SOPC中自定義外設(shè)和自定義指令性能分析

NiosII是一個(gè)建立在FPGA上的嵌入式軟核處理器，靈活性很強(qiáng)。作為體現(xiàn)NiosII靈活性精髓的兩個(gè)最主要方面，自定義外設(shè)和自定義指令的性能開(kāi)始受到越來(lái)越多開(kāi)發(fā)者的關(guān)注。本文在對(duì)NiosII自定義外設(shè)和自定義指令進(jìn)行深入研究后，采用實(shí)驗(yàn)的方法，通過(guò)實(shí)例CRC32對(duì)比了在實(shí)現(xiàn)相同功能的情況下，自定義外設(shè)和自定義指令的性能差異，并從自定義外設(shè)和自定義指令的實(shí)現(xiàn)機(jī)理上給予說(shuō)明。分析結(jié)果表明： 在SOPC系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求非常高，那么采取自定義外設(shè)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中關(guān)鍵處理模塊無(wú)疑是最佳選擇。

關(guān)鍵詞 自定義外設(shè) 自定義指令 CRC校驗(yàn) 性能分析 SOPC

引言

　　NiosII是一個(gè)嵌入式軟核處理器，除了可以根據(jù)需要任意添加已經(jīng)提供的各種外設(shè)以外，用戶還可以通過(guò)定制自定義外設(shè)和自定義指令的方式來(lái)滿足各種應(yīng)用需求。定制用戶外設(shè)和用戶指令是使用NiosII嵌入式軟核處理器的重要特征。定制的用戶外設(shè)能夠以“硬件加速器”的形式實(shí)現(xiàn)各種各樣用戶要求的功能；同時(shí)定制的用戶指令，可以把一個(gè)復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)指令序列簡(jiǎn)化為一條用硬件實(shí)現(xiàn)的單個(gè)指令，以增強(qiáng)對(duì)實(shí)時(shí)軟件算法的處理能力。近來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)SOPC開(kāi)發(fā)的逐步深入，這兩者的性能開(kāi)始成為一個(gè)關(guān)注的焦點(diǎn)。本文通過(guò)CRC32對(duì)SOPC系統(tǒng)中的自定義外設(shè)和自定義指令的實(shí)現(xiàn)以及對(duì)性能差異所作的詳細(xì)分析，給廣大SOPC開(kāi)發(fā)人員提供參考。

1? CRC自定義外設(shè)的實(shí)現(xiàn)

1.1? SOPC系統(tǒng)中自定義外設(shè)的組成和結(jié)構(gòu)

　　自定義外設(shè)作為NiosII軟核處理器超強(qiáng)靈活性的體現(xiàn)，其開(kāi)發(fā)遵循一定的規(guī)律。一個(gè)用戶自定義外設(shè)必須進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，也就是說(shuō)，必須用硬件描述語(yǔ)言來(lái)描述出硬件的邏輯組成。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)自定義外設(shè)主要由下列部分組成：

　?、??描述自定義外設(shè)邏輯的硬件描述文件部分（主要是HDL程序）。
　　②? 軟件文件，一個(gè)用來(lái)定義外設(shè)寄存器的C語(yǔ)言頭文件，以及讓程序員控制這個(gè)元件的軟件驅(qū)動(dòng)程序。
　?、? 元件的描述文件（class.ptf）。該文件定義了元件的架構(gòu)，提供了SOPC Builder將該元件集成到一個(gè)系統(tǒng)的各種信息。該文件由元件編輯器根據(jù)用戶提供的硬件和軟件文件以及在圖形用戶界面中設(shè)置的各個(gè)選項(xiàng)和參數(shù)自動(dòng)生成。圖1給出了帶Avalon從端口的自定義外設(shè)組成框圖。

圖1? 帶Avalon從端口的自定義外設(shè)組成框圖

　　從圖中可以看出，一個(gè)典型的自定義外設(shè)主要由下列功能模塊組成：

　?、? 任務(wù)邏輯。任務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)外設(shè)的基本功能，是必不可少的組成部分。
　?、? 寄存器文件。寄存器文件部分提供任務(wù)邏輯和外界交換信息的橋梁。有了寄存器文件，用戶就可以通過(guò)Avalon接口采用“基地址+地址偏移量”的方法來(lái)訪問(wèn)外設(shè)內(nèi)部的各個(gè)寄存器。
　?、? Avalon接口。Avalon接口為寄存器文件提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Avalon前端。該模塊使用Avalon規(guī)定的信號(hào)來(lái)訪問(wèn)寄存器文件，并且支持任務(wù)邏輯的傳輸類型。

1.2? CRC32自定義外設(shè)的實(shí)現(xiàn)

　　CRC32校驗(yàn)可以由軟件或硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)多采用超大規(guī)模集成電路芯片以硬件方式實(shí)現(xiàn)。例如：

其硬件實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。

圖2? CRC硬件實(shí)現(xiàn)原理

　　編碼運(yùn)算過(guò)程如下：

　　開(kāi)關(guān)關(guān)閉，k位數(shù)據(jù)移入寄存器，同時(shí)送到外部。當(dāng)k位信息全部送到外部時(shí)，除法運(yùn)算也正好進(jìn)行完畢，寄存器中的r位數(shù)據(jù)就構(gòu)成了余項(xiàng)的系數(shù)序列，即形成了校驗(yàn)碼。然后切斷除法反饋電路，將移位寄存器的每一位逐次輸出到信道中。這些校驗(yàn)碼與原來(lái)的數(shù)據(jù)位一起構(gòu)成了完整的碼字。

　　采用HDL語(yǔ)言來(lái)描述出CRC32的硬件實(shí)現(xiàn)，命名為crc.v。在SOPC Builder元件編輯器中加入該元件,其中自定義外設(shè)的接口信號(hào)和Avalon信號(hào)類型的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所列。

表1? CRC接口信號(hào)和Avalon信號(hào)類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系

　　當(dāng)把自定義外設(shè)加入到SOPC系統(tǒng)中時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)生成一個(gè)system.h文件。在system.h中生成的CRC自定義外設(shè)的相關(guān)信息如下：

　　#defineCRC_NAME "/dev/crc"
　　#defineCRC_TYPE "avalon_crc"
　　#defineCRC_BASE 0x06210880

　　根據(jù)system.h中的信息，可以建立名稱為altera_avalon_crc_regs.h的寄存器頭文件。在這個(gè)C頭文件中，用清晰的宏符號(hào)描述出設(shè)備的寄存器集合，并且給出其訪問(wèn)方法。

　　#ifndef __ALTERA_AVALON_CRC_REGS_H__
　　#define __ALTERA_AVALON_CRC_REGS_H__
　　#include
　　#defineCRC_INIT_REG0
　　#defineCRC_WRITE_REG4
　　#defineCRC_READ_REG016
　　#defineCRC_READ_REG120
　　#defineCRC_READ_REG224
　　#defineCRC_READ_REG328
　　#defineCRC_INITIALIZATION(base)
　　IOWR_32DIRECT(base, CRC_INIT_REG, 0)
　　#defineCRC_WRITEDATA_8(base,data)
　　IOWR_8DIRECT(base, CRC_WRITE_REG, data)
　　#defineCRC_WRITEDATA_16(base,data)
　　IOWR_16DIRECT(base, CRC_WRITE_REG, data)
　　#defineCRC_WRITEDATA_32(base,data)
　　 IOWR_32DIRECT(base, CRC_WRITE_REG, data)
　　#defineCRC_READRESULT_32(base)
　　IORD_32DIRECT(base, CRC_READ_REG0)
　　#defineCRC_READRESULT_64(base)
　　IORD_32DIRECT(base, CRC_READ_REG1)
　　#defineCRC_READRESULT_96(base)
　　IORD_32DIRECT(base, CRC_READ_REG2)
　　#defineCRC_READRESULT_128(base)
　　IORD_32DIRECT(base, CRC_READ_REG3)
　　#endif? //__ALTERA_AVALON_CRC_REGS_H__

　　該頭文件定義了CRC IP核的寄存器訪問(wèn)宏。用戶可以通過(guò)Avalon接口采用“基地址+地址偏移量”的方法來(lái)訪問(wèn)外設(shè)內(nèi)部的各個(gè)寄存器，以實(shí)現(xiàn)NiosII CPU對(duì)CRC IP核的控制。

2? CRC32自定義指令的實(shí)現(xiàn)

2.1? 自定義指令的原理和開(kāi)發(fā)

　　自定義指令是基于NiosII處理器的SOPC系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。NiosII處理器自定義指令不僅擴(kuò)展了CPU的指令集，還能提高對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的軟件運(yùn)行速度，因此提高了系統(tǒng)的整體性能。采用自定義指令，用戶可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)處理器無(wú)法達(dá)到的最佳性能。在對(duì)數(shù)據(jù)處理速度要求比較高的場(chǎng)合，把由標(biāo)準(zhǔn)指令序列實(shí)現(xiàn)的核心功能變成由一條用戶定制的指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以明顯提高軟件的執(zhí)行效率。基于硬件處理模塊的自定義指令可通過(guò)單個(gè)時(shí)鐘周期或多個(gè)時(shí)鐘周期的硬件算法操作完成原本十分復(fù)雜的處理任務(wù)。NiosII處理器最多支持256條定制指令，加速通常由軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算。

　　自定義用戶指令實(shí)質(zhì)上就是讓軟核處理器實(shí)現(xiàn)由硬件邏輯實(shí)現(xiàn)的某種功能，這個(gè)硬件邏輯連接到NiosII處理器的算術(shù)邏輯單元上。對(duì)于NiosII的標(biāo)準(zhǔn)指令，NiosII使用ALU來(lái)完成相應(yīng)的算術(shù)邏輯操作；對(duì)于自定義指令，則采用用戶自己建立的硬件邏輯來(lái)完成運(yùn)算。

2.2? CRC32定制指令的實(shí)現(xiàn)

　　在前面開(kāi)發(fā)的CRC自定義外設(shè)的基礎(chǔ)上，按照定制指令所要求的設(shè)計(jì)方式，把前面開(kāi)發(fā)的自定義外設(shè)改寫成一條指令。本設(shè)計(jì)中,CRC自定義指令是作為多周期指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在多周期指令要求中必須包括信號(hào)clk、clk_en、reset，其他的信號(hào)不是必需的。

　　由于在SOPC系統(tǒng)中自定義外設(shè)的接口類型與自定義指令的接口類型要求不一樣，因此要求在自定義外設(shè)的基礎(chǔ)上必須加上一個(gè)接口文件。這個(gè)接口文件的作用是為了與多周期指令的端口信號(hào)類型對(duì)應(yīng)。接口文件端口信號(hào)和自定義外設(shè)端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所列。

表2? 自定義指令與自定義外設(shè)端口對(duì)應(yīng)關(guān)系

　　開(kāi)發(fā)完成后，把自定義指令加到NiosII CPU中。生成系統(tǒng)后，在生成的system.h文件中，關(guān)于CRC自定義指令的宏如下：

　　#define?? ALT_CI_CRC_CUSTOM_INSTRUCTION_N 0x00000000
　　#define ALT_CI_CRC_CUSTOM_INSTRUCTION(A,B)__
　　builtin_custom_inii
　　(ALT_CI_CRC_CUSTOM_INSTRUCTION_N,(A),(B))

　　其中，“ALT_”是宏定義的前綴，表示為Altera公司；CI是用戶定制指令的意思；CI_CRC_CUSTOM_INSTRUCTION是用戶指令的邏輯模塊名稱；N表示指令操作碼。

3? 自定義外設(shè)和自定義指令在SOPC系統(tǒng)中的運(yùn)行和驗(yàn)證

　　前面已經(jīng)分別用自定義外設(shè)和自定義指令的方式實(shí)現(xiàn)了CRC32。那么自定義外設(shè)和自定義指令執(zhí)行性能如何？在實(shí)現(xiàn)相同功能的情況下，何種方式在執(zhí)行過(guò)程中更有優(yōu)勢(shì)？它們之間的差異有多大？在這一部分將通過(guò)測(cè)試給予充足的驗(yàn)證。

3.1? 驗(yàn)證平臺(tái)的硬件系統(tǒng)

　　采用以CycloneII系列EP2C35為核心芯片的SOPC開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，來(lái)搭建實(shí)驗(yàn)所需要的硬件平臺(tái)。在這個(gè)硬件平臺(tái)中，需要添加系統(tǒng)工作需要的外設(shè)，包括NiosII CPU、Timer、Avalon三態(tài)橋，外部RAM接口和Flash等。在該硬件系統(tǒng)中，首先要加入自己定制的外設(shè)邏輯，同時(shí)在NiosII CPU中加入開(kāi)發(fā)的自定義指令。在同一系統(tǒng)中同時(shí)加入實(shí)現(xiàn)相同功能的自定義外設(shè)和自定義指令是為了得到對(duì)比結(jié)果。系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置在50 MHz。在本設(shè)計(jì)中，有大量的數(shù)據(jù)從SSRAM傳輸?shù)紺RC處理模塊中，這些數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中不需要進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算，如果通過(guò)CPU來(lái)操作，會(huì)消耗大量的CPU時(shí)間。為了提高CPU的工作效率，采用DMA(直接存儲(chǔ)器訪問(wèn))來(lái)完成。利用DMA控制器方式，在CRC自定義外設(shè)和SSRAM存儲(chǔ)器之間建立一條DMA傳輸通道，讓硬件自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)信息。在DMA傳輸過(guò)程中，首先通過(guò)中斷由CPU對(duì)DMA進(jìn)行初始化設(shè)置，打開(kāi)DMA傳輸通道，使DMA在沒(méi)有CPU干預(yù)的情況下進(jìn)行傳輸。然后DMA直接將SSRAM存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺RC處理模塊中，直到數(shù)據(jù)傳輸完成。所添加的DMA通道，讀端口通過(guò)Avalon三態(tài)橋連接到了SSRAM，寫端口連接到了自定義外設(shè)CRC，如圖3所示。

圖3? CRC驗(yàn)證硬件平臺(tái)

　　特別注意的是，在該硬件平臺(tái)中，要加入一個(gè)時(shí)間標(biāo)記服務(wù)定時(shí)器high_res_timer（也就是經(jīng)常說(shuō)的“時(shí)間戳”）。該服務(wù)可以幫助設(shè)計(jì)人員查找出耗時(shí)最長(zhǎng)的功能函數(shù)，定位優(yōu)化目標(biāo)，檢測(cè)某個(gè)功能部件的運(yùn)行情況。在這里，主要是利用該“時(shí)間戳”來(lái)測(cè)量CRC32不同方式的執(zhí)行時(shí)間，為分析各種方式的性能差異奠定基礎(chǔ)。

3.2? 軟件開(kāi)發(fā)

　　在NiosII IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境中，分別使用自定義外設(shè)、自定義指令和軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)CRC32。

　?、? 軟件實(shí)現(xiàn)方式：數(shù)據(jù)的讀取、處理、保存等全部由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　?、? 用戶自定義指令方式：處理過(guò)程使用CRC32自定義指令來(lái)完成。
　?、? 用戶自定義外設(shè)方式：使用DMA通道完成數(shù)據(jù)的讀取、保存，NiosII處理器控制外設(shè)完成CRC32的處理。

　　完成上面的工作后，編譯工程，下載到SOPC開(kāi)發(fā)板中。從NiosII控制臺(tái)中，可以看到如下輸出信息，如圖4所示。

圖4? NiosII IDE控制臺(tái)輸出信息

4? 性能對(duì)比和分析

　　在NiosII IDE上面可以觀察到用軟件、自定義指令、自定義外設(shè)實(shí)現(xiàn)CRC32的各種情況。這幾種方式的運(yùn)行結(jié)果是相同的，但用軟件實(shí)現(xiàn)的時(shí)間是12 381.33 ms，采用優(yōu)化的軟件設(shè)計(jì)時(shí)間是8 393.02 ms，采用自定義指令的時(shí)間是164.69 ms，而采用自定義外部設(shè)備時(shí)則用了12.08 ms。從結(jié)果可以分析出，純用軟件來(lái)執(zhí)行，運(yùn)行速度最低；如果把標(biāo)準(zhǔn)指令序列實(shí)現(xiàn)的核心功能由一條用戶自定義指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以明顯提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率；如果采用自定義外設(shè)，即將軟件實(shí)現(xiàn)的功能全部由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，則速度又大大提高。從圖5中可以更清楚地看到這種對(duì)比： 從左到右依次是軟件方式、改進(jìn)軟件方式、自定義指令方式、自定義外設(shè)方式。由此可知，自定義外設(shè)執(zhí)行效率最高，其次是自定義指令。

圖5? 各種方式執(zhí)行時(shí)間和效率對(duì)比圖

　　從實(shí)現(xiàn)機(jī)理上來(lái)講，自定義外設(shè)可以看作是和NiosII并行運(yùn)行的一個(gè)硬件加速邏輯，中間CPU參與過(guò)程很少，這就為系統(tǒng)“全面加速”提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；而自定義指令由于硬件邏輯連接到NiosII處理器的算術(shù)邏輯單元上，只能實(shí)現(xiàn)“局部”加速。從實(shí)現(xiàn)結(jié)果來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)同樣的功能，自定義外設(shè)的執(zhí)行效率是自定義指令的十幾倍以上；而隨著系統(tǒng)頻率的升高，這個(gè)差距會(huì)越來(lái)越大。如果系統(tǒng)在120 MHz，差距會(huì)在50倍左右。

結(jié)語(yǔ)

　　本文對(duì)SOPC系統(tǒng)中自定義外設(shè)和自定義指令的性能進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比，并且給出了對(duì)比的詳細(xì)參數(shù)。在SOPC系統(tǒng)中，如果實(shí)時(shí)性要求非常高，那么采取自定義外設(shè)加DMA來(lái)完成系統(tǒng)中的關(guān)鍵處理模塊無(wú)疑是最佳選擇。