/DMA 通道一个）组成，每个子网分 4 节：

  1. DMA 总线仲裁：6 个转移共享”DMA 总线可用”令牌库，请求→仲裁→授权→归还，轮转优先级仿真。
  2. DMA 通道：上半 Primary（内存→通信口），下半 Auxiliary（通信口→内存）；输出 FIFO 状态用令牌数表示（8 令牌=空，0=满）。
  3. 通信总线字传输：数据字令牌经缓冲寄存器上总线；接收方输入 FIFO 满则停止 fire，传输阻塞（stall）直到有空间——天然建模背压。
  4. 总线所有权（TOKEN 传递）：每侧两个库表示持有/未持有 TOKEN。双方都有数据要发时，发完一个字就强制移交 TOKEN（由 P25/P53 中令牌数控制，TMS320C40 实机为 1）。T13/T14 冲突时用优先级解决（当前持有者优先完成本字传输）。

仿真结果

Unified 模式（一处理器向 n 个处理器广播，1≤n≤6）

  • 内部内存数据：延迟随传输字数指数（对数轴线性）增长；初始/末尾 DMA 传输的固定开销在小数据量时拉低有效带宽。
  • 1-2 通道可逼近 20 MB/s 峰值（2048 字时 19.99 / 19.98 MB/s）。原因：每 DMA 通道每 4 周期供 1 字，而总线传 1 字要 5 周期，输出 FIFO 恒满，通信口满载。
  • ≥3 通道后 DMA 供数不及时：每字供给周期变为 6/8/10/12（3/4/5/6 通道），通信口周期性空闲。有效带宽掉到约 16.65 / 12.49 / 10.00 / 8.33 MB/s。
  • 外部内存数据：因外部写多 1 周期，结果与内部内存几乎相同。

Split 模式（每处理器 n 通道双向收发）

  • 内部内存：1-4 通道延迟几乎不变，但带宽上限被 TOKEN 交换卡在约 12.5 MB/s（≈峰值的 62%）——每字交还一次 TOKEN 是硬瓶颈。5/6 通道时 DMA 总线竞争加剧（输出 FIFO 常空，最坏请求延迟 20 周期），通信总线空闲率约 32% / 43%，带宽降到 10.00 / 8.33 MB/s。
  • 外部内存：1-3 通道结果与内部内存差 1-3 周期；4/5/6 通道延迟平均恶化 22% / 25% / 25%，总线空闲率升至约 15% / 46% / 55%，6 通道带宽仅 6.67 MB/s。

结果归纳（作者结论）

场景带宽瓶颈
Unified ≤2 通道可近峰值 20 MB/s
Unified ≥3 通道DMA 单总线供数不足
Split 内存在 ≤4 通道TOKEN 每字交换
Split 外存在 ≤3 通道TOKEN 每字交换
Split 高通道数DMA 总线竞争 + 外写加倍

工程启示（可迁移经验）

  • 这是”用形式化模型代替尚不具备的商用工具做体系结构评估”的经典案例：论文价值不在 Petri 网本身，而在把硬件规格书里的 TOKEN 协议、仲裁策略、FIFO 深度逐条翻译成网结构，仿真数字与硬件周期数严格对齐。
  • 瓶颈分析套路值得借鉴：先用库令牌数观察 FIFO 水位判断”谁在等谁”（FIFO 恒满→通信口瓶颈；FIFO 常空→供给侧 DMA 瓶颈），再算总线空闲率归因。
  • 对多通道共享单总线架构的容量规划有普适意义：单 DMA 总线每字读写 2 周期意味着理论服务率 0.5 字/周期，12 个 Split 通道各自请求读写时总需求远超服务率，饱和是设计上的必然。

元信息

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