基于Xilinx Virtex-5-FXT中的APU簡化汽車多媒體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案詳解

基于XilinxVirtex-5-FXT中的APU簡化汽車多媒體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案詳解汽車多媒體系統(tǒng)面臨著嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)：如何在漫長的整個(gè)產(chǎn)品壽命周期中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可升級(jí)性？轎車和卡車的壽命通常都在十年以上。這就使汽車多媒體系統(tǒng)難以跟上消費(fèi)電子產(chǎn)品和移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)迅速變化的步伐。在大多數(shù)情況下，只更新多媒體軟件是不夠的，甚至是不可能的。許多應(yīng)用，尤其是多媒體編解碼器，還需要提高計(jì)算性能。然而，為將來的使用而設(shè)計(jì)具有“后備”計(jì)算能力的系統(tǒng)，既不經(jīng)濟(jì)，在技術(shù)上也不可行，因?yàn)樵S多技術(shù)變化是根本無法預(yù)見的。一種解決方案是以某種方式隨軟件一起升級(jí)計(jì)算平臺(tái)，使系統(tǒng)經(jīng)過升級(jí)能夠?yàn)楦郊拥能浖幚碡?fù)荷提供足夠的計(jì)算能力。您如果使用Xilinx?Virtex?-5FXT器件構(gòu)建系統(tǒng)，就可以為PowerPC處理器的輔助處理單元（APU）增加專用的計(jì)算操作，從而為設(shè)計(jì)賦予更高的計(jì)算能力。MissingLink電子公司致力于打造可重新配置的平臺(tái)，以便將經(jīng)久耐用的汽車和航天電子設(shè)備與迅速變化的消費(fèi)和移動(dòng)通信市場掛起勾來。我們相信，在XilinxVirtex-5FXT器件中，PowerPC處理器的APU是塊寶。它為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供的計(jì)算能力，在傳統(tǒng)上只有自行定制ASSP器件的“大戶”才有幸享用。既然賽靈思用戶現(xiàn)在擁有這般可用資源，我們認(rèn)為每個(gè)人都應(yīng)該利用APU來優(yōu)化自己的設(shè)計(jì)。通過APU擴(kuò)展指令集的基本原理設(shè)計(jì)人員想優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)時(shí)，通常是設(shè)法擴(kuò)展處于設(shè)計(jì)核心位置的微處理器的指令集，以此來達(dá)到優(yōu)化目的。從傳統(tǒng)上講這是最佳方案，因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)的復(fù)雜性在于設(shè)計(jì)的軟件部分。您也可以增加專用的硬件模塊，直截了當(dāng)?shù)貫樵O(shè)計(jì)賦予新功能。不過，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，增加指令的方法在彌補(bǔ)硬件變化方面具有某些顯著的優(yōu)越性，并且在一定程度上易于為設(shè)計(jì)人員所實(shí)現(xiàn)。例如，通過擴(kuò)展指令，您可以更精細(xì)地優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外，擴(kuò)展指令集通常不會(huì)干擾存儲(chǔ)器訪問，因此具有優(yōu)化系統(tǒng)整體性能的可能性。盡管有個(gè)人、公司和學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)發(fā)表過有關(guān)論著，然而對(duì)于不熟悉這種技法的任何人來說，擴(kuò)展指令集都可能看似一種“魔術(shù)”。但實(shí)際上，這并非那么復(fù)雜。請?jiān)囅肽绾瓮ㄟ^APU接口向PowerPC處理器的指令集增加某些相當(dāng)簡單的指令，以此來優(yōu)化Virtex-5FXT設(shè)計(jì)。一般而言，要擴(kuò)展嵌入式微處理器的指令集，您需要明白您是要進(jìn)行軟硬件兩方面修改。首先，您要為系統(tǒng)增加硬件模塊，以完成專門的計(jì)算。這些計(jì)算是在FPGA結(jié)構(gòu)中并行執(zhí)行，而不是在軟件中依次執(zhí)行。用賽靈思公司的話來說，這些硬件模塊稱為“結(jié)構(gòu)協(xié)處理模塊”，即FCM。您可以用VHDL或Verilog語言編寫這些FCM，它們將在Virtex-5FXT器件的FPGA結(jié)構(gòu)中終結(jié)。您可以將一個(gè)或多個(gè)FCM連接到PowerPC處理器的APU接口。下一步是調(diào)整軟件代碼，以便啟用增加的指令。您有兩種可選方法（假定您在用C語言編程）。第一種方法是修改C編譯器，令其自動(dòng)利用附加指令可施展功效的情形。我們把這種方法留給學(xué)術(shù)界和致力于ASSP的某些人。第二種方法較為簡潔，不必觸及編譯器，而是使用所謂編譯器認(rèn)識(shí)的函數(shù)。也就是說，我們要在軟件代碼中手動(dòng)調(diào)用一個(gè)能使用這些附加指令的C宏或C函數(shù)。無論使用哪種方法，我們都必須調(diào)整匯編器，使其支持新指令。幸好，賽靈思公司在嵌入式開發(fā)套件（EDK）中包括了PowerPC的編譯器和匯編器，它們已經(jīng)支持這些附加指令。PowerPC遇到這些新指令時(shí)，迅速察覺它們不是其原指令集的組成部分，進(jìn)而將它們交給APU予以處理。賽靈思公司已將APU配置成解譯這些指令，為相應(yīng)的FCM提供運(yùn)算元數(shù)據(jù)，然后讓FCM執(zhí)行計(jì)算。如果這一步妥善完成，則軟件在運(yùn)行時(shí)需要的指令就會(huì)較少。因此，我們無需提高CPU的時(shí)鐘頻率（這可能造成其他麻煩），就可以從設(shè)計(jì)中獲得更多計(jì)算能力。之所以使用APU，而不是通過PLB總線將硬件模塊連接到微處理器，主要是因?yàn)镻owerPC處理器與APU/FCM之間的較大帶寬和較短延遲。另一優(yōu)越性在于，系統(tǒng)需要通過PLB總線來快速訪問外設(shè)，而APU不依賴CPU對(duì)外設(shè)的接口，因此不會(huì)增加PLB總線的負(fù)擔(dān)。APU為PowerPC與FCM之間提供多種接口方式。我們可以使用某種“加載存儲(chǔ)指令”法，也可以使用“用戶定義指令”（UDI）法。賽靈思公司的《用戶指南》UG200的第12章詳細(xì)介紹了這些技法（）。我們在示例中將使用UDI法，因?yàn)檫@種方法可以最大限度地控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)最高性能。可以從我們的網(wǎng)站下載示例設(shè)計(jì)，網(wǎng)址是。示例設(shè)計(jì)描述我們用增加一條UDI的方法擴(kuò)展了PowerPC處理器的指令集，以執(zhí)行復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算，這對(duì)于許多多媒體解碼系統(tǒng)來說是一種簡便易行的優(yōu)化方法。EDK圖顯示了總體設(shè)計(jì)，包括如何通過APU將復(fù)數(shù)乘法器的FCM連接到PowerPC處理器，以及軟件如何運(yùn)用FCM。圖1–EDK處理器系統(tǒng)框圖我們選擇復(fù)數(shù)乘法作為示例，是因其在流式媒體數(shù)據(jù)解碼方面具有廣泛的適用性，也是因其能夠明確說明如何通過增加專用指令來利用APU。復(fù)數(shù)乘法的定義是，兩復(fù)數(shù)相乘，二者各有一個(gè)實(shí)值和一個(gè)虛值。（a_R+ja_I，wherej*j=-1）：（a_R+ja_I）*（b_R+jb_I）=（a_R*b_R-a_I*b_I）+j（a_I*b_R+a_R*b_I）為提高效率，復(fù)數(shù)乘法硬件模塊（cmplxmul）分三級(jí)執(zhí)行乘法運(yùn)算。這樣，便可在這種多周期的實(shí)現(xiàn)中僅使用兩個(gè)乘法器和兩個(gè)加法器，從而節(jié)省硬件資源。圖2所示為復(fù)數(shù)乘法FCM的框圖（草圖形式）。圖2–復(fù)數(shù)乘法協(xié)處理器設(shè)計(jì)如此容易，在坐標(biāo)紙上即可完成如cmplxmul.vhd中的VHDL代碼所示，我們在三個(gè)時(shí)鐘周期中完成復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算。我們在文件cmplxmul.vhd中實(shí)現(xiàn)了用來完成此復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算的FCM。文件fcmcmul.vhd提供了FCM/APU接口的封裝，用來將FCM連接到APU。如我們將在分步指南（請見側(cè)條）中所示，當(dāng)使用UDI法時(shí)，您可以用此封裝用作為模板，將自己的FCM連接到APU（“加載存儲(chǔ)指令”法需要不同的互連方式）。我們用XilinxEDK/XPS10.1.02通過使用XilinxISE?10.1.02來綜合了我們的設(shè)計(jì)。我們用ModelSim6.3dSE對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真和測試。通過增