手把手課堂：擴(kuò)展PowerPC的復(fù)數(shù)運(yùn)算指令集

　　汽車多媒體系統(tǒng)面臨著嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)：如何在漫長的整個產(chǎn)品壽命周期中實現(xiàn)系統(tǒng)的可升級性?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)難以跟上消費電子產(chǎn)品和移動通信標(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，還需要提高計算性能。然而，為將來的使用而設(shè)計具有“后備”計算能力的系統(tǒng)，既不經(jīng)濟(jì)，在技術(shù)上也不可行，因為許多技術(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計算平臺，使系統(tǒng)經(jīng)過升級能夠為附加的軟件處理負(fù)荷提供足夠的計算能力。您如果使用 Xilinx® Virtex®-5 FXT器件構(gòu)建系統(tǒng)，就可以為PowerPC處理器的輔助處理單元 (APU) 增加專用的計算操作，從而為設(shè)計賦予更高的計算能力。

　　Missing Link電子公司致力于打造可重新配置的平臺，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和移動通信市場掛起勾來。我們相信，在Xilinx Virtex-5 FXT器件中，PowerPC處理器的APU是塊寶。它為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員提供的計算能力，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)為每個人都應(yīng)該利用APU來優(yōu)化自己的設(shè)計。

　　通過APU擴(kuò)展指令集的基本原理設(shè)計人員想優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)時，通常是設(shè)法擴(kuò)展處于設(shè)計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，因為嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜性在于設(shè)計的軟件部分。您也可以增加專用的硬件模塊，直截了當(dāng)?shù)貫樵O(shè)計賦予新功能。

　　不過，您可能會發(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)計人員所實現(xiàn)。例如，通過擴(kuò)展指令，您可以更精細(xì)地優(yōu)化設(shè)計。另外，擴(kuò)展指令集通常不會干擾存儲器訪問，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)”。但實際上，這并非那么復(fù)雜。請試想您如何通過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-5 FXT設(shè)計。

　　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，以完成專門的計算。這些計算是在 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-5 FXT器件的FPGA結(jié)構(gòu)中終結(jié)。您可以將一個或多個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)識的函數(shù)。也就是說，我們要在軟件代碼中手動調(diào)用一個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，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)行計算。

　　如果這一步妥善完成，則軟件在運(yùn)行時需要的指令就會較少。因此，我們無需提高CPU的時鐘頻率(這可能造成其他麻煩)，就可以從設(shè)計中獲得更多計算能力。

　　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，主要是因為PowerPC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對外設(shè)的接口，因此不會增加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，因為這種方法可以最大限度地控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)最高性能。

　　示例設(shè)計描述

　　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，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。

　　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。