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。如果硬件沒有設(shè)置好，會(huì)帶來重新編寫代碼的麻煩。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)帶來麻煩，并且耗費(fèi)了大量的時(shí)間。

　　通過將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，使開發(fā)人員在完成代碼編寫后，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。無論硬件設(shè)計(jì)語言多么像一個(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，軟件工程師正越來越多地使用C編程技術(shù)來設(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設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能。

　　軟件實(shí)現(xiàn)的方法更偏向于過程導(dǎo)向。它考慮的是“如何去做”而不是“構(gòu)建什么”的問題，因?yàn)閺膫鹘y(tǒng)觀點(diǎn)來看，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)者所考慮的問題是不同的。硬件工程師不可能只通過改變編程語言的語法，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。

　　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

　　讓我們來逐一回答這些問題，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)量可以通過對(duì)周期預(yù)算和執(zhí)行代碼所需的周期數(shù)進(jìn)行簡單的數(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進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，而不用根據(jù)硬件來進(jìn)行劃分。軟件工程師如何進(jìn)行設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵問題。Teja中集成了一組API和一個(gè)處理工具，可以用ANSI C來定義硬件平臺(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)簡單的#define陳述式。

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　　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，而你在下一個(gè)數(shù)據(jù)包到來之前，只有那么多周期來完成你的工作。如果你的代碼需要更長的時(shí)間來執(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)，可以通過分析來確定周期數(shù)。

　　下一個(gè)問題是如何安排這些處理器。處理這一問題最簡單的辦法就是確定你是否需要?jiǎng)澐执a，來創(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;先通過分析來確定每個(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)制使用一種專門的劃分方法，實(shí)現(xiàn)這一劃分就會(huì)需要相當(dāng)長的時(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進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，而不用根據(jù)硬件來進(jìn)行劃分。

　　軟件工程師如何進(jìn)行設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵問題。Teja中集成了一組API和一個(gè)處理工具，可以用ANSI C來定義硬件平臺(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。

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　　存儲(chǔ)器

　　第三個(gè)問題跟所需的存儲(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)沒有滿足這一要求，就需要做大量的工作來將多出的內(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

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　　使用減負(fù)器來加快處理速度

　　第四個(gè)問題和創(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，就能夠減少整個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)的面積。

　　Teja有一項(xiàng)功能就是用來從代碼中直接創(chuàng)建這樣的加速器或減負(fù)器。通過對(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)很簡單的任務(wù)。

　　一個(gè)簡單直接的方法

　　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自然和簡單的參數(shù)，這里使用自然的軟件語言(ANSI C)來表達(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程序來處理，它會(huì)為Xilinx嵌入式開發(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)間來圍繞一個(gè)固定的硬件設(shè)置編寫程序。

　　通過利用靈活的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_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)。

　　了解Teja FP方面的更多信息，請(qǐng)與bmoyer@xilinx.com聯(lián)系。