一種調(diào)節(jié)多核處理器硬件適應(yīng)軟件設(shè)計(jì)方法

典型的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在硬件平臺(tái)上進(jìn)行編程，他們最關(guān)注的一點(diǎn)就是硬件平臺(tái)的穩(wěn)定性。如果硬件沒(méi)有設(shè)置好，會(huì)帶來(lái)重新編寫(xiě)代碼的麻煩。但是一個(gè)完全設(shè)置好的穩(wěn)定的硬件平臺(tái)還是會(huì)對(duì)其上運(yùn)行的程序有一系列的限制。這些限制 - 無(wú)論是設(shè)計(jì)結(jié)果，還是一個(gè)完全的缺陷 - 都會(huì)造成在編碼時(shí)需要迂回處理甚至重新返工的情況，給設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)帶來(lái)麻煩，并且耗費(fèi)了大量的時(shí)間。

通過(guò)將FPGA平臺(tái)和一個(gè)精心設(shè)計(jì)的多核方法結(jié)合在一起，開(kāi)發(fā)人員就能以下列這種方式實(shí)現(xiàn)高性能分組處理應(yīng)用：軟件工程師能夠?qū)τ?jì)算平臺(tái)的結(jié)構(gòu)有所控制，從而大大縮短編程時(shí)間，同時(shí)降低延期交付風(fēng)險(xiǎn)。

硬件設(shè)計(jì)流程的主要工作就是定義一塊電路板。像存儲(chǔ)器類型、總線協(xié)議和I/O這樣的基本組件已被預(yù)先定義。

如果只使用一個(gè)固定的處理器，那它也是預(yù)先定義好的。但是，單個(gè)處理器無(wú)法運(yùn)行需要吉比特性能的算法（例如分組處理算法），此時(shí)就需要多個(gè)處理器協(xié)同工作。

構(gòu)建一個(gè)處理構(gòu)造塊的最佳方法取決于所運(yùn)行的軟件。使用FPGA來(lái)進(jìn)行處理，就能使你在對(duì)代碼需求有了進(jìn)一步了解后，再對(duì)精確的實(shí)現(xiàn)方式做出明確的決策。全新的Tejia FP平臺(tái)在Xilinx® VirtexTM - 4 FPGA上提供了一種方法和多核基礎(chǔ)設(shè)施，使開(kāi)發(fā)人員在完成代碼編寫(xiě)后，對(duì)多核架構(gòu)進(jìn)行精確的配置。

當(dāng)軟件工程師設(shè)計(jì)硬件時(shí)

硬 件和軟件設(shè)計(jì)是兩種本質(zhì)上不同的工作。無(wú)論硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言多么像一個(gè)軟件，它進(jìn)行的仍然是硬件設(shè)計(jì)。硬件語(yǔ)言對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，并且設(shè)計(jì)流程最終要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的 實(shí)體化。但是，軟件工程師正越來(lái)越多地使用C編程技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能；現(xiàn)有的工具支持使用軟件或硬件方法來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能。

軟件實(shí)現(xiàn)的方法 更偏向于過(guò)程導(dǎo)向。它考慮的是“如何去做”而不是“構(gòu)建什么”的問(wèn)題，因?yàn)閺膫鹘y(tǒng)觀點(diǎn)來(lái)看，已經(jīng)不需要再構(gòu)建什么了 - 硬件都已經(jīng)被構(gòu)建好了。在真正基于軟件的設(shè)計(jì)方法中，關(guān)鍵的功能不是被構(gòu)建到一種結(jié)構(gòu)中去，而是在一個(gè)已經(jīng)構(gòu)建好的系統(tǒng)中被結(jié)構(gòu)執(zhí)行的。靈活性是基于軟件 的實(shí)現(xiàn)方法的優(yōu)勢(shì)：在系統(tǒng)出廠后仍能快捷地對(duì)其進(jìn)行改變。雖然FPGA也能現(xiàn)場(chǎng)編程，但改變軟件設(shè)計(jì)要比構(gòu)建硬件快捷地多。

由于硬件和軟 件設(shè)計(jì)存在著差異，因此硬件和軟件的設(shè)計(jì)者所考慮的問(wèn)題是不同的。硬件工程師不可能只通過(guò)改變編程語(yǔ)言的語(yǔ)法，就能轉(zhuǎn)變成軟件工程師。反之，軟件工程師也 不可能因?yàn)橛布O(shè)計(jì)中需要軟件的參與，就能轉(zhuǎn)變成硬件工程師。因此，不能輕率地就讓軟件工程師加入到處理架構(gòu)的設(shè)計(jì)中來(lái)。

此外，硬件工程師、軟件工程師或項(xiàng)目經(jīng)理都不會(huì)同意將一個(gè)基于硬件方法的設(shè)計(jì)交給一位軟件工程師去完成。軟件工程師做出關(guān)于硬件的決定時(shí)所使用的方法，極有可能得到熟悉類似編程語(yǔ)言的另一位軟件工程師的認(rèn)同。

如圖1所示，并行流水線是多核分組處理引擎中處理架構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。這一引擎由一個(gè)處理器陣列加上可能存在的硬件加速器構(gòu)成?；卮鹆讼旅孢@些問(wèn)題，就等于完成了一個(gè)設(shè)計(jì)流程：

需要多少個(gè)處理器？

應(yīng)該如何安排這些處理器？

每個(gè)處理器需要處理多少代碼和存儲(chǔ)多少本地?cái)?shù)據(jù)？

代碼的哪些部分需要硬件加速

讓我們來(lái)逐一回答這些問(wèn)題，從而為軟件工程師“組裝”出一套設(shè)計(jì)方法。

處理器的數(shù)量和配置

所 需處理器的數(shù)量可以通過(guò)對(duì)周期預(yù)算和執(zhí)行代碼所需的周期數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算得出。當(dāng)你要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成工作時(shí)，周期預(yù)算就成為一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。例如 進(jìn)行分組處理時(shí)，數(shù)據(jù)位置進(jìn)行劃分。這樣，就能夠圍繞劃分的情況來(lái)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，而不用根據(jù)硬件來(lái)進(jìn)行劃分。軟件工程師如何進(jìn)行設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。 Teja中集成了一組API和一個(gè)處理工具，可以用ANSI C來(lái)定義硬件平臺(tái)。此工具可執(zhí)行程序，創(chuàng)建處理平臺(tái)的定義，這些定義能夠被Xilinx嵌入式工具進(jìn)行處理。API組的內(nèi)容十分豐富，并且能夠在很靠底的 硬件層次上進(jìn)行控制，但大多數(shù)軟件工程師不希望使用它們。因此，Teja中還使用參數(shù)化的方式加入了一個(gè)“典型的”流水線定義的方法。要實(shí)現(xiàn)上述示例中的 流水線，只需要在配置頭文件中修改兩個(gè)簡(jiǎn)單的#define陳述式。

下面的陳述式定義了一個(gè)兩級(jí)的流水線，在第一級(jí)使用了4個(gè)引擎，在第 二級(jí)使用了2個(gè)引擎：圖1 - 并行的流水線，每個(gè)引擎由一個(gè)MicroBlaze處理器、專用存儲(chǔ)器和可選的減負(fù)器構(gòu)成。包不停地到來(lái)，而你在下一個(gè)數(shù)據(jù)包到來(lái)之前，只有那么多周期來(lái) 完成你的工作。如果你的代碼需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)執(zhí)行，那么就需要添加更多的處理器。例如，如果周期預(yù)算是100個(gè)周期，而代碼執(zhí)行需要520個(gè)周期，那么你 就需要6個(gè)處理器（520除以100，然后進(jìn)位到整數(shù)）。你可以對(duì)處理器數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，但必須滿足預(yù)算的要求。使用Teja工具時(shí)，可以通過(guò)分析來(lái)確定周 期數(shù)。

下一個(gè)問(wèn)題是如何安排這些處理器。處理這一問(wèn)題最簡(jiǎn)單的辦法就是確定你是否需要?jiǎng)澐执a，來(lái)創(chuàng)建一個(gè)流水線。流水線使用較少的硬件 資源，但會(huì)增加等待時(shí)間。如果你需要對(duì)代碼進(jìn)行劃分，最好選擇在一個(gè)明顯的位置（自然和直觀的位置）進(jìn)行。而沒(méi)有必要計(jì)算出周期中點(diǎn)精確的位置。



圖1 - 并行的流水線，每個(gè)引擎由一個(gè)MicroBlaze處理器、專用存儲(chǔ)器和可選的減負(fù)器構(gòu)成。

假 設(shè)你要用6個(gè)處理器構(gòu)成一個(gè)兩級(jí)流水線。那么你現(xiàn)在就需要計(jì)算出每一級(jí)所需的處理器的數(shù)量；先通過(guò)分析來(lái)確定每個(gè)劃分的周期數(shù)，如后再用它去除以周期預(yù) 算，就可以得到每一級(jí)所需的處理器的數(shù)量。。因此，如果第一個(gè)劃分需要380個(gè)周期，則它需要4個(gè)處理器；這樣第二級(jí)就需要140個(gè)周期，從而需要兩個(gè)處 理器。（兩個(gè)劃分所需的周期數(shù)之和實(shí)際上不一定正好等于未劃分的程序所需的周期數(shù)，但會(huì)非常接近，因此在這里可以近似看作相等。）因此，這個(gè)兩級(jí)的流水線 的第一級(jí)需要4個(gè)處理器，第二級(jí)需要2個(gè)處理器。如果有足夠的邏輯資源，使用Xilinx MicroBlazeTM軟核，就能夠?qū)嶓w化任何這樣的流水線。

相比較而言，在一個(gè)固定的流水線結(jié)構(gòu)中，每一級(jí)的處理器數(shù)量都已經(jīng)預(yù)先確 定。因此就只能強(qiáng)制使用一種專門(mén)的劃分方法，實(shí)現(xiàn)這一劃分就會(huì)需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。相反地，如果每一級(jí)使用的處理器數(shù)量不同，流水線就可以定制，并且可以是 不規(guī)則的。因此能夠從任何位置進(jìn)行劃分。這樣，就能夠圍繞劃分的情況來(lái)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，而不用根據(jù)硬件來(lái)進(jìn)行劃分。

軟件工程師如何進(jìn)行設(shè)計(jì)是 一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。Teja中集成了一組API和一個(gè)處理工具，可以用ANSI C來(lái)定義硬件平臺(tái)。此工具可執(zhí)行程序，創(chuàng)建處理平臺(tái)的定義，這些定義能夠被Xilinx嵌入式工具進(jìn)行處理。API組的內(nèi)容十分豐富，并且能夠在很靠底的 硬件層次上進(jìn)行控制，但大多數(shù)軟件工程師不希望使用它們。因此，Teja中還使用參數(shù)化的方式加入了一個(gè)“典型的”流水線定義的方法。要實(shí)現(xiàn)上述示例中的 流水線，只需要在配置頭文件中修改兩個(gè)簡(jiǎn)單的#define陳述式。

下面的陳述式定義了一個(gè)兩級(jí)的流水線，在第一級(jí)使用了4個(gè)引擎，在第二級(jí)使用了2個(gè)引擎：

#define PIPELINE_LENGTH 2

#define PIPELINE_CONFIG {4,2};

由上述陳述式和預(yù)設(shè)的配置程序，TejaCC程序就能構(gòu)建出流水線。當(dāng)然，無(wú)論由于什么原因使得流水線的配置需要發(fā)生改變時(shí)，只要使用與上面相似的方法進(jìn)行編輯即可。

存儲(chǔ)器

第 三個(gè)問(wèn)題跟所需的存儲(chǔ)器數(shù)量有關(guān)。在一個(gè)典型的系統(tǒng)中，所能存儲(chǔ)的代碼和數(shù)據(jù)的數(shù)量是固定的。如果你的設(shè)計(jì)沒(méi)有滿足這一要求，就需要做大量的工作來(lái)將多出 的內(nèi)容壓縮到存儲(chǔ)空間中。但是在使用FPGA時(shí)，只要所需存儲(chǔ)器的數(shù)量在芯片所能提供的范圍之內(nèi)，就能夠按照實(shí)際需要為每個(gè)處理器分配存儲(chǔ)空間。在更典型 的情況下，所有的存儲(chǔ)空間的大小都相同（由于每個(gè)塊的最小容量為2k，這就限制了進(jìn)行微調(diào)的程度）。



圖2 - 配置并行流水線的流程

代碼編譯時(shí)提供所需存儲(chǔ)器的大小，并且可以使用下面的陳述式來(lái)編輯配置頭文件，在這個(gè)示例中為代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分配的存儲(chǔ)空間均為8KB：

#define CPE_CODE_MEM_SIZE_KB 8

#define CPE_DATA_MEM_SIZE_KB 8

使用減負(fù)器來(lái)加快處理速度
第四個(gè)問(wèn)題和創(chuàng)建硬件加速器有關(guān)?？赡苡幸徊糠殖绦驎?huì)占用太多的周期。要減少周期就需要更多的處理器，而使用硬件加速器就能減少處理器的數(shù)量。只要硬件加速器比其所替代的處理器占用更少的門(mén)，就能夠減少整個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)的面積。

Teja有一項(xiàng)功能就是用來(lái)從代碼中直接創(chuàng)建這樣的加速器或減負(fù)器。通過(guò)對(duì)程序進(jìn)行注釋，此功能就可創(chuàng)建：

實(shí)現(xiàn)代碼的硬件邏輯

通過(guò)系統(tǒng)接口在處理器基礎(chǔ)設(shè)施中添加加速器

調(diào)用原型替換程序中最初的代碼

在將減負(fù)器集成于系統(tǒng)之前，先使用測(cè)試臺(tái)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

一旦創(chuàng)建了減負(fù)器，周期數(shù)就會(huì)減少，因此你需要重新安排處理器。但由于重新定義流水線結(jié)構(gòu)的操作十分方便，因此這是一項(xiàng)很簡(jiǎn)單的任務(wù)。

一個(gè)簡(jiǎn)單直接的方法

將前面所述的步驟組合在一起，就產(chǎn)生了圖2中所示的設(shè)計(jì)流程。你可以先定義減負(fù)器（對(duì)于明顯需要減負(fù)器的任務(wù)），或在配置好流水線之后再定義減負(fù)器（如果現(xiàn)有的代碼使用了太多的處理器）。

軟件工程師所能控制的是一些在他們看來(lái)自然和簡(jiǎn)單的參數(shù)，這里使用自然的軟件語(yǔ)言（ANSI C）來(lái)表達(dá)這些參數(shù)。對(duì)硬件進(jìn)行實(shí)體化的所有細(xì)節(jié)都由TejaCC程序來(lái)處理，它會(huì)為Xilinx嵌入式開(kāi)發(fā)系統(tǒng)（EDK）創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目。剩下的編譯/綜合/布局/布線和產(chǎn)生比特流以及鏡像代碼的工作全都由EDK來(lái)完成。

在 這種方式下，電路板可以由硬件工程師設(shè)計(jì)，但通過(guò)使用FPGA，硬件工程師能夠?qū)⒆罱K的實(shí)現(xiàn)中硬件配置的關(guān)鍵部分，留給軟件設(shè)計(jì)者去完成。這一方法還支持 在設(shè)計(jì)即將完成時(shí)對(duì)電路板進(jìn)行改動(dòng)（例如，由于性能原因要對(duì)存儲(chǔ)器的類型和容量進(jìn)行改動(dòng)）。由于Teja工具能創(chuàng)建FPGA的硬件定義，其中包括存儲(chǔ)器控 制器和其他外設(shè)，因此設(shè)計(jì)人員可以輕松地調(diào)節(jié)電路板。最終的結(jié)果是，由于硬件實(shí)現(xiàn)可以適應(yīng)軟件的變化，因此軟件設(shè)計(jì)者不再需要花費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)圍繞一個(gè)固 定的硬件設(shè)置編寫(xiě)程序。

通過(guò)利用靈活的Virtex -4 FPGA和MicroBlaze核，Teja FP環(huán)境和基本結(jié)構(gòu)使得所有這一切都變成了可能。有了這一強(qiáng)大的工具，你就能夠?qū)㈤_(kāi)發(fā)周期縮短幾周甚至幾個(gè)月。

Teja還提供了一些高級(jí)應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序能用來(lái)啟動(dòng)一個(gè)項(xiàng)目，并減少所需的工作量。將一個(gè)靈活省時(shí)的設(shè)計(jì)方法和一個(gè)事先定義好的應(yīng)用程序結(jié)合起來(lái)使用，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的制造者就能更快地完成他們的設(shè)計(jì)。