采用硬件加速發揮MicroBlaze處理能力

　　MicroBlaze處理器是賽靈思(Xilinx)在嵌入式開發套件 (EDK) 中提供的兩款32位內核之一，是實現硬件加速的靈活工具。圖1是MicroBlaze的典型設計。該內核含有一個32位乘法器，但不含浮點單元(FPU)、桶式移位器或專用硬件加速器。對Xilinx公司Spartan FPGA 器件而言，默認系統含有區域優化的MicroBlaze(采用三級流水線)，但大多數客戶通常在開始時使用速度優化版(采用五級流水線)進行性能評估，其優點是小巧簡潔，易于擴展。

　　Xilinx客戶針對這種處理器設計所要求的兩個實際應用案例可說明MicroBlaze在硬件加速方面的作用。本文以 Spartan 器件為重點，比較 FPGA 解決方案和標準控制器內核，展現我們能夠達到的性價比。這一方法同樣適用于Virtex FPGA。

　　案例1：實施位反轉算法

　　在第一個應用示例中，假定MicroBlaze處理器的運行速度僅為50MHz。采用 Spartan-3或Spartan-6器件可輕松實現這一速度。諸如本地存儲器總線(指令和數據，LMB)以及處理器本機總線(PLB)等所有內部總線的運行速度均達到50MHz。為簡單起見，假定沒有連接外部DDR存儲器。

　　現在假設客戶想要在這個CPU上實施位反轉算法。MicroBlaze自身沒有通過硬件直接提供這個功能。再假定每秒需要完成2萬次位反轉操作。

　　要解決這個問題，大多數客戶首先會采用純軟件方案，因為這樣可輕松地實現想要的功能。而且如果性能足夠高，無需進行任何修改。

　　為此，讓我們先從簡單的軟件算法出發，實施簡短精悍的解決方案。結果確實簡單、精巧而且容易理解，不過效率很低。
unsigned int v=value;
unsigned int r = v;
int s = sizeof(v) * CHAR_BIT - 1;
for (v >>= 1; v; v >>= 1)
{
r <<= 1;
r |= v & 1;
s--;
}
r <<= s;
return r;

　　這段程序運行相當順利，不過就算在專門針對速度優化的MicroBlaze(使用五級流水線)上運行處理一個32 位字的算法，也用了220個周期。要執行2萬次位反轉操作，在速度為50MHz的MicroBlaze上約需88ms。

　　客戶試圖采用略有不同的方法來優化算法，但仍作為純軟件解決方案來實施。

　　要進一步提升性能，就要采用純硬件解決方案，通過一種新的方式來讓硬件加速器充分發揮性能。