FAE講堂：如何加快處理器的正弦計算

　　我們使用一些Slice和乘法器，對這些硬件模塊中的兩個進行例化。兩個內核都要求4到5個周期的延遲，以匹配我們設計的時序要求。延遲在此不是什么問題，我們將在下面的步驟中進行討論。

　　我們將最終的IP以MicroBlaze的快速單工鏈路 (FSL) IP 的形式進行實現(xiàn)。對時序的第一次估算結果表明：

　　• 將數(shù)據從MicroBlaze傳輸?shù)紽SL總線需用一個時鐘周期

　　• 將數(shù)據從FSL總線傳輸至FSL IP(當正弦計算的自變量從FSL總線讀出時，將立即從BRAM讀取數(shù)據，因而無需時鐘周期)需用一個時鐘周期

　　• 完成MUL運算 (cos(x)*sin(d)) 需用四個時鐘周期

　　• 將方程的結果存儲到寄存器中需用一個時鐘周期

　　• 完成ADD運算需用四個時鐘周期

　　• 將數(shù)據發(fā)送回FSL總線需用一個時鐘周期

　　• MicroBlaze從FSL IP讀取數(shù)據需用一個時鐘周期。

　　請注意，在沒有使用任何額外流水線(我們將在下一步驟中討論這一點)的情況下，自變量數(shù)據在整個過程中必須保持穩(wěn)定。這就意味著MicroBlaze僅能請求一次正弦計算，且必須讀取該值，然后至少要等上13個時鐘周期，才能請求下一次計算。

　　因此，我們估計進行該實現(xiàn)需要13個時鐘周期。當然，要處理軟件上的函數(shù)調用以及某些其他運算，還需要更多的時鐘周期。

　　我們簡單地把一些標準時鐘組合在一起，不到一天就實現(xiàn)了該IP，隨即在硬件中對該算法進行測量。整個算法(軟硬件混合)耗用了360個時鐘周期(包括所有的函數(shù)調用)。雖然這已是顯著的進步，但是仍不足以充分滿足客戶的需求。

　　在我們的加速器IP處理所有數(shù)據之前，我們使用一個SRL16來延遲信號的寫入。

　　雖然該算法現(xiàn)在可與我們的MicroBlaze并行運行，但它每次只能計算一個值。

　　步驟六：添加流水線和適配客戶代碼

　　設計到了這一步，我們就可以開始向我們的內核添加流水線。浮點ADD和浮點MUL的CORE Generator模塊已采用流水線實現(xiàn)，因而我們在此無需再做什么。第一個版本的算法要求自變量保持恒定，直至計算完成。在開始新計算之前(自變量數(shù)據到達FSL IP內部)，立刻讀取兩個BRAM并執(zhí)行浮點MUL。運算的結果在數(shù)個時鐘周期后生效。

　　我們的 sin(xi) 的自變量 xi 是一個20位寬的整數(shù)，它分為 x 和 d 兩個部分。因此，我們必須對自變量 xi的MSB部分 x 進行幾個時鐘周期的延遲，以讀取 BRAM 的內容，存儲自變量xi，并將其與MUL運算的結果相匹配。

　　我們?yōu)槲覀兊?0位寬數(shù)值使用了少量SRL16元件(總共 10 個)，共占用了10個LUT(但由于Spartan-6具有LUT組合功能，如果采用該器件較寬的LUT6結構，則僅需 5 個 LUT 即可)。

　　最后的工作量相當小。在圖4中已對增加的SRL16x10位用紅圈進行了標注。

　　然后我們使用EDK向導來修改我們的FSL總線FIFO，以便存儲多個值(我們確定能夠存儲8個值就足以達到我們的目的，但可根據需要輕松增加更多)。

　　這就意味著我們的客戶甚至在請求第一個結果之前即能獲得多達8個值。這足以滿足我們客戶當前的需求，但如果想請求更多正弦值的話，則可以輕松將FIFO緩沖參數(shù)擴展為較大的值。

　　我們在與客戶討論這種新的方案時，發(fā)現(xiàn)可將正弦計算進一步劃分為兩個部分：

　　1. 請求正弦計算(fslput 運算)

　　2. 請求正弦計算的結果(fslget運算)

　　由于我們在運算中有一個固定時延，所以如果這兩個運算依次銜接、緊密地按順序執(zhí)行，那么MicroBlaze將停頓，并等待FSL IP完成對請求的處理。如果能夠將這兩組運算分開(這在客戶的算法中是可以的)，那么我們即可進一步提

　　升運算的總體速度。通過增加流水線， 在MicroBlaze上執(zhí)行的最終代碼如下：

　　putfsl(arg1,fsl1_id);

　　putfsl(arg2,fsl1_id);

　　putfsl(arg3,fsl1_id);

　　putfsl(arg4,fsl1_id);

　　putfsl(arg5,fsl1_id);

　　putfsl(arg6,fsl1_id);

　　putfsl(arg7,fsl1_id);

　　putfsl(arg8,fsl1_id);

　　...

　　getfsl(result1,fsl1_id);

　　getfsl(result2,fsl1_id);

　　getfsl(result3,fsl1_id);

　　getfsl(result4,fsl1_id);

　　getfsl(result5,fsl1_id);

　　getfsl(result6,fsl1_id);

　　getfsl(result7,fsl1_id);

　　getfsl(result8,fsl1_id);

　　這給我們帶來了顯著的優(yōu)勢。內核不僅可完全實現(xiàn)流水線功能，而且還能夠將正弦計算的兩個調用分開。IP核的時延依然存在，但不再明顯。MicroBlaze也不再發(fā)生停頓和等待未完成的IP計算的情況，從而提高了整體性能。

　　客戶同意對代碼進行相應調整，這對客戶來說只是小量工作。通過使用C語言的宏命令取代函數(shù)調用，我們就能夠把所有要求的調用插入代碼庫中。