设计自己专用处理器该怎么完成？

做芯片设计的各位,在某个时刻,你也许会产生一个想法,“为什么不自己设计一个处理器呢?”或许是手头的处理器并不好用;或许是想用的处理器贵的离谱;或许是你希望做出差异化的产品;又或者仅仅因为它是个诱人的挑战,你想尝试一下...既然如此,我很高兴能和你讨论一下怎么完成这个任务。

　　交付物

我们先从结果说起,也就是这项任务的最终交付物。这里不妨参考ARM处理器核的deliverables。当然,如果只是一个自己用的专用处理器,不一定要有这么完整的交付物。

硬件:主要是处理器相关的RTL代码,验证环境,EDA工具的脚本,文档等等。

工具:主要包括编译工具(compiler),调试工具(debugger),仿真工具(simulator)和性能分析工具(profiler)。下图是ARM的编译工具的例子,主要包括armclang(C编译器),armasm(汇编器),armlink(链接器)和fromelf(image工具)。

仿真工具一般至少包括一个指令仿真器 instruction set simulator (ISS),做的好的有cycle-accurate ISS。

模型:此外,现在一般的处理器IP还会提供一些处理器的模型来支持系统级设计,比如用于虚拟平台(virtual platform的处理器model。虚拟平台可以在没有硬件的情况下支持软件开发,它可以模拟一个完整的芯片或者一个硬件板卡,比如ARM的Fixed Virtual Platform (FVP)。而专用的处理器模型(比如ARM的Fast Model)是虚拟平台的重要组成部分,和总线模型以及其它IP模型一起模拟系统的功能。

在上述交付物中,红色为必不可少的内容。即使你做的专用处理器功能简单,没有这几部分它也几乎是无法正常使用的。当然,你可以说,我不需要ISS做指令验证,不需要debugger做调试,不需要C编译器而只用汇编,我也只能“呵呵”了。

看到这一大堆工作,如果你没有胆怯,而是觉得很有意思。那么我也很愿意给你点帮助,看看是不是可以把你的想法变成现实。其实方法也很简单 — 自己做不了就找“别人”帮忙呗。

具体来说,根据你的预算情况,可以分为“穷”和“富”两种玩法。我先说说有钱的玩法吧。

　　富玩法

其实,不止你一个人想做专用处理器,很多大公司也有这样的需求。所以,就有人为这种需求专门提供了解决方案,比如Synopsys的ASIP-designer工具和Cadence的Xtensa可扩展处理器(参见Cadence(Tensilica)的可定制处理器),都是为了满足定制处理器的需求而设计的。

其中Cadence的可扩展处理器是在一个基础处理器上给你提供了配置(configure)和扩展(extension)的方法和工具。它提供的功能可以通过下图感受一下。

这套工具的输入包括三个部分:1)一个处理器模板(Processor Template);2)用户配置(Configuratoin Options);3)定制的指令(Custom Instructions)。最简单的情况,你只要选一个处理器模板扔给工具就可以了。如果这个不能满足要求,那么你可能要做一些配置。这个也很简单,基本是菜单选择。最有技术含量的是第三种情况,你要设计一些定制的指令。有了这些输入,剩下的事情就都交给工具了。我们在第一节说的那些交付物,都可以自动生成。

那么我们怎么知道要不要自己定制指令呢?工具也提供了方法。首先,输入你的算法程序输入,经过编译,进行仿真和profiling,得到性能评估的结果。然后判断是否满足需求。答案是NO的话,就尝试更新Configuration;如果还是不行,再尝试定制指令的方法,直到满意为止。由于工具帮助你做了大部分工作,这个迭代的过程(也可以看作是Design Space Exploration)会非常快。

为了实现定制指令(对原有指令集进行扩展),Cadence(Tensilica)设计了一种专用的描述语言:Tensilica Instruction Extension (TIE) language。由于Xtensa处理器有一个基本的架构模板,使用TIE语言对它进行扩展是有一定的限制,不是说你想做的指令和架构改动都能够实现。

Synopsys提供的工具直接就叫ASIP designer,ASIP(Application-Specific Processor)专用处理器设计工具。和Tensilica的可扩展处理器不同,ASIP designer支持从零开始设计和实现一个专用处理器。相应的,它比Tensilica可扩展处理器有更高的灵活性。你可以非常自由的设计指令集和微结构,覆盖从Extensible processor,到Application-specific uP/DSP,到Programmable datapath这样一个更大的架构空间,如下图所示。这里也可以看出,这个工具的目标并不是设计通用处理器。

下图是这个工具完整的方法学。

它的输入就是两个,算法(C/C++代码)和处理器模型(Processor Model),输出则是一个处理器相关的所有设计