可配置处理器开发原理

处理器为何需要配置?

首先，频率并不代表性能。低功耗的针对特殊应用的而设计的处理器架构比频率高得多的通用处理器性能可能更好。所以频率代表性能的结论只能局限于同样的架构的基础上。同时过高的频率意味着更高的功耗。

其次，应用的发展对处理器的需求越来越多样化。我们可以看到单颗通用处理器的极限已经到来，通用处理器需要处理的应用越来越复杂，需要多内核的支持。最大半导体公司Intel的多核的产品策略足以证明这一点。另外，后PC时代是消费电子产品的时代，通用的CPU和DSP都无法满足多种应用的要求。针对特殊应用设计的SOC要求能够灵活设计针对应用的最优化处理器：性能好、功耗低、面积小、大I/O带宽……

综上所述，应用的需求的发展促进了可配置处理器技术的产生和发展。

　　可配置处理器及其开发原理

以Tensilica的Xtensa可配置处理器架构为例，探讨可配置处理器的开发原理。

Xtensa可配置处理器架构是可配置可扩展的微处理器技术，可以用于片上系统SOC设计。现在的SOC需要更高系统性能、更高输入/输出带宽和更高功耗利用率, Xtensa架构均实现提供相应的解决方案。系统设计师可根据各自的应用需求，首先配置和选择架构元素，比如：内部cache大小，总线位宽，FPU单元, DSP引擎，中断数量… 进而针对应用扩展添加全新的指令、寄存器和I/O端口来设计具有专用功能的处理器内核。这种方法甚至能提供与手工RTL设计的硬逻辑有可比性的性能、尺寸和功耗等特性。通过图1可以看到Xtensa处理器的架构。

Xtensa处理器产生器可通过增加新的功能来自动产生用户所需要的硬件，产生硬件是经过验证的RTL代码格式。自动产生的处理器RTL代码可以和现在的SOC设计流程无缝结合，用于逻辑综合。处理器产生器还可建立与产生的处理器相匹配的系统软件。

可以说Tensilica可配置处理器技术的核心，是在于可伸缩可扩展的Xtensa处理器架构和功能强大的自动化生成工具—处理器生成器。

　　Xtensa架构打破输入/输出瓶颈

为了提高I/O带宽，可配置处理器必须克服总线瓶颈。 总线瓶颈问题是自Intel在1971年引入第一个商用微处理器4004以来就存在的问题。每个处理器都和系统总线上的其余设计部件进行通信。总线上的流量由加载/存储部件控制。由于总线的固有特性，在任何时候，只允许一小部分数据在总线上和处理器进行通信。另外，加载/存储单元和处理器内部执行部件以及处理器局部存储器通过类似有限的总线进行通信。这种单一的、一次只能一个方向的处理器总线特性严重限制了微处理器的系统吞吐量。

为了克服处理器总线所固有的局限性，Tensilica在Xtensa处理器中增加了另一个特性来永远消除总线瓶颈问题。这种新的特性称为TIE(Tensilica指令扩展)端口和队列技术。采样TIE端口和队列技术，设计者可以定义多达1024个端口直接与 Xtensa处理器执行部件相连接，如图2所示。每个端口宽度可以达到1024位。这种技术的结果是可以使系统以350,000 Gbits/秒的速度与Xtensa处理器进行信息交换。这可以充分满足所有处理器的输入/输出带宽需求和采用RTL技术设计的系统需求。

　　Xtensa架构提高计算性能

随着传统微处理器总线瓶颈的解决，处理器工程师们将注意力集中到提高Xtensa 处理器的性能上，以便使得计算性能的提高可以和通过设置TIE端口和队列来提高输入/输出带宽相匹配。

自从1999年开始引入第一个可配置Xtensa处理器以来，片上系统SOC设计师已经具备能力来自己定义新指令，定义的新指令基于多操作(例如加法运算跟随一个移位或者一个位选择操作)技术，多操作指令可以作为一条新的指令。将多个操作合并在一起成为一条新的机器指令，该技术称为操作数融合。操作数融合技术可以有效提高微处理器的计算性能。另外，片上系统SOC设计者可以在Xtensa处理器版本中添加SIMD(单指令、多数据)指令。 单指令流多数据流SIMD指令可以同时对多个数据元素执行相同的操作，该技术也可以显著提高微处理器的计算性能。

然而，操作数融合和单指令流多数据流SIMD指令仍然只是微处理器的特征，每次只能发射一条指令。为更有效提高系统性能，设计人员决定在Xtensa处理器核中增加每个时钟周期发射多条指令的能力。

从历史的观点来看，处理器设计人员可以通过两种方法来实现微处理器具备每个时钟周期可以发射多条指令的能力。其一为超标量设计技术，该技术通过复制处理器整个执行部件来保证指令译码和发射部件在每个时钟周期可以发射多条指令。采用这种方法，处理器硬件必须在应用程序代码中找到软件固有的指令级并行性。