采用Nios定制指令的嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：Nios軟核 定制指令 嵌入式處理器MP3
引言
Nios處理器是Altera公司推出的一個(gè)32/16位精簡(jiǎn)指令信處理器軟核。在Altera公司推出的軟件SOPC中加載Nios核 和相應(yīng)的外圍接口以及與定義相應(yīng)的自定義指令，然后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合，下載到FPGA中就可以方便地一個(gè)具有特定功能的嵌入式處理器。這種設(shè)計(jì)思路增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，加快系統(tǒng)運(yùn)行速度，縮短產(chǎn)品研發(fā)和上市時(shí)間。
由硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法通常比軟件實(shí)現(xiàn)更高效。
利用Altera的Niso嵌入式處理器的定制指令，可以把用戶自定義的功能直接添加到Niso CPU的算術(shù)邏輯單元（ALU）中（見圖1），來加快專項(xiàng)任務(wù)的執(zhí)行，從而達(dá)到系統(tǒng)優(yōu)化的目的。因此，設(shè)計(jì)者可以針對(duì)關(guān)鍵的內(nèi)部循環(huán)和耗時(shí)算法，創(chuàng)建Nios嵌入式處理器的定制指令，把復(fù)雜的順序指令簡(jiǎn)化為硬件實(shí)現(xiàn)的單指令，這樣就能夠大大提高系統(tǒng)性能。例如，Nios CPU執(zhí)行浮點(diǎn)乘法運(yùn)算要2800多個(gè)時(shí)鐘周期；而浮點(diǎn)乘法的定制指令采用了浮點(diǎn)單元（FPU），執(zhí)行只需19個(gè)時(shí)鐘周期。
1 定制指令
定制指令為Nios處理器的算術(shù)邏輯單元增加了定制邏輯，設(shè)計(jì)者通過定制指令，用快速高效的定制邏輯塊替代復(fù)雜耗時(shí)的軟件程序。在一個(gè)CPU中，可以運(yùn)行多達(dá)五個(gè)組合或時(shí)序定制模塊，還可以訪問Nios系統(tǒng)模塊外的存儲(chǔ)器和/或邏輯。定制邏輯模塊在兩個(gè)寄存器Ra和Rb內(nèi)容的基礎(chǔ)上執(zhí)行用戶定義的操作，結(jié)果存放在寄存器Ra中。這些定制邏輯模塊的功能只受限于器件內(nèi)邏輯單元（LE）和設(shè)計(jì)得的想象力。
定制硬件模塊能夠通過Nios嵌入式處理器指令集中的五個(gè)用戶定義操作碼來訪問。SOPC Builder在生成系統(tǒng)期間會(huì)為任何定制指令創(chuàng)建宏，通過這些自動(dòng)產(chǎn)生的C和匯編語言宏就可以方便地訪問自定義指令操作碼。
2 實(shí)現(xiàn)定制指令
以Altera的Nios2.0版嵌入式處理器為例實(shí)現(xiàn)定制指令，同時(shí)點(diǎn)擊Custom Instructions標(biāo)簽創(chuàng)建或編輯Nios CPU，如圖2。
Custom Instruction標(biāo)簽是系統(tǒng)設(shè)計(jì)都 連接定制邏輯和Nios CPU的ALU的界面。首先，選擇定制指令的操作碼，有USR0～USR4五個(gè)操作碼可供使用。然后，導(dǎo)入和掃描作為定制指令的HDL文件。Design Import Wizard掃描頂層模塊的端口，進(jìn)行合適連接。Design Import Wizard可以接受以下類型的文件：VerilogHDL/VHDL/EDIF/VQM以接受以下類型的文件：Verilog HDL、VHDL、EDIF、VQM和Altera QuartusII原理圖。導(dǎo)入設(shè)計(jì)文件之后，分配定制指令所需的CPU時(shí)鐘周期數(shù)目和定制指令名。
在系統(tǒng)生成期間，SOPC Builder工具用作ALU一部分的定制邏輯來創(chuàng)建Nios CPU,受所選的操作碼控制軟件開發(fā)包用定制指令名創(chuàng)建在C/C++和匯編語言中使用的軟件宏。這些在定制軟件開發(fā)包ince下。
圖2 定制指令設(shè)計(jì)界面
設(shè)計(jì)者通過創(chuàng)建的軟件宏訪問定制指令。在C/C++中，宏就像函數(shù)調(diào)用一樣使用。如果使用前綴端口，就要用前綴創(chuàng)建不同的宏。例如，為浮點(diǎn)單元（FPU）創(chuàng)建兩個(gè)C/C++宏。例如，為浮點(diǎn)單元（FPU）創(chuàng)建兩個(gè)C/C++宏是：
result=nm_fpu(data,datb); //不使用前綴
result=nm_fpu_pfx(prefix,data,data); //使用前綴
在匯編語言中，宏調(diào)用USR操作碼，按標(biāo)準(zhǔn)匯指令一樣使用。如果使用前綴，那么在宏之前必須有一個(gè)PFX指令。有關(guān)用戶定義操作碼（USR0～USR4）的詳細(xì)資料可參Nios Software Development Reference Manual。
3 MP3播放器的定制指令設(shè)計(jì)
以MP3播放器設(shè)計(jì)為例，采用定制指令對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。該設(shè)計(jì)通過增加兩條定制指令，就能使系統(tǒng)執(zhí)行性能提高大約3倍。圖為該MP3系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。
（1）MP3解碼器
在大多數(shù)MP3播放器中，處理器是用來管理函數(shù)和傳輸數(shù)據(jù)的。專用MP3解碼器ASIC可用于執(zhí)行密集計(jì)算量的解碼和傳數(shù)據(jù)給音頻器件。本例中，Altera的Nios處理器用于完成處理控制信號(hào)，傳輸數(shù)據(jù)和進(jìn)行MP3解碼。通常，MP3解碼器流程如下：
①通過IDE接口從CF（CompactFlash controler）中讀取MP3數(shù)據(jù)；
②將MP3數(shù)據(jù)存入SPAM中緩存；
③對(duì)MP3數(shù)據(jù)解碼；
④將MP3邊帶合成到脈沖編碼調(diào)制（PCM）數(shù)據(jù)；
⑤把PCM數(shù)據(jù)傳給脈寬調(diào)制器PWM。
此外，播放器采用MPEG Audio Decoder(MAD)進(jìn)行MP3解碼，是基于以下方面：
①100%定點(diǎn)（整數(shù)）計(jì)算；
②網(wǎng)上有可利用的源碼；
③在GNU Ceneral Public License（GPL）下發(fā)布。
（2）定制指令
我們知道在執(zhí)行MP3解碼的過程中，大量時(shí)間花費(fèi)在邊帶的合成上。因此，優(yōu)化Altera MP3的重點(diǎn)就落在函數(shù)mad_synth_frame上。我們可通過使用定制指令f_mul和DCT32來優(yōu)化該函數(shù)。
F_mul
F_mul和mad_f_mul是MAD使用的宏，用整數(shù)乘法來模擬浮點(diǎn)乘法。定義如下：
#define mad_f_mul(x,y)
((((x)+0x00002000L)>>14)×(((y)+0x00002000L))>>14)
#define f_mul(x,y)
(((x)|0x0001FFFFL) ((y)|0x0001FFFFL))
這些函數(shù)完成的功能是一組易被硬件實(shí)現(xiàn)的操作，包括移位、加法、乘法和邏輯或運(yùn)算。在Altera MP3的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，用硬件定制指令f_mul執(zhí)行原先用軟件宏；還可利用前綴選項(xiàng)，把兩個(gè)宏合為一個(gè)單定制指令。以下就是用Altera的定制指令定義（f_mul和mad_f_mul）：
#define f_mul(x,y)nm_fmul((x),(y));
#define mad_f_mul(x,y)nm_fmul_pfx(1,(x),(y));
DCT32
在MP3解碼中，DCT32完成離散余弦變換。MAD軟件用優(yōu)化過的DVT來增強(qiáng)性能。從軟件角度來看，該優(yōu)化算法比起一般DCT對(duì)提高性能具有重大意義。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)DCT需要1024個(gè)乘法，而用優(yōu)化后的DCT只需80個(gè)乘法。
圖4 DCT32與mad_synth_frame軟件流程
DCT32定制指令所用硬件由Celoxica提供，它是可重配置計(jì)算方案提供商，采用了基于HandelC的設(shè)計(jì)工具。Altera的DCT32定制指令按以下特點(diǎn)設(shè)計(jì)：
|①可以存儲(chǔ)32位輸入和32位輸出；
②在DCT計(jì)算時(shí)，能獨(dú)立于CPU工作；
③用前綴指令接受命令
——裝入/卸載
——啟動(dòng)DCT計(jì)算
——輪詢是否完成。
因?yàn)槎ㄖ浦噶羁梢暂喸?，在DCT輸出前其它代碼可以并行運(yùn)行。當(dāng)需要DCT輸出時(shí)，定制指令被查詢，看是否已完成計(jì)算。如果完成，Nios處理器卸載輸出數(shù)據(jù)，同時(shí)裝入下組輸入數(shù)據(jù)。圖4給出了DCT32定制指令及mad_synth_frame的流程圖。
（3）優(yōu)化前后比較
表1給出了三種情況下完成mad_synth_frame函數(shù)的比較結(jié)果。三種情況分別是只用硬件乘法指令，單用定制指令f_mul及f_mul和DCT32共用。
從表1中可以看出，f_mul是最有效的定制指令，系統(tǒng)規(guī)模僅僅增加3%，卻減少了77%的循環(huán)數(shù)目。規(guī)模增加很小是因?yàn)閒_mul定制指令無需專用的硬件乘法器。
表1 三種情況比較
| 所用硬件 | 循環(huán)數(shù)目 | 邏輯元件（IE） | 內(nèi)存位 |
| 只用硬件乘法 | 1 279 000 | 3 542 | 26 624 |
| f_mul | 293 000 | 3 642 | 26 624 |
| f_mul和DCT32并行 | 231 600 | 4 331 | 30 528 |
DCT32指令運(yùn)行在并行模式下，比起f_mul又減少了21%的循環(huán)數(shù)目，LE資源也只增加了18.9%。
把定制指令所需的額外資源和性能增加情況與只用硬件乘法的基準(zhǔn)系統(tǒng)比較。用定制指令能減少執(zhí)行mad_synth_frame函數(shù)時(shí)所需的80%循環(huán)數(shù)目而只增加系統(tǒng)22.3%的規(guī)模。該MP3是在Nios開發(fā)面板上設(shè)計(jì)并運(yùn)行的，頻率為33MHz。在不增加時(shí)鐘頻率的情況下，所有性能符合指標(biāo)。如果需進(jìn)一步提高性能，還可通過增大時(shí)鐘頻率，加大內(nèi)存，增加指令和數(shù)據(jù)緩存等方法來實(shí)現(xiàn)。
4 結(jié)論
采用Nios定制指令，系統(tǒng)設(shè)計(jì)得能夠把一系列順序執(zhí)行的指令簡(jiǎn)化為通過硬件執(zhí)行的單個(gè)指令，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)并且 加快系統(tǒng)運(yùn)行速度。同時(shí)充分利用了可編程邏輯器件通過硬件執(zhí)行速度快的優(yōu)點(diǎn)，和用于控制的Nios處理器進(jìn)行了完美的結(jié)合。
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