設(shè)計靈活、高性能的嵌入式系統(tǒng)

　　您的下一個嵌入式系統(tǒng)設(shè)計項(xiàng)目需要的是什么：是可以讓您輕松地定制設(shè)計的靈活的系統(tǒng)元件，還是額外的性能空間，以便您在設(shè)計周期中加入更多的功能？為什么要讓自己承受過度的開發(fā)壓力，并且只能舍此取彼呢？軟處理和IP定制能夠?yàn)橥瑫r確保靈活性和高性能提供了最佳的解決方案，將定制設(shè)計的概念和協(xié)處理帶來的性能加速結(jié)合起來。

　　分立處理器只能提供固定的外設(shè)選擇，并且一些性能受到時鐘頻率的限制。在嵌入式FPGA所提供的平臺上，您可以創(chuàng)建一個具有大量定制處理器核、靈活的外設(shè)、甚至協(xié)處理減負(fù)引擎的系統(tǒng)?，F(xiàn)在，您能設(shè)計出一個不折不扣的定制處理系統(tǒng)——不僅滿足最具挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目要求，而且能夠沖破性能極限，與此同時，通過使用FPGA硬件實(shí)現(xiàn)加速的軟件指令最大限度地提高系統(tǒng)的性能。隨著FPGA架構(gòu)的加速，從前的限制便不復(fù)存在。

靈活性

　　除了在Xilinx® VirtexTM平臺的FPGA中所提供的高性能PowerPCTM硬件處理核和使用匯編語言編程的占位空間更小的PicoBlazeTM微控制器外，Xilinx公司還提供一種可定制的通用32位RISC處理器。由于可以使用Virtex或SpartanTM系列產(chǎn)品中的任意一款在邏輯門外對其進(jìn)行構(gòu)建，因此MicroBlazeTM軟件處理器的使用十分靈活，并且您能夠通過定制處理IP外設(shè)來滿足您的特定要求。

　　使用可定制核和IP，您只需創(chuàng)建所需的系統(tǒng)元件而不浪費(fèi)任何芯片資源。當(dāng)您使用像FPGA這樣的可編程器件構(gòu)建一個處理系統(tǒng)時，就不會在分立器件中浪費(fèi)任何未使用的資源，也不會出現(xiàn)當(dāng)需要的外設(shè)數(shù)量超過所提供的數(shù)量時（例如您的設(shè)計需要3個UART，而分立器件只能提供1個或2個），設(shè)計無法繼續(xù)進(jìn)行的情況。此外，您不會受限于初始的架構(gòu)設(shè)想；相反，您能不停地進(jìn)行大的修改并且能夠調(diào)整系統(tǒng)架構(gòu)來適應(yīng)新的需求特性或不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)。

 
圖1 - 簡化的MicroBlaze框圖

　　在“2006年嵌入式系統(tǒng)大會”的論文匯編中有一個FIR濾波器的設(shè)計示例，其中，MicroBlaze系統(tǒng)包含一個可選的符合IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部浮點(diǎn)單元（FPU），從而大大提高了該處理器核上僅可由軟件執(zhí)行的操作的性能。通過加入可選的MicroBlaze元件，可以迅速地提高應(yīng)用程序的性能。

　　這些可選內(nèi)部元件的另外一個優(yōu)勢就是它們得到MicroBlaze C編譯器的全面支持，因此不必改變源代碼。在這個FIR濾波器設(shè)計示例中，由于調(diào)用外部C代碼庫的浮點(diǎn)函數(shù)的操作被使用新的FPU的指令自動取代，因此加入FPU和對設(shè)計的重復(fù)編譯意味著直接的性能提升。

　　與軟件重新編碼方法相比，使用專用硬件處理單元，能夠?qū)⑼瓿商囟ㄈ蝿?wù)所需的時鐘周期數(shù)減少幾個數(shù)量級，從而提高處理器的性能。圖1的簡化圖顯示了一個帶有內(nèi)部FPU IP核、本地存儲器核和像UART或JTAG調(diào)試端口這樣的可選外設(shè)的MicroBlaze處理系統(tǒng)。由于系統(tǒng)是可定制的，我們可以方便地實(shí)現(xiàn)Xilinx處理器IP產(chǎn)品目錄中所包含的多個UART或其他的IP外設(shè)核，其中包括DMA控制器、IIC、CAN或DDR存儲器接口等。

　　該IP產(chǎn)品目錄提供了門類齊全的其他處理IP（橋、仲裁器、中斷控制器、GPIO、定時器和存儲器控制器等），以及適用于每個IP核的可定制選項(xiàng)（例如波特率和奇偶校驗(yàn)位），以對元件的特性、性能和尺寸/成本進(jìn)行優(yōu)化。此外，您還能設(shè)置與處理核相關(guān)的時鐘頻率、調(diào)試模式、本地存儲器容量、高速緩存和其它選項(xiàng)。僅僅增加一個FPU核，我們就能創(chuàng)建一個可將前文所提到的FIR的實(shí)現(xiàn)從8,500,000個CPU周期優(yōu)化至177,000個CPU周期的MicroBlaze系統(tǒng)，這樣，在不改變C代碼源文件的情況下即可將性能提高48倍。

　　在第二個示例中，我們將構(gòu)建另外一個設(shè)計模塊，實(shí)現(xiàn)一個面向MP3解碼器的IDCT引擎，這一設(shè)計可使應(yīng)用模塊的速度加快一個數(shù)量級。

　　您可以使用圖2中所示的開發(fā)工具，方便地創(chuàng)建上文提到的兩個處理器平臺。這個集成式軟件/硬件開發(fā)工具包括一塊直接支持PowerPC和MicroBlaze處理器設(shè)計的Virtex-4參考板。開發(fā)工具還包括所有的編譯器和所需的FPGA設(shè)計工具，以及IP目錄和用作預(yù)校準(zhǔn)的參考設(shè)計。

　　再加上JTAG探測器和系統(tǒng)電纜，此開發(fā)工具能夠讓您在開始編輯和調(diào)試自己的設(shè)計變更之前，輕松構(gòu)建和運(yùn)行一個工作系統(tǒng)。不同器件和板卡的開發(fā)工具，可從Xilinx公司及其分銷商以及第三方嵌入式系統(tǒng)合作伙伴那里得到。

 
圖2 - 集成式硬件/軟件開發(fā)工具

查明瓶頸和實(shí)現(xiàn)協(xié)處理

　　MicroBlaze處理器是EDN公司2005年的百件熱門產(chǎn)品之一，使用獲得IEC（國際工程協(xié)會）大獎的Xilinx Platform Studio（XPS）嵌入式工具套件實(shí)現(xiàn)硬件/IP的設(shè)置和軟件的開發(fā)。XPS包含在我們預(yù)先配置的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)中，是用來創(chuàng)建系統(tǒng)的集成式開發(fā)環(huán)境（IDE）。如果您擁有一塊標(biāo)準(zhǔn)的參考板或已經(jīng)創(chuàng)建了自己的電路板描述文檔，那么XPS就可以驅(qū)動一個設(shè)計向?qū)砜焖俚嘏渲媚某跏枷到y(tǒng)。

通過使用智能化工具來減少錯誤和學(xué)習(xí)壓力，您就可以集中精力提高最終產(chǎn)品的價值。完成基本的配置后，您可以花一些時間來調(diào)整IP，從而定制自己的系統(tǒng)，然后進(jìn)行軟件應(yīng)用的開發(fā)。

　　XPS為程序員提供了一個功能強(qiáng)大的基于Eclipse框架的軟件開發(fā)IDE。這一環(huán)境對于開發(fā)、調(diào)試和管理代碼以查明隱藏于其它不可見的代碼執(zhí)行中的性能瓶頸是十分理想的。這些代碼中的不足之處經(jīng)常會使設(shè)計達(dá)不到所要求的性能目標(biāo)，但它們又很難被發(fā)現(xiàn)而且通常更難被優(yōu)化。

　　使用像“內(nèi)聯(lián)代碼”這樣的技術(shù)來減少多余的函數(shù)調(diào)用開銷，就能夠?qū)?yīng)用程序的性能提高1%~5%。但如果使用可編程平臺，利用現(xiàn)有更強(qiáng)大的設(shè)計技術(shù)，可使性能提高一到兩個數(shù)量級。

　　圖3顯示了XPS性能分析截屏圖。XPS可以用不同的形式顯示分析信息（profiling information），這樣您就可以一目了然地看清突出顯示在性能圖上的趨勢或個別相沖突的程序。柱狀圖、餅狀圖和測量指標(biāo)表格，讓定位和判斷函數(shù)與程序的不足之處變得簡單，這樣您就能夠采取行動來改進(jìn)這些極大影響整體系統(tǒng)性能的程序。

 
圖3 - XPS嵌入式工具套件

 
圖4 - MicroBlaze MP3解碼器示例

自帶IP模塊的軟處理器核

　　在我前面所介紹的MP3解碼器示例中，我們從多個MicroBlaze處理器的示例化開始，構(gòu)建了一個定制系統(tǒng)（圖4）。由于MicroBlaze處理器是一個軟核處理器，因此我們能方便地構(gòu)建一個具有多個處理器的系統(tǒng)并能平衡性能負(fù)載，從而得到一個優(yōu)化的系統(tǒng)。

　　從圖4我們可以清楚地看到，頂部自帶總線和外設(shè)的MicroBlaze塊與底部的MicroBlaze塊和它自帶的外設(shè)是彼此分開的。此設(shè)計的頂部區(qū)域運(yùn)行支持整個文檔系統(tǒng)的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，這樣就能通過網(wǎng)絡(luò)接入MP3比特流。我們將這些比特流的解碼和播放操作留給第二個MicroBlaze處理器。在此設(shè)計中我們加入了緊密耦合的DCT/IMDCT（正向和反向改進(jìn)的離散余弦變換）函數(shù)處理器減負(fù)引擎和兩個高精度MAC單元。

　　IMDCT塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的壓縮和解壓縮，以縮短傳輸線的執(zhí)行時間。DCT/IMDCT是壓縮應(yīng)用中計算量最大的兩種函數(shù)，因此將整個函數(shù)放到它自己的協(xié)處理模塊中執(zhí)行，極大地提高了整個系統(tǒng)的性能。與前面提到的在FIR濾波器中加入一個內(nèi)部FPU的設(shè)計示例不同的是，這個MP3設(shè)計示例已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了MicroBlaze的定制，并且在FPGA中加入了外部專用硬件。

 
圖5 - 協(xié)處理加速的結(jié)果

協(xié)處理+可定制IP = 高性能

　　通過將軟件函數(shù)的大量計算負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移給協(xié)處理的“硬件指令”，您就能找到一個最佳的平衡點(diǎn)，使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳。圖4還顯示了Linux文件系統(tǒng)模塊的一系列IP外設(shè)，其中包括UART、以太網(wǎng)MAC和其他各種存儲器控制器選項(xiàng)。與此不同的是，編碼/解碼應(yīng)用模塊采用了針對不同系統(tǒng)功能定制的不同IP。

　　第二個MicroBlaze軟核從屬于第一個MicroBlaze處理器，并扮演用于對MP3比特流進(jìn)行解碼的任務(wù)引擎的角色。帶有附加專用IP核的解碼算法，通過Xilinx快速單工連接（Fast Simplex Link，F(xiàn)SL）接口直接連到FPGA架構(gòu)硬件資源內(nèi)部。這一協(xié)處理的設(shè)計技術(shù)充分利用了FPGA硬件相對于較慢的獨(dú)立式處理器的順序指令執(zhí)行而言所具有的并行和高速特性。

　　與高性能FPGA架構(gòu)直接相連，可以引入快速的乘累加模塊（圖4中的LL_SH MAC1和LL_SH MAC2），與DCT和IMDCT模塊的專用IP形成互補(bǔ)。長長整型MAC模塊能夠提供更高的精度，同時減輕處理單元的計算負(fù)荷。您可能注意到，在AC97控制器核到外部AC97多媒體數(shù)字信號編解碼器接口之間同樣使用FSL連接，這可使MP3播放器實(shí)現(xiàn)CD音質(zhì)的輸入/輸出。

　　圖4所示的協(xié)處理系統(tǒng)的性能，比原有的軟件系統(tǒng)的性能累計提高了41倍。將一個“只使用軟件”的實(shí)現(xiàn)方式（參見圖5頂部的橫條）與硬件指令示例化的每個階段相比，您就可以看出是如何一步步提高性能的。僅僅將軟件計算轉(zhuǎn)移到IMDCT中就會帶來1.5倍的性能提升，增加DCT硬件指令后則可使性能提升1.7倍。加入一個長長整型乘累加單元，可帶來8.2倍的性能提升。

　　采用協(xié)處理技術(shù)在硬件中實(shí)現(xiàn)所有的軟件模塊，能夠使系統(tǒng)總體性能提升41倍，這還沒有考慮減少應(yīng)用程序代碼長度這一額外優(yōu)勢。由于去除了需要大量指令的乘法函數(shù)，而代之以一個可以讀寫FSL端口的單一指令，因此我們進(jìn)一步減少了指令數(shù)量，并因此壓縮了代碼的占位空間。例如在MP3的應(yīng)用示例中，代碼的占位空間縮小了20%。

　　更重要的是，通過像XPS這樣的智能化工具能夠方便快速地對設(shè)計進(jìn)行修改，同時仍能保證在產(chǎn)品的開發(fā)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)這些修改。僅使用軟件增強(qiáng)性能的方法，非常費(fèi)時，而且得到的回報通常很有限。在一個可編程平臺之上平衡軟件應(yīng)用、硬件實(shí)現(xiàn)和協(xié)處理的劃分，您就能得到一個更理想的結(jié)果。

結(jié)論
　　基于本文所描述的示例，我們能夠輕松定制一個全嵌入式處理系統(tǒng)，編輯IP從而在特性/面積/成本之間取得最佳平衡，并且在看似不可能的地方使性能得到大幅提升。Virtex-4和Spartan-3系列器件提供了靈活的軟處理器解決方案，開發(fā)人員可以在隨后的開發(fā)周期中對其進(jìn)行設(shè)計和改進(jìn)。屢獲殊榮的MicroBlaze軟處理器核，加上獲獎不斷的XPS工具套件，為您的嵌入式設(shè)計提供了一套強(qiáng)大的工具。

　　協(xié)處理技術(shù)，例如采用高性能FPGA硬件指令實(shí)現(xiàn)需要大量計算的軟件算法，能夠使常規(guī)工業(yè)應(yīng)用模塊的性能提高2倍、10倍甚至40倍以上。想象一下這將為您的下一個設(shè)計帶來什么——在開發(fā)周期的后期，您的設(shè)計仍有修改的余地，并且可以預(yù)先規(guī)劃好下一代產(chǎn)品的改進(jìn)方案。

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廠商來源：賽靈思(Xilinx)