手把手課堂：擴展PowerPC的復數運算指令集

　　汽車(chē)多媒體系統面臨著(zhù)嚴峻的技術(shù)挑戰：如何在漫長(cháng)的整個(gè)產(chǎn)品壽命周期中實(shí)現系統的可升級性?轎車(chē)和卡車(chē)的壽命通常都在十年以上。這就使汽車(chē)多媒體系統難以跟上消費電子產(chǎn)品和移動(dòng)通信標準迅速變化的步伐。在大多數情況下，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(lái)的使用而設計具有“后備”計算能力的系統，既不經(jīng)濟，在技術(shù)上也不可行，因為許多技術(shù)變化是根本無(wú)法預見(jiàn)的。

　　一種解決方案是以某種方式隨軟件一起升級計算平臺，使系統經(jīng)過(guò)升級能夠為附加的軟件處理負荷提供足夠的計算能力。您如果使用 Xilinx® Virtex®-5 FXT器件構建系統，就可以為PowerPC處理器的輔助處理單元 (APU) 增加專(zhuān)用的計算操作，從而為設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(chē)和航天電子設備與迅速變化的消費和移動(dòng)通信市場(chǎng)掛起勾來(lái)。我們相信，在Xilinx Virtex-5 FXT器件中，PowerPC處理器的APU是塊寶。它為嵌入式系統設計人員提供的計算能力，在傳統上只有自行定制ASSP器件的“大戶(hù)”才有幸享用。既然賽靈思用戶(hù)現在擁有這般可用資源，我們認為每個(gè)人都應該利用APU來(lái)優(yōu)化自己的設計。

　　通過(guò)APU擴展指令集的基本原理設計人員想優(yōu)化嵌入式系統時(shí)，通常是設法擴展處于設計核心位置的微處理器的指令集，以此來(lái)達到優(yōu)化目的。從傳統上講這是最佳方案，因為嵌入式系統的復雜性在于設計的軟件部分。您也可以增加專(zhuān)用的硬件模塊，直截了當地為設計賦予新功能。

　　不過(guò)，您可能會(huì )發(fā)現，增加指令的方法在彌補硬件變化方面具有某些顯著(zhù)的優(yōu)越性，并且在一定程度上易于為設計人員所實(shí)現。例如，通過(guò)擴展指令，您可以更精細地優(yōu)化設計。另外，擴展指令集通常不會(huì )干擾存儲器訪(fǎng)問(wèn)，因此具有優(yōu)化系統整體性能的可能性。盡管有個(gè)人、公司和學(xué)術(shù)研究機構發(fā)表過(guò)有關(guān)論著(zhù)，然而對于不熟悉這種技法的任何人來(lái)說(shuō)，擴展指令集都可能看似一種“魔術(shù)”。但實(shí)際上，這并非那么復雜。請試想您如何通過(guò)APU接口向PowerPC處理器的指令集增加某些相當簡(jiǎn)單的指令，以此來(lái)優(yōu)化Virtex-5 FXT設計。

　　一般而言，要擴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，您要為系統增加硬件模塊，以完成專(zhuān)門(mén)的計算。這些計算是在 FPGA 結構中并行執行，而不是在軟件中依次執行。用賽靈思公司的話(huà)來(lái)說(shuō)，這些硬件模塊稱(chēng)為“結構協(xié)處理模塊”，即FCM。您可以用VHDL或Verilog語(yǔ)言編寫(xiě)這些FCM，它們將在Virtex-5 FXT器件的FPGA結構中終結。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(yǔ)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A(yíng)SSP的某些人。

　　第二種方法較為簡(jiǎn)潔，不必觸及編譯器，而是使用所謂編譯器認識的函數。也就是說(shuō)，我們要在軟件代碼中手動(dòng)調用一個(gè)能使用這些附加指令的C宏或C函數。

　　無(wú)論使用哪種方法，我們都必須調整匯編器，使其支持新指令。幸好，賽靈思公司在嵌入式開(kāi)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(jué)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，為相應的FCM提供運算元數據，然后讓FCM執行計算。

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

　　之所以使用APU，而不是通過(guò)PLB總線(xiàn)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，系統需要通過(guò)PLB總線(xiàn)來(lái)快速訪(fǎng)問(wèn)外設，而APU不依賴(lài)CPU對外設的接口，因此不會(huì )增加PLB總線(xiàn)的負擔。

　　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(hù)定義指令”(UDI) 法。賽靈思公司 的《用戶(hù)指南》UG200 的第12章詳細介紹了這些技法。

　　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，從而實(shí)現最高性能。

　　示例設計描述

　　我們用增加一條UDI的方法擴展了PowerPC處理器的指令集，以執行復數乘法運算，這對于許多多媒體解碼系統來(lái)說(shuō)是一種簡(jiǎn)便易行的優(yōu)化方法。EDK圖顯示了總體設計，包括如何通過(guò)APU將復數乘法器的FCM連接到PowerPC處理器，以及軟件如何運用FCM。

　　我們選擇復數乘法作為示例，是因其在流式媒體數據解碼方面具有廣泛的適用性，也是因其能夠明確說(shuō)明如何通過(guò)增加專(zhuān)用指令來(lái)利用 APU。