AURIX? TC4x微控制器的并行處理單元(PPU)簡(jiǎn)介

英家MCU之AURIX?

并行處理單元（PPU）是集成在英飛凌AURIX? TC4x微控制器系列中的協(xié)處理器。PPU旨在卸載主CPU的信號處理、濾波和其他數學(xué)運算，從而為要求嚴格的應用程序（例如實(shí)時(shí)控制、傳感器信號處理和軌跡規劃等）提供高計算能力和縮短執行時(shí)間，并且能支持實(shí)現簡(jiǎn)單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法。

本文將簡(jiǎn)要介紹PPU的內部結構、功能和應用領(lǐng)域。

1.PPU內部結構

圖1 TC4x微控制器示意框圖

圖1是TC4x 微控制器示意框圖，圖中右上角是PPU的簡(jiǎn)化結構，由標量核（scalar core），向量核（vector core/SIMD core），一級緩存，及其它系統資源組成。

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標量核（Scalar Core）：標量核用于執行大量的標量運算，以及任務(wù)調度。標量核支持多種算術(shù)運算和邏輯運算，還支持硬件浮點(diǎn)運算，從而實(shí)現更高的計算效率。另外，標量核提供豐富的硬件功能安全機制，可以輔助實(shí)現高功能安全等級的任務(wù)。

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向量核（Vector core/SIMD Core）：向量核是 PPU 的另一個(gè)重要功能模塊，專(zhuān)門(mén)用于執行向量運算。向量核支持多種向量算術(shù)運算、邏輯運算和專(zhuān)用信號處理，支持整型數和浮點(diǎn)運算，從而實(shí)現更高的計算效率。向量核還支持多級流水線(xiàn)和 SIMD（single instruction multiple data，單指令多數據）指令，對不同數據同時(shí)執行同樣的操作，通過(guò)并行執行多個(gè)向量運算來(lái)提高效率。

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一級緩存：一級緩存是PPU用于保存計算輸入和輸出數據的存儲空間。由于結構上和運算核緊密耦合，該緩存可以在PPU 的執行過(guò)程中對狀態(tài)進(jìn)行快速讀寫(xiě)，并且有EDC/ECC保護，從而實(shí)現更高的執行效率和更高的可靠性。

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其它系統資源：包括用于快速數據搬運的DMA，共享內存區等等。

2.SIMD和VLIW指令

2.1 SIMD（Single Instruction Multiple Data）指令

SIMD（Single Instruction Multiple Data）指令是一種并行指令，可以同時(shí)對多個(gè)不同數據進(jìn)行相同的操作。這種指令可以大幅提高計算效率，特別是在執行向量運算時(shí)效果更為明顯。

PPU 的 SIMD 指令集包括多種運算指令，如數學(xué)運算、邏輯運算等。這些指令都是并行指令，可以同時(shí)對多個(gè)數據進(jìn)行操作，從而大幅提高計算效率。例如，PPU 的 SIMD 加法指令可以一次性對多個(gè)數據進(jìn)行加法運算，從而實(shí)現更高的計算速度。

下面是一個(gè)示例，假設有兩個(gè)向量 A 和 B，每個(gè)向量包含 16 個(gè) 16 位整數 ，要計算 A 和 B 的和。如果使用不支持SIMD指令的標量核，代碼示例如下，需要進(jìn)行16次循環(huán)運算，將不同的A[i]、B[i] 數據依次順序進(jìn)行加法操作，相當費時(shí)。

而如果使用支持SIMD指令的 PPU進(jìn)行運算，則可以一次完成，假設PPU位寬是256bit（=16*16bit）:

由此可見(jiàn)，支持SIMD指令的PPU在進(jìn)行向量運算時(shí)，通過(guò)降低同樣運算的處理次數，從而有效節省運算時(shí)間，提高處理效率。

2.2 VLIW（Very Long Instruction Word）指令

VLIW（Very Long Instruction Word）是一種處理器的并行架構，允許在單個(gè)時(shí)鐘周期內，由處理器的不同部件同時(shí)執行多個(gè)操作。

例如，如果要執行兩個(gè)復向量A和B的乘法 ，結果存儲在向量C中。

C語(yǔ)言實(shí)現如下：

如果在標量核上運算，會(huì )順序執行下列代碼，并循環(huán)多次：

PPU內的向量核有三個(gè)處理單元，包括兩個(gè)浮點(diǎn)運算器，和一個(gè)讀取/存儲部件用于將RAM中的數據搬運到核內寄存器。這三個(gè)部件可以同時(shí)運行，形成指令層面的并行機制，從而實(shí)現VLIW指令。

上列代碼由PPU處理，可以將第4和第5行的乘法運算分別分配給兩個(gè)浮點(diǎn)運算器同時(shí)處理，如下紅框所示。而在下個(gè)指令周期內，第7，8，9行的指令可以分配給三個(gè)部件同時(shí)處理，如下藍框所示。從而將原先需要12條指令周期運行的代碼縮短到9條（12-1-2=9）指令周期，提高執行效率。

3.應用場(chǎng)景

PPU適用于不同應用場(chǎng)景，圖2 列出了三種較常見(jiàn)的算法。第一種是將時(shí)域信號轉變?yōu)轭l域信號，以提取頻率信息的快速傅里葉變換（FFT）。FFT 在數字信號處理中得到了廣泛的應用，如音頻信號處理、毫米波雷達信號處理等。

圖2 PPU實(shí)現的算法

第二種是多層感知算法，它是一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的機器學(xué)習算法，可以用于分類(lèi)、回歸和模式識別等應用。MLP 由多個(gè)神經(jīng)元組成，每個(gè)神經(jīng)元都包含多個(gè)輸入和一個(gè)輸出。MLP 通過(guò)學(xué)習輸入和輸出之間的映射關(guān)系，從而實(shí)現對新數據的預測和分類(lèi)。MLP 在機器學(xué)習和數據挖掘中得到了廣泛的應用。除此之外，MLP 還可以用于控制和優(yōu)化問(wèn)題。例如，MLP 可以用于控制系統和過(guò)程控制，如傳感器信號處理分類(lèi)、輔助駕駛、自動(dòng)駕駛等。

第三種是卡爾曼濾波，該算法是一種基于狀態(tài)空間模型的濾波器，可以用于估計未知變量的狀態(tài)和參數?？柭鼮V波通過(guò)利用系統的動(dòng)態(tài)模型和傳感器的觀(guān)測值，遞歸地對狀態(tài)進(jìn)行估計和預測，從而實(shí)現對系統的狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化和控制?？柭鼮V波在自動(dòng)控制和信號處理中得到了廣泛的應用，例如，卡爾曼濾波可以用于目標跟蹤、路徑規劃算法等。

4.開(kāi)發(fā)工具

新思科技（Synopsys）為PPU提供了豐富的開(kāi)發(fā)工具資源，包括Metaware編譯器及軟件組件，下列表格列出了相關(guān)工具組件：

表1 新思科技提供的PPU工具組件

上述PPU開(kāi)發(fā)工具鏈，除了新思科技可提供外，Hightec 在提供TC4x TriCore? CPU編譯器的同時(shí)，也集成了Metaware編譯工具，及相關(guān)軟件組件，形成完整的TC4x開(kāi)發(fā)環(huán)境工具鏈。該工具鏈符合ISO26262 ASIL D，能幫助客戶(hù)實(shí)現快速、可靠、高功能安全等級的基于TC4x微處理器的汽車(chē)軟件開(kāi)發(fā)。

此外，Tasking也開(kāi)發(fā)了PPU的編譯器，并集成在新的SmartCode開(kāi)發(fā)環(huán)境中。

5.總結

總的來(lái)說(shuō)，PPU是一個(gè)性能強大的處理器，內部包含標量核、向量核、一級緩存和其它系統資源 等，可以實(shí)現高速數字濾波、向量矩陣運算、浮點(diǎn)運算、簡(jiǎn)單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等，為要求嚴格的實(shí)時(shí)計算應用提供了顯著(zhù)的性能優(yōu)勢。PPU為T(mén)ricore 主核卸載了復雜的信號處理和數學(xué)運算，使得執行時(shí)間更快，而其高可配置性和專(zhuān)用硬件資源使其非常適用于各種應用程序。使用戶(hù)有更多選擇余地，使用不同核構架實(shí)施不同性質(zhì)的運算。