一種面向多核DSP的小容量緊耦合快速共享數(shù)據(jù)池

1. 引言

多核數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是近年來針對高性能嵌入式應(yīng)用而出現(xiàn)的一類多核微處理器（CMP）。相比傳統(tǒng)的單核處理器，多核處理器在提高并行處理能力的同時(shí)也需要更高的存儲(chǔ)帶寬和更靈活的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。便箋存儲(chǔ)器（SPM）是一種小容量的片上存儲(chǔ)器，具有全局地址空間，可以由訪存指令直接訪問。SPM僅僅包含存儲(chǔ)陣列和譯碼邏輯，沒有Cache那樣復(fù)雜的Tag比較邏輯和替換策略，在電路面積和功耗方面比Cache更具優(yōu)勢。另外，SPM采用固定的存儲(chǔ)映射方式，沒有訪問失效問題，能夠保證單拍（或確定節(jié)拍）的訪問時(shí)間，便于用戶顯式地管理和調(diào)度其中的數(shù)據(jù)，適合嵌入式實(shí)時(shí)計(jì)算的特點(diǎn)。

根據(jù)多核DSP的應(yīng)用需求，并結(jié)合SPM的結(jié)構(gòu)特征和共享存儲(chǔ)的編程優(yōu)勢，本文提出了一種面向多核DSP的快速共享數(shù)據(jù)緩沖池FSDP，對其進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和模擬分析。分析結(jié)果表明，F(xiàn)SDP對于DSP核間細(xì)粒度共享數(shù)據(jù)（例如某些全局變量、公共系數(shù)矩陣等）的傳輸具有很高的效率，相比類似的VS-SPM結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒊绦蛐阅芴岣?7%，與傳統(tǒng)的共享數(shù)據(jù)Cache結(jié)合使用能夠?qū)悩?gòu)多核DSP的性能提高13%。

本文的組織結(jié)構(gòu)如下。第2部分介紹了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，第3部分介紹了異構(gòu)多核DSP的總體結(jié)構(gòu)原型，第4部分詳細(xì)介紹了FSDP的組成結(jié)構(gòu)、訪問方法和同步機(jī)制。第5部分介紹了設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，構(gòu)建了關(guān)于最佳單體容量的分析模型。第6部分介紹了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和模擬分析結(jié)果。最后一部分總結(jié)了全文。

2. 相關(guān)工作

近年來，國外學(xué)者在SPM領(lǐng)域已經(jīng)展開了積極的研究。Banakar等人針對計(jì)算密集型應(yīng)用，使用專用工具（CACTI）計(jì)算出了各種容量的SPM和Cache的面積和功耗，使用Trace模擬器進(jìn)行了性能對比。結(jié)果表明，同樣容量的SPM的平均功耗比Cache降低了40%。Issenin等人也認(rèn)為，如果通過數(shù)據(jù)重用技術(shù)，將經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)放在小容量的SPM中，用片內(nèi)局部傳輸代替片外全局傳輸，不但可以節(jié)省約一半的功耗，而且大大提高了傳輸效率。Kandemir和Suhendra等人基于一種虛擬共享便箋式存儲(chǔ)器（VS-SPM）的多核處理器原型，如圖1所示。通過任務(wù)映射、調(diào)度、SPM劃分和數(shù)據(jù)分配等編譯優(yōu)化算法，提高片內(nèi)數(shù)據(jù)重用性，減少不必要的片外訪存，其宣稱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠把嵌入式應(yīng)用的性能提高80%。

這些已有的工作主要是從軟件的角度研究如何優(yōu)化SPM的存儲(chǔ)分配與管理，而且大部分是基于單核處理器的研究，對于多核處理器環(huán)境下SPM的體系結(jié)構(gòu)研究還不夠充分。特別在共享存儲(chǔ)的方式下，必須根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中核間數(shù)據(jù)共享與傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，研究速度快、結(jié)構(gòu)靈活的SPM存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。本文提出的FSDP采用多體并行和交叉訪問的方式，訪問延遲小，存取速度快；提供了硬件信號(hào)燈和軟件查詢兩種同步機(jī)制，同步開銷低，編程使用靈活。

3. 異構(gòu)多核DSP總體結(jié)構(gòu)

圖1 異構(gòu)多核DSP“SDSP”的總體結(jié)構(gòu)

異構(gòu)多核DSP“SDSP”的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由四個(gè)精簡的32位浮點(diǎn)DSP核與一個(gè)32位的RISC核構(gòu)成。DSP核采用課題組自行研制的32位高性能浮點(diǎn)DSP“YHFT-DSP700”的精簡內(nèi)核。該DSP內(nèi)核主頻300MHz，8流出超長指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)。四個(gè)DSP內(nèi)核共享存儲(chǔ)空間。每個(gè)DSP核具有私有的一級(jí)數(shù)據(jù)Cache（L1D）和一級(jí)指令Cache（L1P），共享二級(jí)Cache/SRAM（L2）和FSDP。FSDP與L1D處于同一個(gè)存儲(chǔ)層次，具有不可Cache的全局存儲(chǔ)空間，可以被四個(gè)DSP核的訪存指令直接訪問。

RISC核采用開放體系結(jié)構(gòu)與源碼的LEON處理器。LEON是一款高度可配置的32位通用RISC處理器，兼容SPARC V8指令集，采用7級(jí)整數(shù)流水線，指令Cache和數(shù)據(jù)Cache分離。片上集成了AMBA 2.0總線，掛接存儲(chǔ)控制器、PCI模塊、CAN接口等外設(shè)模塊。

4. 快速共享數(shù)據(jù)緩沖池FSDP體系結(jié)構(gòu)

FSDP是一個(gè)四通道共享存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，每個(gè)DSP核對應(yīng)一個(gè)通道，每個(gè)通道包括兩個(gè)大小相同的存儲(chǔ)體SAi和SBi（i=1,2,3,4）、存控邏輯和讀寫隊(duì)列。四個(gè)通道依次順序編址，通過高速交叉開關(guān)（Crossbar）構(gòu)成整個(gè)共享數(shù)據(jù)緩沖池，如圖2所示。另外，F(xiàn)SDP采用了一組控制寄存器，通過公共的配置總線與四個(gè)DSP核相連，用于同步/互斥、狀態(tài)查詢、優(yōu)先級(jí)控制等操作。

圖2 FSDP的組成結(jié)構(gòu)及其與DSP核的連接關(guān)系

FSDP采用多體并行交叉訪問的機(jī)制，提供了“私有”和“共享”兩種工作模式，支持多個(gè)DSP核的并行訪問與核間數(shù)據(jù)流的傳輸。FSDP基于釋放一致性共享存儲(chǔ)模型，為用戶提供了硬件自動(dòng)阻塞和軟件手工查詢兩種同步機(jī)制。多核DSP程序產(chǎn)生的中間結(jié)果、公共變量、系數(shù)常量、查找表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都可以通過FSDP實(shí)現(xiàn)快速的細(xì)粒度數(shù)據(jù)傳輸與交換。而大批量的全局?jǐn)?shù)據(jù)和用戶程序則存放在片外存儲(chǔ)器中，通過兩級(jí)Cache進(jìn)行訪問。下面，本文將詳細(xì)介紹FSDP的組成結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 帶旁路的讀寫隊(duì)列與解耦的存控邏輯

為了緩存因訪問沖突或同步失敗而被阻塞的讀/寫訪問，我們?yōu)槊總€(gè)DSP核分別設(shè)置了讀/寫隊(duì)列，直接緩存各個(gè)DSP核Load/Store單元發(fā)出的訪問請求。為了縮短訪問延遲，我們?yōu)樽x/寫隊(duì)列設(shè)置了旁路邏輯。當(dāng)沒有訪問沖突且核間同步握手成功時(shí)，讀寫請求不需進(jìn)入讀寫隊(duì)列，由旁路邏輯將請求直接發(fā)送給相應(yīng)的存控邏輯。這一設(shè)計(jì)縮短了訪問延遲，有效增強(qiáng)了FSDP的傳輸效率。下圖3給出了帶旁路的讀寫隊(duì)列結(jié)構(gòu)。為了加快地址譯碼速度，本文將地址譯碼邏輯和訪問控制邏輯進(jìn)行了解耦處理，將譯碼器置于旁路邏輯之前，縮短控制邏輯的關(guān)鍵路徑，提高了FSDP的訪問速度。

圖3 帶旁路的讀寫隊(duì)列

4.2 雙模式操作與交叉訪問

本文為FSDP設(shè)計(jì)了“私有”和“共享”兩種工作模式。

在私有模式下，任意DSP核DSP-i只能讀寫與其對應(yīng)通道內(nèi)的兩個(gè)存儲(chǔ)體SAi和SBi（i=1,2,3,4），不能訪問其他的通道；

在共享模式下，每個(gè)DSP核可以讀取另外三個(gè)通道的數(shù)據(jù)，但不能向其中寫入數(shù)據(jù)。任意DSP核必須通過其對應(yīng)通道的兩個(gè)存儲(chǔ)體與其他DSP核交換共享數(shù)據(jù)。

可見，在私有模式下，所有的存儲(chǔ)體都不存在訪問競爭，訪問速度快。在共享模式下，F(xiàn)SDP不存在多核寫沖突的問題，簡化了維護(hù)數(shù)據(jù)一致性的硬件開銷，提高了核間共享數(shù)據(jù)的傳輸速度，有利于提高嵌入式應(yīng)用的實(shí)時(shí)性。

在任務(wù)流水的計(jì)算模式下，DSP核間的共享數(shù)據(jù)相繼構(gòu)成“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”關(guān)系：前一個(gè)核的計(jì)算輸出直接作為下一個(gè)核的計(jì)算輸入。為了有效支持這種傳輸模式，我們在FSDP中采用了交叉訪問的機(jī)制：

當(dāng)“生產(chǎn)者”DSP-i向存儲(chǔ)體SAi寫入第一塊共享數(shù)據(jù)之后，釋放該存儲(chǔ)體，轉(zhuǎn)而向SBi寫入第二塊共享數(shù)據(jù)；

“消費(fèi)者”DSP-j（j≠i）啟動(dòng)讀訪問，從SAi讀出第一塊共享數(shù)據(jù)；

當(dāng)這一過程完成后，雙方交叉，DSP-i釋放存儲(chǔ)體SBi，向SAi寫入第三塊共享數(shù)據(jù)，DSP-j則從SBi讀出第二塊共享數(shù)據(jù)，依此類推，直至傳輸完成。

因此，在寫入第一塊共享數(shù)據(jù)之后，讀寫操作就可以并行執(zhí)行。當(dāng)雙方的計(jì)算負(fù)載均衡，速度匹配的時(shí)候，DSP核之間可以進(jìn)行流水傳輸，同步等待延遲最小，傳輸效率達(dá)到最高。

4.3 釋放一致性模型與基于信號(hào)燈的快速同步機(jī)制

在共享存儲(chǔ)的釋放一致性（RC）模型中，同步操作包括“獲取”和“釋放”兩種操作，分別用于取得對共享存儲(chǔ)單元的獨(dú)占性訪問權(quán)和解除這一訪問權(quán)。參照基本的RC模型，本文為FSDP設(shè)計(jì)了一套簡潔、高效的控制邏輯和同步機(jī)制。

首先，為每個(gè)存儲(chǔ)體設(shè)置3個(gè)“信號(hào)燈”寄存器，分別對應(yīng)除本通道之外的其他3個(gè)DSP核，作為同步/互斥操作的硬件鎖?！靶盘?hào)燈”寄存器映射了全局共享的物理地址，通過公共配置總線與四個(gè)DSP核相連。每個(gè)“信號(hào)燈”具有“點(diǎn)亮”和“熄滅”兩種狀態(tài)，分別表示存儲(chǔ)體內(nèi)的共享數(shù)據(jù)“已寫入”和“已讀出”。DSP核通過同步指令改寫“信號(hào)燈”寄存器的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)核間的同步操作。具體的數(shù)據(jù)一致性協(xié)議為：

當(dāng)“生產(chǎn)者”DSP-i向某個(gè)存儲(chǔ)體寫入共享數(shù)據(jù)后，將其“信號(hào)燈”置為“點(diǎn)亮”狀態(tài)。若這批共享數(shù)據(jù)有2～3個(gè)“消費(fèi)者”，則點(diǎn)亮相應(yīng)的2～3個(gè)“信號(hào)燈”。在某個(gè)“信號(hào)燈”處于“熄滅”狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的DSP核對該存儲(chǔ)體的讀請求全部進(jìn)入讀隊(duì)列等待。

當(dāng)“消費(fèi)者”DSP-j讀出某個(gè)存儲(chǔ)體的共享數(shù)據(jù)后，將該存儲(chǔ)體與自己對應(yīng)的“信號(hào)燈”置為“熄滅”狀態(tài)。當(dāng)某個(gè)存儲(chǔ)體的所有3個(gè)“信號(hào)燈”都“熄滅”時(shí)，該存儲(chǔ)體被釋放，處于可寫狀態(tài)；否則，DSP核對該存儲(chǔ)體的寫請求全部進(jìn)入寫隊(duì)列等待。

“點(diǎn)亮”和“熄滅”信號(hào)燈的順序一致性由DSP核對公共配置總線的獨(dú)占性訪問來保證。

需要說明的是，DSP核不一定要將其對應(yīng)的存儲(chǔ)體寫滿才能點(diǎn)亮“信號(hào)燈”，一次同步操作所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量最小可以是一個(gè)字節(jié)，最大不超過單個(gè)存儲(chǔ)體的容量。

由于FSDP的訪存通路與同步操作通路（即配置總線）是相互分離的，因此可能出現(xiàn)同步操作指令通過配置總線先于訪存指令提前執(zhí)行的錯(cuò)誤情況。本文通過軟件延遲槽的方式解決這一問題：由編譯器通過指令調(diào)度技術(shù)，在最后一條共享數(shù)據(jù)的讀指令和“熄燈”指令之間插入1～2條無關(guān)指令或空操作（NOP），作為等待共享數(shù)據(jù)返回的延遲槽，確保最后一個(gè)讀請求被處理之后再執(zhí)行“熄燈”操作。具體所需的軟件延遲槽數(shù)量取決于DSP流水線的設(shè)計(jì)。對于本文而言，如果DSP核在發(fā)出Load指令的第3拍沒有接收到返回的數(shù)據(jù)，則暫停指令派發(fā)，因此只需要2個(gè)延遲槽。圖4給出了兩個(gè)DSP核i和j傳遞共享數(shù)據(jù)的實(shí)例。

（a）延遲槽與同步操作的程序?qū)嵗?BR>


（b）存儲(chǔ)體的內(nèi)容變化與信號(hào)燈狀態(tài)

圖4 兩個(gè)DSP核通過兩個(gè)存儲(chǔ)體傳遞共享數(shù)據(jù)的例子

本文最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)表明，任意兩個(gè)DSP核利用一對LOAD-STORE指令再加上一次同步操作，總共只需4拍即可完成一個(gè)共享數(shù)據(jù)字的傳遞，從而實(shí)現(xiàn)了核間細(xì)粒度共享數(shù)據(jù)的快速傳輸。當(dāng)需要傳輸?shù)墓蚕頂?shù)據(jù)量超過FSDP單通道存儲(chǔ)容量時(shí)，可以將數(shù)據(jù)分塊，進(jìn)行多次傳輸。