基于Xtensa的ASIP开发流程研究

 

　　本文以Tensilica Xtensa可配置、可扩展处理器为开发平台，探索了高性能低功耗ASIP(Application Specific Instruction-set Processor专用指令处理器)开发流程。

　　ASIP设计理论

　　面向特定应用的ASIP处理器，既有ASIC执行特定应用的高效性，又有GPP处理器可编程的灵活性，能够简化设计复杂度、缩短设计周期、加快上市步伐，在SoC设计中得到了广泛的应用。如何快速高效地定制ASIP，使其满足运算性能、芯片面积、上市时间和功耗等要求，是一个极具挑战性的问题。设计者需要在ASIP指令集设计过程中在广泛的设计空间进行指令集探索，寻找满足设计约束的处理器体系结构[1-8]。因此迫切需要可以支持快速ASIP设计的行为级设计方法和合适的EDA工具。

　　现在设计可编程处理器，很少是全新定制指令，普遍采用的方式是在已有的某RISC指令集基础上进行部分定制(或说扩展/自定义/优化指令)。理论上，为了研发一款ASIP式处理器，需要在已有GPP、ASIP、ASIC的基础上调整数据通路(Datapath)，即增加功能单元，如图1所示的5级Pipeline处理器中添加自定义功能单元(Custom Unit)，同时需要专用指令将操作数调入此自定义单元进行数据处理。为了实现指令扩展，首先需要分析应用目标数据处理算法的特性，从中找出那些经常出现且可以绑定的基本操作包;然后从众多实现方式(或大设计空间)如：(1)FLIX(VLIW或Multi-slot);(2)Vector(SIMD);(3)FUSED(Add-with-Shift-by-1)中选择最合适的途径[9-10]。因为设计者很难一次性找到最优途径，常常需要不同方式之间进行比较，因此一般需要某些EDA工具帮助快速实现指令自定义以及分析当前自定义指令对ASIP性能的影响。图2采用Top-down方式示意出ASIP设计的理论步骤。

　　

 

　　

 

　　Xtensa开发工具集

　　目前，可用于ASIP体系结构及指令系统开发的EDA工具，包括Tensilica的Xtensa开发工具集(Xplorer、XCC、XPRES、XTMS、XEnergy)，CoWare的Processor Design，University of Campinas的ArchC等。但Tensilica 的Xtensa开发工具集因功能强大而得到广泛应用。

　　Tensilica针对SoC应用而设计的Xtensa系列可配置处理器及其开发工具，提供了一种自动化程度非常高的开发流程，该流程包括仿真C/SystemC级算法、调整处理器体系结构、向基本处理器添加专用指令、自动生成硬件RTL代码和与之相匹配的软件工具链(如编译器等)，通过可配置处理器技术和TIE(Tensilica Instruction Extension)指令扩展技术替代了RTL开发。和ASIP相关的具体功能如下。

　　(1) 对处理器的体系结构进行配置的同时，设计者可以在Xplorer中实时看到每一次调整对ASIP性能产生的影响，如图3。

　　

 

　　(2) XPRES工具可以完全自动地分析应用程序生成相应的指令扩展。设计人员只需输人利用标准ANSI C/C++设计的原始算法，XPRES便可以根据内置的配置选项完全自动化地产生多种TIE指令组合供设计者折中选择。

　　(3) 使用自定义的FLIX指令，它包括七种不同的64位指令字格式以及高达8个并行操作指令槽。FLIX提供VLIW风格的并行执行功能却没有VLIW处理器会发生的“代码膨胀”现象。

　　(4) XEnergy可以根据最终的体系结构配置和指令系统(包括设计者自定义的TIE扩展指令)评估ASIP功耗指标。