微處理器和多處理器片上系統MPSOC設計的新紀元
應用程序中的許多循環語句對一個數據陣列執行相同的操作,XPRES編譯器可以將這些循環語句進行向量化,建立一條由多個相同執行部件并行執行多個數據項的指令。對Xtensa處理器增加單指令流多數據流SIMD指令與Tensilica的XCC C/C++編譯器是一致的,該編譯器能夠將應用程序代碼中的內循環展開并且進行向量化。通過向量化可以加速循環語句的執行,這通常和增強型指令內部SIMD運算部件的序號有關。
XPRES編譯器采用的第三種加速程序代碼執行的技術是Tensilica的FLIX(可變長度指令擴展)技術。FLIX指令是一種類似于融合和單指令流多數據流SIMD指令的多操作指令。然而,FLIX指令包括多個獨立的操作,而融合和單指令流多數據流SIMD指令則均為相關多操作。FLIX指令中的每一個操作都是和其它操作互相獨立的,XCC C/C++編譯器將彼此獨立的操作壓縮成一條FLIX格式的指令,而這種壓縮后的指令能夠顯著加速程序代碼的執行速度。
采用可配置處理器進行多處理器SOC設計
在當今的應用中,很少只用一個處理器就能滿足系統的性能指標,即使采用面向目標應用的可配置處理器也很難做到。然而,多處理器MP指令集、高帶寬接口和小面積使得在一個片上系統SOC設計中可以集成多個可配置處理器。
片上系統SOC中處理器模塊之間硬件互連機制的選擇對系統性能和硅片成本產生很大影響,而且這些硬件互連機制必須直接支持多處理器MP系統設計的互連要求。消息傳遞軟件通信機制直接影響到數據隊列。類似地,共享存儲器軟件通信模式也影響到基于總線的硬件系統。可配置處理器可以提供系統以很大的靈活性,提供對共享設備和存儲器進行訪問所需的仲裁機制。共享存儲器總線的基本拓撲結構有如下幾種:
1. 通過通用處理器總線訪問系統全局存儲器:微處理器設計一個通用接口以便實現多種總線事務處理。在讀操作時,如果處理器認為相應的數據不在本地局部存儲器(根據地址或者高速緩存CACHE缺失進行判斷),那么處理器必須要進行全局存儲器訪問。處理器請求總線控制權,當控制權得到應答后,處理器通過總線發送讀操作的目標地址。相應的設備(例如,存儲器或者輸入/輸出接口)對地址進行譯碼,然后通過總線對處理器所需要的數據進行傳送,如圖3所示。

圖 3: 兩個處理器通過總線共享存儲器
當兩個處理器通過總線對全局共享存儲器進行訪問時,一個處理器獲得總線控制權對數據進行寫操作,另一個處理器就必須稍后才能獲得總線控制權以便進行讀操作。按照這種方式,每個字傳輸需要兩個總線操作事務周期才能完成。該方法需要適度的硬件支持,并且具有較高的靈活性,因為全局存儲器和輸入/輸出接口通過公共總線進行訪問。然而,對全局存儲器的使用卻不好根據處理器和設備的數量進行度量,因為總線擁塞會使得訪問時間變長和不可預測。
2. 通過通用處理器總線對處理器本地局部存儲器進行訪問:可配置處理器可以允許局部數據存儲器參與通用總線事務處理。這些處理器基本上是由本地的處理器使用,并且二者是緊密耦合的。然而,控制局部數據存儲器的處理器可以按照總線從設備的方式進行操作,如圖4所示。

圖4: 一個處理器通過總線訪問第二個處理器的局部數據存儲器
第一個處理器和第二個處理器之間訪問時間的不對稱性可以保證push 通信,即當第一個處理器向第二個處理器發送數據時,它將數據通過總線寫到第二個處理器的本地局部存儲器。如果寫操作經過緩沖器,那么第一個處理器不必等到寫操作完成就可以繼續執行后面的操作。因此,到第二個處理器數據傳輸的長時間延時就被隱藏了。
3. 通過局部總線訪問多口局部存儲器:當數據流在處理器之間雙向傳輸且對時延要求比較嚴格時,那么對任務間通信而言,采用本地共享數據存儲器通常是最好的選擇。每個處理器使用自己的本地數據存儲器接口來訪問共享存儲器,如圖5所示。存儲器可以有兩個物理訪問端口(每個時鐘周期可以訪問兩次存儲器),或者通過一個簡單的仲裁器來控制。

圖5:兩個處理器共享局部數據存儲器
直接互連的數據端口
處理器直接相連可以減少通信開銷和時間。這種連接方式將數據從一個處理器的寄存器傳送到另一個處理器的寄存器和執行功能部件。直接互連的一個簡單例子如圖6所示。當第一個處理器向輸出寄存器寫一個數值(通常作為計算的一部分)時,該值將自動出現在處理器的輸出端口上。同樣的數值可以立即輸入到第二個處理器進行相應的數據操作。

圖 6:處理器到處理器之間通過端口直接進行訪問
數據隊列
任務之間通信的最高帶寬機制是數據隊列的硬件實現。一個數據隊列可以使系統獲得每個時鐘周期傳輸一次的數據速率,或者在寬操作數位數的情況下可以達到每秒10GB的傳輸速率(每個操作數幾十個字節,時鐘速率幾百兆赫MHz)。生產者和消費者之間的握手信號隱含在處理器之間的接口和數據隊列的頭信息和尾信息之中。
專用處理器允許數據隊列作為指令集擴展的一部分直接進行硬件實現。數據隊列可以通過一條專門指令來說明,隊列可以作為結果值的目的或者使用輸入隊列值作為源。這種形式的隊列接口方式如圖7所示,該隊列允許用戶建立一個新的數據值,或者每個隊列接口使用一個時鐘周期。
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