基于SDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)SIMD處理器的設(shè)計(jì)與仿真研究

引言

第四代移動(dòng)通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被提出并在繼續(xù)的完善和建立當(dāng)中。相較于3G無(wú)線技術(shù)，4G采用MIMO-OFDM技術(shù)來(lái)提升數(shù)據(jù)速率，大大提高了數(shù)據(jù)處理能力;同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)4G的數(shù)字信號(hào)處理量的要求比現(xiàn)有的3G方案高出數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，而功耗僅允許增長(zhǎng)2-5倍。因此，僅僅擴(kuò)展3G DSP是不能滿足4G處理器的能耗比要求，必需設(shè)計(jì)新的處理器體系結(jié)構(gòu)。目前國(guó)內(nèi)的兩大通信設(shè)備生產(chǎn)商華為和中興相繼開發(fā)了面向WINMAX及LTE等4G基站解決方案，但是其核心處理單元仍然采用國(guó)外的一些DSP芯片。

經(jīng)典的無(wú)線通信體系結(jié)構(gòu)都是由面向特定應(yīng)用的專用集成電路和數(shù)字信號(hào)處理器所構(gòu)成的，無(wú)法提供任何的靈活性。軟件無(wú)線電(SDR)的原理描述是將無(wú)線通信設(shè)備的物理層處理工作全部或大部分交給可編程體系結(jié)構(gòu)來(lái)完成。可編程的SDR解決方案相較于傳統(tǒng)的硬件解決方案具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)：(1)使得軟件開發(fā)和硬件設(shè)計(jì)工作同時(shí)進(jìn)行，開發(fā)時(shí)間和成本相較于傳統(tǒng)的專用集成電路的來(lái)說(shuō)大大降低。(2)在同一處理器體系結(jié)構(gòu)上可以動(dòng)態(tài)執(zhí)行不同的無(wú)線通信協(xié)議，這種多模式的工作向服務(wù)商提供的一個(gè)但可以應(yīng)對(duì)多種市場(chǎng)需求或向用戶提供更多的功能。(3)系統(tǒng)的可編程性可以有效地降低維護(hù)成本。

雖然SDR系統(tǒng)增加了靈活性，降低了無(wú)線通信設(shè)備的開發(fā)成本。然而為了支持靈活性這一新特點(diǎn)，導(dǎo)致SDR系統(tǒng)功耗變得很高。未來(lái)4G無(wú)線協(xié)議瞄準(zhǔn)的速率在100Mbps~1Gbps之間[4-5];因此，SDR解決方案在需要保證高吞吐量的同時(shí)，還要嚴(yán)格遵守?zé)o線通信設(shè)備的功耗約束。功耗效率對(duì)于SDR系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是異常重要的。

4G無(wú)線通信涉及的算法均有較高的數(shù)據(jù)并行需求。單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)處理器可以在并行數(shù)據(jù)通路上處理向量數(shù)據(jù)，并且能得到較好的能耗比。因此，SIMD處理器將會(huì)成為未來(lái)SDR系統(tǒng)的基礎(chǔ)。然而，SIMD的缺點(diǎn)也很明顯，即只有在數(shù)據(jù)通路被完全利用的情況下才達(dá)到高的處理性能。所以，本文在處理器設(shè)計(jì)中引入了變寬度的概念。結(jié)合實(shí)際硬軟件條件，通過(guò)深入研究針對(duì)下一代移動(dòng)計(jì)算的高性能數(shù)字信號(hào)處理器，完成一種基于SDR的變寬度SIMD處理器體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和相應(yīng)模塊的設(shè)計(jì)仿真工作。

1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 4G終端物理層結(jié)構(gòu)

現(xiàn)今已提出的支持3G WCDMA和802.11的物理層結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足4G系統(tǒng)高于3G系統(tǒng)兩個(gè)數(shù)量級(jí)數(shù)據(jù)吞吐量的需求。為支持千兆級(jí)的數(shù)據(jù)吞吐量要求，4G系統(tǒng)將三種技術(shù)整合到了一起：即正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)、支持多天線并行的MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)技術(shù)和前向糾錯(cuò)(LDPC)技術(shù)。4G無(wú)線終端的物理層結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由一個(gè)信道編碼解碼器、一個(gè)MIMO編碼解碼器和一個(gè)調(diào)制解調(diào)器所組成。MIMO是一種多天線技術(shù)，支持多天線的發(fā)射與接收，其中運(yùn)用的STBC(空時(shí)塊碼)和V-BLAST(Vertical-BLAST)算法分別用于增強(qiáng)信號(hào)質(zhì)量和擴(kuò)充信道容量。

1.2 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于SDR的變寬度SIMD處理器體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。該SIMD體系結(jié)構(gòu)主要由4個(gè)模塊組成：(1)多個(gè)PE核，主要用于無(wú)線協(xié)議和視頻的相關(guān)算法的計(jì)算工作;(2)一個(gè)全局便簽式存儲(chǔ)器為PE核提供計(jì)算數(shù)據(jù);(3)一個(gè)全局控制器，用于協(xié)調(diào)各模塊之間的工作;(4)模塊間雙總線。

1.2.1 控制器

控制器完成對(duì)各個(gè)模塊的狀態(tài)控制和模塊的初始化工作，主要由一個(gè)標(biāo)量路徑構(gòu)成，包括初始化態(tài)和執(zhí)行態(tài)兩種狀態(tài)。當(dāng)處于初始化態(tài)時(shí)，控制器呈現(xiàn)出2級(jí)流水，分別為取指階段和譯碼階段;初始化階段完成后，控制器進(jìn)入執(zhí)行階段，此時(shí)將屏蔽取指階段，不再?gòu)闹噶畲鎯?chǔ)器中讀取指令，而是依據(jù)DMA、PE核的狀態(tài)信息，以及初始化時(shí)保存在控制器中的PE核間生產(chǎn)者消費(fèi)者關(guān)系，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，用以協(xié)調(diào)各個(gè)PE核的協(xié)同工作。

1.2.2 DMA與Bus

DMA是不需要控制器干預(yù)的情況下獨(dú)立完成批量數(shù)據(jù)的傳輸工作。控制器在初始化階段對(duì)DMA進(jìn)行初始化;當(dāng)控制器進(jìn)入執(zhí)行階段后，DMA也將開始獨(dú)立傳輸數(shù)據(jù)，并且當(dāng)一批數(shù)據(jù)傳輸完成后，DMA的計(jì)數(shù)寄存器值將還原成初始化值，再次執(zhí)行之前的數(shù)據(jù)傳輸操作，從而重復(fù)為PE核提供計(jì)算數(shù)據(jù)。

本體系結(jié)構(gòu)中的Bus結(jié)構(gòu)為雙總線結(jié)構(gòu)：一條總線為32位，其中每16位為一組，用于PE核和全局?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)通信;另一條總線為48位，也是以16位為一組，用于PE核間互聯(lián)。

1.2.3 全局便簽式存儲(chǔ)器

全局便簽式存儲(chǔ)器的主要功能是為PE核提供計(jì)算數(shù)據(jù)，并接收PE核的計(jì)算結(jié)果。全局便簽式存儲(chǔ)器容量為128KB，字長(zhǎng)為16位，具有一個(gè)讀端口和一個(gè)寫端口。當(dāng)讀寫端口同時(shí)有效時(shí)，先讀后寫。讀寫地址線均為16位。

1.2.4 PE核

PE核主要由SIMD數(shù)據(jù)路徑、標(biāo)量數(shù)據(jù)路徑、地址產(chǎn)生單元和局部存儲(chǔ)器4部分構(gòu)成。SIMD數(shù)據(jù)路徑主要用于DSP算法的高強(qiáng)度計(jì)算，由64個(gè)計(jì)算lane組成。標(biāo)量數(shù)據(jù)路徑主要處理程序中的標(biāo)量指令和無(wú)法向量化的指令。地址產(chǎn)生單元用于產(chǎn)生訪問(wèn)局部存儲(chǔ)器塊的地址;SIMD數(shù)據(jù)路徑中每組計(jì)算lane都有各自獨(dú)立的地址產(chǎn)生單元，所以一共有8個(gè)地址產(chǎn)生單元。局部存儲(chǔ)器大小為32KB，平分為bank0和bank1兩部分。同一時(shí)刻最多只允許一個(gè)bank接收數(shù)據(jù)，最多只允許一個(gè)bank在為PE核的計(jì)算模塊提供計(jì)算數(shù)據(jù)。

1.3 工作模式

處理器設(shè)計(jì)中引入了變寬度的概念，即處理器可以支持多種向量寬度的算法，在支持窄向量寬度算法時(shí)，使用線程級(jí)并行性來(lái)充分利用硬件資源。從算法角度看，系統(tǒng)由幾個(gè)主要的算法所構(gòu)成，由于每個(gè)PE核具有足夠強(qiáng)的計(jì)算能力，能獨(dú)立處理一個(gè)完整算法，所以算法在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過(guò)程中彼此之間通信很少，基本上是一種生產(chǎn)者和消費(fèi)者的關(guān)系?？梢园堰@些算法當(dāng)做不同的任務(wù)，分配到不同的處理器核上運(yùn)行，這樣既可以有效地利用PE核的計(jì)算能力，又能很好地保證多核的并發(fā)處理。

以4G無(wú)線協(xié)議為例：4G無(wú)線物理層主要由調(diào)制解調(diào)器、MIMO編碼解碼器和信道編碼解碼器三部分組成。其中調(diào)制解調(diào)通過(guò)FFT和IFFT算法來(lái)實(shí)現(xiàn); V-BLAST算法和STBC算法分別用來(lái)提升通信速率和通信強(qiáng)度。LDPC算法完成前向糾錯(cuò)部分的工作。每個(gè)算法的計(jì)算結(jié)果將作為下一個(gè)算法的計(jì)算數(shù)據(jù)，所以算法之間是串行關(guān)系，整體上多個(gè)PE核組成了一條宏流水線。

這里，PE核扮演的是一種“軟ASIC”的角色。PE核的指令存儲(chǔ)器中裝載的算法是FFT算法，則此PE核將會(huì)完成FFT算法的計(jì)算操作。即當(dāng)為PE中的指令存儲(chǔ)器載入不同的程序后，該P(yáng)E核也將實(shí)現(xiàn)不同的算法。

2 仿真驗(yàn)證

本文根據(jù)SIMD核取指、譯碼、執(zhí)行整個(gè)過(guò)程以及指令集設(shè)計(jì)(限于篇幅這里沒有介紹)，采用硬件語(yǔ)言Verilog HDL對(duì)微體系各個(gè)部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。綜合電路如圖3所示。

控制器流水線的主要工作是控制程序流，所以分支與跳轉(zhuǎn)占其工作負(fù)載的很大一部分。涉及到流水線的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)也需要考慮。這里通過(guò)兩個(gè)實(shí)例對(duì)幾個(gè)關(guān)系進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

2.1 驗(yàn)證實(shí)例1

匯編源程序：

addi r0，r1，4;

addi r0，r2，0;

bret r2，r1，3;

inc r2;

jnt -2;

inc r1;

這段程序的目的是為了驗(yàn)證標(biāo)量流水線的條件判斷類指令和無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令是否符合設(shè)計(jì)預(yù)期。仿真波形如圖4所示。從驗(yàn)證波形可以看出，從0ns 時(shí)刻addi r0, r1, 4指令進(jìn)入取指階段開始，一直到240ns時(shí)刻程序段執(zhí)行結(jié)束，整個(gè)運(yùn)算過(guò)程結(jié)果都正確，最終寄存器r1的值變?yōu)?。2.2 驗(yàn)證實(shí)例2

匯編源程序：

addi r0, r2, 0;

addi r0, r1, 100;

add r1, r2, r2;

loop r1, -1;

addi r0, r3, 5;

這一段程序的目的是為了驗(yàn)證在4G 無(wú)線通信或視頻算法中常見的循環(huán)計(jì)算，標(biāo)量流水線的loop指令就是專為應(yīng)對(duì)這樣的計(jì)算所設(shè)計(jì)的。實(shí)例程序展示的是100以內(nèi)的自然數(shù)求和。仿真波形如圖5所示。

從圖5可以看出，首先將寄存器r1和寄存器r2的值分別初始化為100和0;執(zhí)行add r1, r2, r2指令，$r2 = $r2 + $r1。loop r1, -1指令判斷是否寄存器r1的值大于0，如果成立，則跳轉(zhuǎn)成立，寄存器r1值減1，跳轉(zhuǎn)到add r1, r2, r2指令繼續(xù)執(zhí)行，如此反復(fù)。最終寄存器r2值為100以內(nèi)的自然數(shù)的和5050，16進(jìn)制表示為000013ba。循環(huán)結(jié)束，addi r0, r3, 5執(zhí)行，置寄存器r3值為5。兩個(gè)實(shí)例驗(yàn)證波形都驗(yàn)證了指令執(zhí)行的正確性。

3 總結(jié)

本文以4G無(wú)線通信這一學(xué)術(shù)熱點(diǎn)為研究對(duì)象，結(jié)合4G無(wú)線通信協(xié)議和高清視頻中所使用的算法，研究和設(shè)計(jì)了基于SDR的變寬度SIMD處理器體系結(jié)構(gòu)，包括處理器的工作模式、PE核標(biāo)量流水線。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該處理器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。

下一步，本文將針對(duì)4G無(wú)線通信所涉及的算法進(jìn)行并行處理，并對(duì)處理器進(jìn)行并行處理實(shí)例驗(yàn)證。

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