AURIX? TC4x微控制器的并行處理單元(PPU)簡介
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英家MCU之AURIX?
并行處理單元（PPU）是集成在英飛凌AURIX? TC4x微控制器系列中的協(xié)處理器。PPU旨在卸載主CPU的信號處理、濾波和其他數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而為要求嚴(yán)格的應(yīng)用程序（例如實(shí)時(shí)控制、傳感器信號處理和軌跡規(guī)劃等）提供高計(jì)算能力和縮短執(zhí)行時(shí)間，并且能支持實(shí)現(xiàn)簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。
本文將簡要介紹PPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能和應(yīng)用領(lǐng)域。
1.PPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖1 TC4x微控制器示意框圖
圖1是TC4x 微控制器示意框圖，圖中右上角是PPU的簡化結(jié)構(gòu)，由標(biāo)量核（scalar core），向量核（vector core/SIMD core），一級緩存，及其它系統(tǒng)資源組成。
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標(biāo)量核（Scalar Core）：標(biāo)量核用于執(zhí)行大量的標(biāo)量運(yùn)算，以及任務(wù)調(diào)度。標(biāo)量核支持多種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，還支持硬件浮點(diǎn)運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)更高的計(jì)算效率。另外，標(biāo)量核提供豐富的硬件功能安全機(jī)制，可以輔助實(shí)現(xiàn)高功能安全等級的任務(wù)。
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向量核（Vector core/SIMD Core）：向量核是 PPU 的另一個(gè)重要功能模塊，專門用于執(zhí)行向量運(yùn)算。向量核支持多種向量算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和專用信號處理，支持整型數(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)更高的計(jì)算效率。向量核還支持多級流水線和 SIMD（single instruction multiple data，單指令多數(shù)據(jù)）指令，對不同數(shù)據(jù)同時(shí)執(zhí)行同樣的操作，通過并行執(zhí)行多個(gè)向量運(yùn)算來提高效率。
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一級緩存：一級緩存是PPU用于保存計(jì)算輸入和輸出數(shù)據(jù)的存儲空間。由于結(jié)構(gòu)上和運(yùn)算核緊密耦合，該緩存可以在PPU 的執(zhí)行過程中對狀態(tài)進(jìn)行快速讀寫，并且有EDC/ECC保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)更高的執(zhí)行效率和更高的可靠性。
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其它系統(tǒng)資源：包括用于快速數(shù)據(jù)搬運(yùn)的DMA，共享內(nèi)存區(qū)等等。
2.SIMD和VLIW指令
2.1 SIMD（Single Instruction Multiple Data）指令
SIMD（Single Instruction Multiple Data）指令是一種并行指令，可以同時(shí)對多個(gè)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行相同的操作。這種指令可以大幅提高計(jì)算效率，特別是在執(zhí)行向量運(yùn)算時(shí)效果更為明顯。
PPU 的 SIMD 指令集包括多種運(yùn)算指令，如數(shù)學(xué)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算等。這些指令都是并行指令，可以同時(shí)對多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，從而大幅提高計(jì)算效率。例如，PPU 的 SIMD 加法指令可以一次性對多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加法運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)更高的計(jì)算速度。
下面是一個(gè)示例，假設(shè)有兩個(gè)向量 A 和 B，每個(gè)向量包含 16 個(gè) 16 位整數(shù) ，要計(jì)算 A 和 B 的和。如果使用不支持SIMD指令的標(biāo)量核，代碼示例如下，需要進(jìn)行16次循環(huán)運(yùn)算，將不同的A[i]、B[i] 數(shù)據(jù)依次順序進(jìn)行加法操作，相當(dāng)費(fèi)時(shí)。
而如果使用支持SIMD指令的 PPU進(jìn)行運(yùn)算，則可以一次完成，假設(shè)PPU位寬是256bit（=16*16bit）:
由此可見，支持SIMD指令的PPU在進(jìn)行向量運(yùn)算時(shí)，通過降低同樣運(yùn)算的處理次數(shù)，從而有效節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，提高處理效率。
2.2 VLIW（Very Long Instruction Word）指令
VLIW（Very Long Instruction Word）是一種處理器的并行架構(gòu)，允許在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，由處理器的不同部件同時(shí)執(zhí)行多個(gè)操作。
例如，如果要執(zhí)行兩個(gè)復(fù)向量A和B的乘法 ，結(jié)果存儲在向量C中。
C語言實(shí)現(xiàn)如下：
如果在標(biāo)量核上運(yùn)算，會順序執(zhí)行下列代碼，并循環(huán)多次：
PPU內(nèi)的向量核有三個(gè)處理單元，包括兩個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算器，和一個(gè)讀取/存儲部件用于將RAM中的數(shù)據(jù)搬運(yùn)到核內(nèi)寄存器。這三個(gè)部件可以同時(shí)運(yùn)行，形成指令層面的并行機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)VLIW指令。
上列代碼由PPU處理，可以將第4和第5行的乘法運(yùn)算分別分配給兩個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算器同時(shí)處理，如下紅框所示。而在下個(gè)指令周期內(nèi)，第7，8，9行的指令可以分配給三個(gè)部件同時(shí)處理，如下藍(lán)框所示。從而將原先需要12條指令周期運(yùn)行的代碼縮短到9條（12-1-2=9）指令周期，提高執(zhí)行效率。
3.應(yīng)用場景
PPU適用于不同應(yīng)用場景，圖2 列出了三種較常見的算法。第一種是將時(shí)域信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號，以提取頻率信息的快速傅里葉變換（FFT）。FFT 在數(shù)字信號處理中得到了廣泛的應(yīng)用，如音頻信號處理、毫米波雷達(dá)信號處理等。
圖2 PPU實(shí)現(xiàn)的算法
第二種是多層感知算法，它是一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以用于分類、回歸和模式識別等應(yīng)用。MLP 由多個(gè)神經(jīng)元組成，每個(gè)神經(jīng)元都包含多個(gè)輸入和一個(gè)輸出。MLP 通過學(xué)習(xí)輸入和輸出之間的映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對新數(shù)據(jù)的預(yù)測和分類。MLP 在機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘中得到了廣泛的應(yīng)用。除此之外，MLP 還可以用于控制和優(yōu)化問題。例如，MLP 可以用于控制系統(tǒng)和過程控制，如傳感器信號處理分類、輔助駕駛、自動駕駛等。
第三種是卡爾曼濾波，該算法是一種基于狀態(tài)空間模型的濾波器，可以用于估計(jì)未知變量的狀態(tài)和參數(shù)。卡爾曼濾波通過利用系統(tǒng)的動態(tài)模型和傳感器的觀測值，遞歸地對狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)和預(yù)測，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化和控制?？柭鼮V波在自動控制和信號處理中得到了廣泛的應(yīng)用，例如，卡爾曼濾波可以用于目標(biāo)跟蹤、路徑規(guī)劃算法等。
4.開發(fā)工具
新思科技（Synopsys）為PPU提供了豐富的開發(fā)工具資源，包括Metaware編譯器及軟件組件，下列表格列出了相關(guān)工具組件：
表1 新思科技提供的PPU工具組件
軟件組件 | 描述 |
MetaWare開發(fā)工具包 | 該工具包包含支持內(nèi)核和應(yīng)用程序開發(fā)編程的C/C++和OpenCL C編譯器。它還包括一個(gè)調(diào)試器和nSIM PPU模擬器，用于調(diào)試、分析和優(yōu)化內(nèi)核和應(yīng)用程序。 |
Simulink?基于模型設(shè)計(jì)的支持 | 從MATLAB模型自動生成優(yōu)化代碼，以便在PPU上執(zhí)行。 |
DSP和數(shù)學(xué)庫 | 這些是為在PPU上執(zhí)行而優(yōu)化的庫，包括矢量DSP和矢量線性代數(shù)庫。 |
MetaWare神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SDK | 該SDK包括一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編譯器，用于編譯和運(yùn)行為PPU優(yōu)化的人工智能模型。 |
AUTOSAR復(fù)雜設(shè)備驅(qū)動程序（CDD）和底層軟件驅(qū)動（LLD） | CDD為AUTOSAR應(yīng)用程序的軟件組件（SWC）提供PPU服務(wù)。 LLD是一個(gè)底層軟件驅(qū)動，用于處理TriCore和PPU之間的通信。 |
PPU分配器 | 這是用于在TriCore處理器核心之間進(jìn)行通信的PPU的靜態(tài)庫。 |
上述PPU開發(fā)工具鏈，除了新思科技可提供外，Hightec 在提供TC4x TriCore? CPU編譯器的同時(shí)，也集成了Metaware編譯工具，及相關(guān)軟件組件，形成完整的TC4x開發(fā)環(huán)境工具鏈。該工具鏈符合ISO26262 ASIL D，能幫助客戶實(shí)現(xiàn)快速、可靠、高功能安全等級的基于TC4x微處理器的汽車軟件開發(fā)。
此外，Tasking也開發(fā)了PPU的編譯器，并集成在新的SmartCode開發(fā)環(huán)境中。
5.總結(jié)
總的來說，PPU是一個(gè)性能強(qiáng)大的處理器，內(nèi)部包含標(biāo)量核、向量核、一級緩存和其它系統(tǒng)資源 等，可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字濾波、向量矩陣運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算、簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，為要求嚴(yán)格的實(shí)時(shí)計(jì)算應(yīng)用提供了顯著的性能優(yōu)勢。PPU為Tricore 主核卸載了復(fù)雜的信號處理和數(shù)學(xué)運(yùn)算，使得執(zhí)行時(shí)間更快，而其高可配置性和專用硬件資源使其非常適用于各種應(yīng)用程序。使用戶有更多選擇余地，使用不同核構(gòu)架實(shí)施不同性質(zhì)的運(yùn)算。
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