摘  要： 介紹了多核數字信號處理器（DSP）相較于傳統處理器的優勢、具體應用、解決方案，以及如何滿足便攜式醫學成像設備在靈活性、可擴展性以及功率效率方面的要求。
關鍵詞： 多核數字信號處理器；醫學成像；同質多核DSP，異構多核片上系統GPP

    不斷攀高的醫療費用受到人們前所未有的關注，而醫學成像處理器技術的發展給人們帶來一絲希望。特別是對于更為便攜、低功耗、高性價比和高成像質量的醫學成像系統的需求，多處理引擎（每個引擎專用于其最適合的任務）系統的出現正逢其時。
    基于一個硬連線、不可編程處理器或者一個專用圖形處理器的成像系統，無法滿足下一代便攜式醫學成像設備對靈活性、可擴展性以及功率效率的要求。相反，多核數字信號處理器（DSP），不管是具有DSP內核和通用處理器（GPP）的異構片上系統，還是使用多個類似DSP內核的同質片上系統，均是一種兩全其美的方法，并能夠克服醫學成像面臨的諸多挑戰。新興的醫學成像系統反過來又會產生新的診斷方法和治療方法，最終不斷提高醫療保健的服務質量。
迎接醫療保健挑戰
    醫療保健正處于快速發展之中，而基于多核DSP的成像系統可有效地推動這種發展。
    過去，由于成本和規模問題，高級醫療診斷系統的使用大多集中在人口密集的城市地區，因為這些地區擁有專業診斷醫生以及技術人員。而嵌入式處理器技術方面的進展，讓高質量和功能強大的醫學成像系統變得更加便攜并且具有更高性價比。如果偏遠地區的小診所里也配有高級醫學成像設備，當地技術人員可以把診斷圖像傳送給城市醫療中心，由這些中心的專家給出診斷建議和實時遠程支持，則可直接將醫療診斷服務帶給偏遠地區的患者，而不是將生命垂危的患者運送到某個醫療成像機構。
    處理器能力的提高，在醫療領域引發了許多討論。在一些情況下，這些問題看似相互矛盾。例如，許多醫學專家呼吁提高成像質量的同時，又要求減少人體在來自于X光和核成像技術的有害輻射環境下暴露的時間。過去，只能通過增加輻射或者利用一些侵入性技術才能提高成像質量。
    多核DSP成像系統的使用則提供了另一種替代方案。利用多核DSP，一些創新型高效成像增強技術(如邊緣檢測、對比增強、噪聲過濾等)可以輕松地編程至一顆或者多顆DSP內核中，從而在不增加輻射水平甚至幫助降低患者輻射暴露的情況下，提高成像質量。
    多核DSP強大的實時處理能力促進了診斷和治療方法的創新。通過多核DSP的簡單編程，可以更快地完成研究實驗，并可開發和優化新的實時成像處理技術。例如，研究人員正在探討如何應用超聲波來無創檢測甲狀腺癌、燒灼創口、殺死小腫瘤。光學相干斷層成像術（OCT）領域正在研究使用光波來進行各種診斷，包括耳部感染檢測和一些更為復雜的診斷(如通過描述眼睛對糖尿病進行早期檢測等)。這些傳統成像技術的新應用，讓其迅速轉向真正的多核DSP產品。
    今天的多核DSP通過降低功耗以及使用更小的體積，實現了高水平的系統集成。這就意味著，電路板上的處理器更少、電源更小、冷卻要求更低，并且總系統成本更低。它讓全世界更多的人受益于醫療保健，手術室、急診室和救護車里可以配置更多的高級醫療設備，或許在某一天，這些設備甚至會出現在家庭中。
多核的優勢
    如圖1所示，典型的醫學成像處理鏈可以分為3個主要階段：圖像獲取、圖像調試和圖像顯示。
    同質多核DSP可提供計算密集型應用所需的處理能力，特別在圖像獲取后和圖像顯示前進行的圖像調節和重建中。異構多核片上系統可分離GPP內核和DSP內核之間的系統管理/用戶互動和圖像顯示準備功能。

圖像獲取
    所有5種不同類型的模擬波形(聲音、光線、無線電、X光和核能)都已被用于醫學成像系統中。成像系統接收模擬波，將其轉換為數字信號，然后使用一套預定義前端處理參數和算法，基于事先確定的人體部位對原始數字數據進行解釋。例如，心臟超聲波設備具有一套與心臟和胸腔有關的前端參數，而OB/GYN超聲波設備則使用參數和算法獲取子宮胎兒的原始數據。
    一般而言，圖像獲取面臨的挑戰是如何實時管理和處理大量的圖像數據。為了滿足這些需求，這一代多核DSP擁有幾個高帶寬I/O選項（與智能DMA引擎一起使用），可以無縫地將來自模擬前端的圖像數據存入片上或者片下內存進行處理。共用內存構架允許多顆內核對圖像不同部分進行并行操作，或者對圖像數據的相同部分按順序執行不同的處理功能。這讓設計團隊可以靈活地搭建系統，并讓使用相同圖像獲取系統完成多個成像應用變得更容易。
圖像調節
    獲取圖像數據后，必須將之重建為一個或者多個可視圖像。除此之外，成像系統還要對圖像進行增強處理，以提高其清晰度。在以前的醫學成像系統中，圖像獲取過程的質量是重建圖像質量的一個限制因素。然而現在，高級信號調節算法可以過濾外來噪聲和其他異常情況，從而增強顯示受檢查的人體組織和其他相關結構，幫助彌補這些局限性。實時完成這些信號調節算法，是DSP的真正優勢所在。
    在醫學成像系統中，圖像重建通常是最大的瓶頸。例如，典型的CT掃描要獲取檢查部位的許多切片圖像，然后提交給系統，通過這些切片圖像重建一幅合成圖像。多核DSP通過讓多顆DSP內核并行執行圖像重建任務，大大縮短了圖像重建所需的時間，從而打破了這種瓶頸限制。
      多核DSP還賦予了系統可擴展性，可以在不影響圖像處理和顯示時間的情況下，將處理任務分配給多顆同類內核，從而或多或少地改進現有圖像增強技術。
      除此以外，當出現更新、更先進的成像增強算法時，DSP內核的可編程屬性使其更容易獲得升級，從而讓設備可以在現有硬件平臺通過軟件升級。
圖像顯示
      醫學成像系統的后端處理包括實際用戶圖像報告以及系統所有的操作員界面要求。由一顆GPP內核和DSP內核組成的多核異構處理器可相互協作，以提供不同功能所需的相應處理能力。圖像在屏幕上顯示之前，DSP內核可實現許多功能，如數據添寫、量值估計、日志壓縮、掃描轉換等。
    與此同時，GPP內核(如ARM產品)可提供與PC處理器等價的功能，但功耗卻低得多。嵌入式ARM內核的平均功耗小于2 W，而大多數PC處理器的功耗均大于50 W或60 W。對于功耗和溫度敏感的醫學成像系統而言，節能是一個基本要求。GPP內核還可以運行擁有豐富功能的操作系統，例如Linux或者Windows CE等，它們構成系統操作員界面的基礎，并讓系統設計人員能夠輕松地開發出差異化創新功能。
    今天的多核DSP都是一些具有豐富功能的片上系統，片上已經集成了許多外圍器件。這些外圍器件通常包括以太網接口、存儲器件、高清顯示和其他連接。通過把這些外圍接口的控制芯片集成到一個多核片上系統，可以同時減少系統的空間使用和成本。便攜式醫學成像系統有一些特殊的限制。
    顧名思義，便攜式系統體積要小。這樣，實際部件(旋鈕、開關和其他控制裝置)通常受到限制?？删幊潭嗪似舷到y允許系統開發人員使用智能控制進行設計，將操作員從設置大量成像和測量參數的工作中解脫出來。
    例如，心臟診斷時只需進行一次選擇設置，超聲波成像系統便會自動加載參數、算法和其他處理資源，實現具體的成像應用。系統會捕捉和顯示血流速度和動力的測量結果。這種自動化還讓高級醫療成像系統可以部署在偏遠的地區。這些地方的診所里，專家技術人員很少。偏遠診所的技術人員可以利用這種智能系統獲取圖像和檢查結果，然后將其發送給診斷專家。
多核應用
    開發任何精密、復雜的嵌入式系統（如醫學成像系統），都會給設計團隊帶來許多挑戰。一般而言，所有嵌入式系統都必須在嚴格控制功耗預算和體積的同時滿足一些關鍵的性能需求。對現貨硬件進行用戶定制（通常不可避免），存在成本限制。由于可視程度有限，硬件和軟件調試及測試常常很困難。
    在多核處理器解決方案中資源更多，特別是有一些特殊功能，可以幫助緩解嵌入式系統設計面臨的一些挑戰。但也存在其他一些復雜性，例如內核間的負載平衡、內核間通信和共用資源管理等。德州儀器擁有超過10年的開發經驗，提供開發與調試工具和軟件構架，它們可以簡化多核處理器與嵌入式系統的集成，特別是醫學成像系統。
    為了實現最佳性能，設計人員需要謹慎地劃分任務，這樣內核操作可實現對其他內核的最低依賴度。這種處理工作所要求的數據應存儲于本地內存中，并以一種全局方式（即所有內核之間）管理共享資源的使用。如果處理得當，使用多核處理器的系統相比使用多個離散處理器的系統將擁有巨大的優勢。如數據訪問更迅速、單元之間的通信延遲時間更短，及理論開銷最小。
    為了促進多核DSP開發，TI擁有幾個多核軟件構架和一套調試與描述工具，如圖2和圖3所示。
    為了讓軟件開發人員能夠集中精力解決其應用中存在的一些重要問題，可使用一種能夠同時提供硬件抽象和常見支持任務（如內核間通信、DMA資源分配、內存管理等）的中間件。必須對這些軟件層進行優化，以用于具體硬件平臺，這樣它們便不會阻礙用戶應用。
    在圖2所示的簡單軟件構架中，處理器內核編程被實時操作系統抽象化，通常有非常小的內存、一個低延遲任務切換調度程序和高效中斷服務程序。通過原始寄存器讀/寫功能芯片支持庫或者支持標準驅動器接口結構（如開、閉、讀、寫等）的底層驅動器，分兩個層級抽象化外圍器件。該構架中內核間利用TMS320C6472器件的共用內存構架實現快速、可預知通信；DMA資源管理通過軟件庫實現。這些服務對用戶應用有效。

    多核調試的一些重要需求包括所有內核間代碼執行的系統級瀏覽；所有內存的相關可視性（共用和內核專用都包括在內）；可在對一顆內核進行代碼調試時，保持其余內核繼續正常運行。當對應用進行優化時，需要理解內核的平均和峰值負載，知道數據傳輸瓶頸或者系統死鎖，并捕獲事件或者I/O事務的時間戳統計。這些多核調試和系統執行描述功能在TI的Code Composer StudioTM開發工具和數據分析可視化工具中獲得較好的支持。
多核DSP解決方案
    十多年以來，多核DSP已經在各行各業的各種應用中證明了它的價值。從無線基站到語音網關，多核同質DSP都是理想的選擇，它可滿足計算密集型信號處理要求，并且功耗預算更低、物理體積更小。
    在一些應用中，有些任務的處理需求存在本質的不同，對處理能力的要求也不一樣，而異構多核處理器讓這種應用的實現成為可能。
    這種方法并非提供解決現今嵌入式系統各種復雜信號處理需求的通用型辦法，但是它為廣大醫學成像系統設計人員提供了眾多業內最佳屬性的組合：低功耗、可預知實時信號與數據處理、降低系統尺寸和成本的高集成度以及縮短產品開發時間的可編程能力。
    通過提供完整的信號鏈，TI正讓醫學成像開發變得簡單和低成本。欲了解更多詳情并觀看TI醫學成像資源，請訪問www.ti.com/medicalimaging。