設(shè)計一個自己專用處理器該怎么完成？

　　做芯片設(shè)計的各位,在某個時刻,你也許會產(chǎn)生一個想法,“為什么不自己設(shè)計一個處理器呢?”或許是手頭的處理器并不好用;或許是想用的處理器貴的離譜;或許是你希望做出差異化的產(chǎn)品;又或者僅僅因為它是個誘人的挑戰(zhàn),你想嘗試一下...既然如此,我很高興能和你討論一下怎么完成這個任務(wù)。

　　交付物

　　我們先從結(jié)果說起,也就是這項任務(wù)的最終交付物。這里不妨參考ARM處理器核的deliverables。當(dāng)然,如果只是一個自己用的專用處理器,不一定要有這么完整的交付物。

　　硬件:主要是處理器相關(guān)的RTL代碼,驗證環(huán)境,EDA工具的腳本,文檔等等。

　　工具:主要包括編譯工具(compiler),調(diào)試工具(debugger),仿真工具(simulator)和性能分析工具(profiler)。下圖是ARM的編譯工具的例子,主要包括armclang(C編譯器),armasm(匯編器),armlink(鏈接器)和fromelf(image工具)。

　　仿真工具一般至少包括一個指令仿真器 instruction set simulator (ISS),做的好的有cycle-accurate ISS。

　　模型:此外,現(xiàn)在一般的處理器IP還會提供一些處理器的模型來支持系統(tǒng)級設(shè)計,比如用于虛擬平臺(virtual platform的處理器model。虛擬平臺可以在沒有硬件的情況下支持軟件開發(fā),它可以模擬一個完整的芯片或者一個硬件板卡,比如ARM的Fixed Virtual Platform (FVP)。而專用的處理器模型(比如ARM的Fast Model)是虛擬平臺的重要組成部分,和總線模型以及其它IP模型一起模擬系統(tǒng)的功能。

　　在上述交付物中,紅色為必不可少的內(nèi)容。即使你做的專用處理器功能簡單,沒有這幾部分它也幾乎是無法正常使用的。當(dāng)然,你可以說,我不需要ISS做指令驗證,不需要debugger做調(diào)試,不需要C編譯器而只用匯編,我也只能“呵呵”了。

　　看到這一大堆工作,如果你沒有膽怯,而是覺得很有意思。那么我也很愿意給你點幫助,看看是不是可以把你的想法變成現(xiàn)實。其實方法也很簡單 — 自己做不了就找“別人”幫忙唄。

　　具體來說,根據(jù)你的預(yù)算情況,可以分為“窮”和“富”兩種玩法。我先說說有錢的玩法吧。

　　富玩法

　　其實,不止你一個人想做專用處理器,很多大公司也有這樣的需求。所以,就有人為這種需求專門提供了解決方案,比如Synopsys的ASIP-designer工具和Cadence的Xtensa可擴展處理器(參見Cadence(Tensilica)的可定制處理器),都是為了滿足定制處理器的需求而設(shè)計的。

　　其中Cadence的可擴展處理器是在一個基礎(chǔ)處理器上給你提供了配置(configure)和擴展(extension)的方法和工具。它提供的功能可以通過下圖感受一下。

　　這套工具的輸入包括三個部分:1)一個處理器模板(Processor Template);2)用戶配置(Configuratoin Options);3)定制的指令(Custom Instructions)。最簡單的情況,你只要選一個處理器模板扔給工具就可以了。如果這個不能滿足要求,那么你可能要做一些配置。這個也很簡單,基本是菜單選擇。最有技術(shù)含量的是第三種情況,你要設(shè)計一些定制的指令。有了這些輸入,剩下的事情就都交給工具了。我們在第一節(jié)說的那些交付物,都可以自動生成。

　　那么我們怎么知道要不要自己定制指令呢?工具也提供了方法。首先,輸入你的算法程序輸入,經(jīng)過編譯,進行仿真和profiling,得到性能評估的結(jié)果。然后判斷是否滿足需求。答案是NO的話,就嘗試更新Configuration;如果還是不行,再嘗試定制指令的方法,直到滿意為止。由于工具幫助你做了大部分工作,這個迭代的過程(也可以看作是Design Space Exploration)會非常快。

　　為了實現(xiàn)定制指令(對原有指令集進行擴展),Cadence(Tensilica)設(shè)計了一種專用的描述語言:Tensilica Instruction Extension (TIE) language。由于Xtensa處理器有一個基本的架構(gòu)模板,使用TIE語言對它進行擴展是有一定的限制,不是說你想做的指令和架構(gòu)改動都能夠?qū)崿F(xiàn)。