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MicroBlaze處理器是賽靈思(Xilinx)在嵌入式開發(fā)套件 (EDK) 中提供的兩款32位內(nèi)核之一，是實現(xiàn)硬件加速的靈活工具。圖1是MicroBlaze的典型設(shè)計。該內(nèi)核含有一個32位乘法器，但不含浮點單元(FPU)、桶式移位器或?qū)Ｓ糜布铀倨�。對Xilinx公司Spartan FPGA 器件而言，默認系統(tǒng)含有區(qū)域優(yōu)化的MicroBlaze(采用三級流水線)，但大多數(shù)客戶通常在開始時使用速度優(yōu)化版(采用五級流水線)進行性能評估，其優(yōu)點是小巧簡潔，易于擴展。
Xilinx客戶針對這種處理器設(shè)計所要求的兩個實際應用案例可說明MicroBlaze在硬件加速方面的作用。本文以 Spartan 器件為重點，比較 FPGA 解決方案和標準控制器內(nèi)核，展現(xiàn)我們能夠達到的性價比。這一方法同樣適用于Virtex FPGA。
案例1：實施位反轉(zhuǎn)算法
在第一個應用示例中，假定MicroBlaze處理器的運行速度僅為50MHz。采用 Spartan-3或Spartan-6器件可輕松實現(xiàn)這一速度。諸如本地存儲器總線(指令和數(shù)據(jù)，LMB)以及處理器本機總線(PLB)等所有內(nèi)部總線的運行速度均達到50MHz。為簡單起見，假定沒有連接外部DDR存儲器。
現(xiàn)在假設(shè)客戶想要在這個CPU上實施位反轉(zhuǎn)算法。MicroBlaze自身沒有通過硬件直接提供這個功能。再假定每秒需要完成2萬次位反轉(zhuǎn)操作。
要解決這個問題，大多數(shù)客戶首先會采用純軟件方案，因為這樣可輕松地實現(xiàn)想要的功能。而且如果性能足夠高，無需進行任何修改。
為此，讓我們先從簡單的軟件算法出發(fā)，實施簡短精悍的解決方案。結(jié)果確實簡單、精巧而且容易理解，不過效率很低。
unsigned int v=value;
unsigned int r = v;
int s = sizeof(v) * CHAR_BIT - 1;
for (v >>= 1; v; v >>= 1)
{
r <<= 1;
r |= v & 1;
s--;
}
r <<= s;
return r;
這段程序運行相當順利，不過就算在專門針對速度優(yōu)化的MicroBlaze(使用五級流水線)上運行處理一個32 位字的算法，也用了220個周期。要執(zhí)行2萬次位反轉(zhuǎn)操作，在速度為50MHz的MicroBlaze上約需88ms。
客戶試圖采用略有不同的方法來優(yōu)化算法，但仍作為純軟件解決方案來實施。
要進一步提升性能，就要采用純硬件解決方案，通過一種新的方式來讓硬件加速器充分發(fā)揮性能。
為了加速這種基礎(chǔ)操作，只需要在MicroBlaze快速單工鏈路(FSL)上連接一個非常簡單的內(nèi)核。標準FSL實施方案使用FSL總線(包括同步或異步FIFO)將數(shù)據(jù)從 MicroBlaze內(nèi)核傳輸?shù)紽SL 硬件加速器IP核。帶FIFO 的FSL總線與FIFO可對上述兩者間的數(shù)據(jù)存取進行去耦。
如果采用帶FIFO的標準FSL總線，則一般情況下執(zhí)行時間為4個周期：一個周期用來將MicroBlaze上的數(shù)據(jù)通過FSL寫入FIFO;一個周期用來將數(shù)據(jù)從FIFO 傳輸?shù)紽SL IP;一個周期用來把結(jié)果從FSL IP傳送回 FSL總線的FIFO中;最后一個周期則負責從FSL總線讀出結(jié)果并傳輸至 MicroBlaze。
MicroBlaze到FSL總線的連接以及FSL總線到FSL IP的連接可在EDK的圖形視圖中輕松創(chuàng)建。
這樣代碼要長得多，效率也有大幅度提升，但時間還是太長了，執(zhí)行2萬次操作現(xiàn)在仍然大概需要52ms。
隨后客戶在互聯(lián)網(wǎng)上進行了一些調(diào)查，找到一種更好的算法，把代碼改編為：
unsigned x = value;
unsigned r;
x = (((x & 0xaaaaaaaa) >> 1) | ((x
& 0x55555555) << 1));
x = (((x & 0xcccccccc) >> 2) | ((x
& 0x33333333) << 2));
x = (((x & 0xf0f0f0f0) >> 4) | ((x
& 0x0f0f0f0f) << 4));
x = (((x & 0xff00ff00) >> 8) | ((x
& 0x00ff00ff) << 8));
r = ((x >> 16) | (x << 16));
return r;
