基于Xtensa的ASIP開發(fā)流程研究

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　　本文以Tensilica Xtensa可配置、可擴展處理器為開發(fā)平臺，探索了高性能低功耗ASIP(Application Specific Instruction-set Processor專用指令處理器)開發(fā)流程。

　　ASIP設(shè)計理論

　　面向特定應(yīng)用的ASIP處理器，既有ASIC執(zhí)行特定應(yīng)用的高效性，又有GPP處理器可編程的靈活性，能夠簡化設(shè)計復(fù)雜度、縮短設(shè)計周期、加快上市步伐，在SoC設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。如何快速高效地定制ASIP，使其滿足運算性能、芯片面積、上市時間和功耗等要求，是一個極具挑戰(zhàn)性的問題。設(shè)計者需要在ASIP指令集設(shè)計過程中在廣泛的設(shè)計空間進行指令集探索，尋找滿足設(shè)計約束的處理器體系結(jié)構(gòu)[1-8]。因此迫切需要可以支持快速ASIP設(shè)計的行為級設(shè)計方法和合適的EDA工具。

　　現(xiàn)在設(shè)計可編程處理器，很少是全新定制指令，普遍采用的方式是在已有的某RISC指令集基礎(chǔ)上進行部分定制(或說擴展/自定義/優(yōu)化指令)。理論上，為了研發(fā)一款A(yù)SIP式處理器，需要在已有GPP、ASIP、ASIC的基礎(chǔ)上調(diào)整數(shù)據(jù)通路(Datapath)，即增加功能單元，如圖1所示的5級Pipeline處理器中添加自定義功能單元(Custom Unit)，同時需要專用指令將操作數(shù)調(diào)入此自定義單元進行數(shù)據(jù)處理。為了實現(xiàn)指令擴展，首先需要分析應(yīng)用目標(biāo)數(shù)據(jù)處理算法的特性，從中找出那些經(jīng)常出現(xiàn)且可以綁定的基本操作包;然后從眾多實現(xiàn)方式(或大設(shè)計空間)如：(1)FLIX(VLIW或Multi-slot);(2)Vector(SIMD);(3)FUSED(Add-with-Shift-by-1)中選擇最合適的途徑[9-10]。因為設(shè)計者很難一次性找到最優(yōu)途徑，常常需要不同方式之間進行比較，因此一般需要某些EDA工具幫助快速實現(xiàn)指令自定義以及分析當(dāng)前自定義指令對ASIP性能的影響。圖2采用Top-down方式示意出ASIP設(shè)計的理論步驟。

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　　Xtensa開發(fā)工具集

　　目前，可用于ASIP體系結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)開發(fā)的EDA工具，包括Tensilica的Xtensa開發(fā)工具集(Xplorer、XCC、XPRES、XTMS、XEnergy)，CoWare的Processor Design，University of Campinas的ArchC等。但Tensilica 的Xtensa開發(fā)工具集因功能強大而得到廣泛應(yīng)用。

　　Tensilica針對SoC應(yīng)用而設(shè)計的Xtensa系列可配置處理器及其開發(fā)工具，提供了一種自動化程度非常高的開發(fā)流程，該流程包括仿真C/SystemC級算法、調(diào)整處理器體系結(jié)構(gòu)、向基本處理器添加專用指令、自動生成硬件RTL代碼和與之相匹配的軟件工具鏈(如編譯器等)，通過可配置處理器技術(shù)和TIE(Tensilica Instruction Extension)指令擴展技術(shù)替代了RTL開發(fā)。和ASIP相關(guān)的具體功能如下。

　　(1) 對處理器的體系結(jié)構(gòu)進行配置的同時，設(shè)計者可以在Xplorer中實時看到每一次調(diào)整對ASIP性能產(chǎn)生的影響，如圖3。

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　　(2) XPRES工具可以完全自動地分析應(yīng)用程序生成相應(yīng)的指令擴展。設(shè)計人員只需輸人利用標(biāo)準(zhǔn)ANSI C/C++設(shè)計的原始算法，XPRES便可以根據(jù)內(nèi)置的配置選項完全自動化地產(chǎn)生多種TIE指令組合供設(shè)計者折中選擇。

　　(3) 使用自定義的FLIX指令，它包括七種不同的64位指令字格式以及高達(dá)8個并行操作指令槽。FLIX提供VLIW風(fēng)格的并行執(zhí)行功能卻沒有VLIW處理器會發(fā)生的“代碼膨脹”現(xiàn)象。

　　(4) XEnergy可以根據(jù)最終的體系結(jié)構(gòu)配置和指令系統(tǒng)(包括設(shè)計者自定義的TIE擴展指令)評估ASIP功耗指標(biāo)。