（计算机应用技术专业论文）面向版面加速的嵌入式asip设计与实现.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t wi t h t h e f a s t e r d e v e l o p m e n t o f d i s p l a y t e c h n o l o g y a n d h i g h e r r e q u i r e m e n t f o r r e a d i n g c o m f o r t , t h e s c r e e n o f d i g i t a l r e a d i n g f a c i l i t i e s b e c o m e s b i g g e r a n d m o r e c o l o r f u l . m e a n w h i l e , r e a d e r s d e s i r e f o r m o r e a d v a n c e d l a y o u t d e s c r i p t i v e c a p a b i l i ty o f d i g i t a l p u b l i c a t i o n , w h i c h m a k e s t h e l a y o u t b e c o m e m o r e f a n c y a n d c o m p l i c a t e d . h o w e v e r , a n i n e v i t a b l e p r o b l e m g o i n g w i t h b e tt e r r e a d i n g e x p e r i e n c e a n d l a r g e r i n f o r m a t i o n v o l u m e i s t h a t t h e t i m e t a k e n f o r p a g e - t u rn i n g s t r e t c h e s l o n g e r , w h i c h i s d e t e r m i n e d b y t h e l a y o u t p a r s e p e r i o d , s o t h e k e y t o s c r e e n p r i n t i n g a c c e l e r a t i o n i s s o l v i n g t h e p r o b l e m o f h o w t o a c c e l e r a t e t h e l a y o u t p a r s e . t h e f i v e b a s i c e l e m e n t s o f l a y o u t a r e t e x t s , g r a p h i c s , t a b l e s , i m a g e s a n d m u l t i m e d i a , t h e r e f o r e , t h e a c c e l e r a t i o n o f t h e l a y o u t p a r s e d e p e n d s o n t h e s p e e d u p o f t h e p a r s e o f t h e s e f i v e e l e m e n t s , w h i c h i s t h e t a r g e t o f t h i s t h e s i s . t h e a u t h o r p u t s f o r w a r d a l a y o u t a c c e l e r a t o r s y s t e m a p p l y i n g a s i p ( a p p l i c a t i o n - s p e c i f i c i n s t r u c t i o n s e t p r o c e s s o r ) t e c h n o l o g y b a s e d o n f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) , i n t h i s s y s t e m t h e b a s i c o p e r a t i o n o f l a y o u t p a r s e w h i c h n e e d c o m p l e x c o m p u t e , s u c h a s c h a r a c t e r z o o m , s i m p l y p l o tt i n g a n d i d c t ( i n v e r s e d i s c r e t e c o s in e t r a n s f o r m ) , i s d e s i gn e d a s a s p e c i fi c i n s t r u c t i o n . a s t h e s e s p e c i f i c i n s t r u c t i o n s a re s u p p o r te d b y s p e c i fi c c i r c u i t m o d u l e , a n d c a n b e o p e r a t e d i n p a r a l l e l , s o t h e y c a n r e a l i z e l a y o u t p a r s e a t a h i g h s p e e d a n d a c c e l e r a t e s c r e e n p r i n t i n g . i n t h i s t h e s i s , t h e a u t h o r i n t r o d u c e s t h e d e s i gn c o n c e p t a n d s t r u c t u r e o f t h e l a y o u t a c c e l e r a t o r s y s t e m , a s w e l l a s t h e r e a l i z a t i o n o f m a i n s p e c i f i c i n s t r u c t i o n s . a n d t h e n t e s t i fi e s t h e s y s t e m o n f p g a d e v e l o p m e n t b o a r d , t h e r e s u l t p r o v e t h a t t h i s s y s t e m r u n s s t a b l y a n d a c c e l e r a t e t h e p a r s e o f t h e l a y o u t e l e m e n t s . k e y wo r d s : l a y o u t a c c e l e r a t i o n ; o n - s c r e e n p r i n t i n g ; a s i p ; f p g a ; m i c r o p r o c e s s o r s o ft c o r e 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内 容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电 子版，并采用影印、 缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以 及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以 赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部 内容用于学术活动。 学位论文作者签名: ” 。一 年 夕 月 i 日 经指导教师同意， 本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 奥 甲 冲 年 c j t: :, 年 可 少 手 冬 年 ) 秘密*i 。 年 ( az 长加年，可少于拍年) 机 密 去 2 。 年( 最 一良 加牵 、 可 少 子 加年 ) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导 卜 ，进行研究工作 所取得的成果。除文中己 经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明 确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担 。 学位论文作者签名 : a17年夕 月 亨日 第一章 引言 第一章 引言 阅 读是人从符号中获 得意义的 一种社会实践活动和 心理过程 / 1 / 。 这里所说的 符号是指文字，文字是人类文明得以传承的重要工具之一，文字的产生和传播 离不开载体，随着生产力的发展 和人类社会的 进步， 文字的 载体也在不断的 转 变， 从早期的陶器、甲 骨、青铜 器，到 后期的丝帛、 纸张， 每一次文字载体的 飞跃 在使文字的传播变得更快捷、 方便的同时也改变了 人们的阅 读方式， 在信 息技术飞速发展的今天，电 子读物作为一种新的文字 载体正 在逐渐改变人们的 传统阅 读习 惯， 屏幕阅 读悄悄的 走进我们的生活。 第一节 屏幕阅 读的历史及发展趋势 中国 是一个具有五 千年历 史的 文明古国， 早在一千八百多年前，就发明了 造纸术，纸的发明与改进，促进了书籍的生产，加速了思想的交流与文化的传 播，促进了阅读的普及。 电子读物的产生 在研究电子读物之前，有必要先回顾一下纸质书籍的发展历程。 从纸张发明 到隋唐时代 ( 公 元一世纪至七 世纪) ， 纸书的 制作主要靠 手抄。 随 着社会的不断进步， 这种方式已 不能适应人们的 需求。 一 千三 百年前的隋末 唐初，发明了 雕版印 刷术。 雕版印 刷术的 发明， 大大促进了 书籍的发展，宋代 为我国雕版印刷术发展的黄金时代。 北宋庆藩年间 ( 1 0 4 1 一1 0 4 8 ) ， 毕升首先使用泥活字印 刷书籍。 这一发明， 为快速印制书籍 创造了条 件， 是印 刷史 上的 一座里程碑。 元代大德 ( 1 2 9 7 -1 3 0 7 ) 年间，王 祯发明了 木活字，明 代还有 铜活字出 现。 清代由于 政府的 提倡，活字印刷 有了 更大的发展。乾隆时 制定了 钦定武英殿 聚珍版程式 ，并排印了 武英殿聚 珍版丛书 ，是活字印 刷发展、 普及的 一个 标志。活字印刷术的发明与运用，标志着中国书史进入了一个新的时代。 第一章 引言 作为已 经流行了 几千年的主要信息记录介质， 纸张具 有质量 轻、成本低、 易于随身携带、 质感好等诸多优点，不过最重要的是 “ 白 纸黑字”很有利于阅 读。 但纸也有很多 缺点， 如内 容不可更改，表达多媒体信息 效果有限 等， 这在 信息极大丰富的网 络时 代有些无法满足人们日 益提高的阅 读要求，在这种背景 下， 伴随 着网 络技术、 存储技术和显示技术等多项关键技术的发展，电 子读物 诞生了。 虽然我们每 天都在接触电 子读物，但实际上，人们对于电 子读物这一 概念的理解，往往有着非常大的差别，尤其是对其内容与载体的不同内涵的指 认，往往使讨论出现各执一端、南辕北辙的尴尬。所以在这里必须科学地界定 电 子读物的概念f2 1 , 电 子读物:凡以文字表 述为主，图 表、图 像及多媒体流为辅，以二进制数 码形式存储、传播，并可通过电子显示供人们阅读的读物，都统称为电子读物 ( 含电 子版的 书籍、 报刊、 杂志、文 件、资 讯等) 。它以电 子介质为物理存在方 式，可存储于各种电子盘、卡中。 电 子读物与传统纸质书 籍相比 ， 优势主 要体现在以 下方面: .更灵活、高效的阅读方式。电子读物支持对阅读内容的检索、统计等信 息处理 功能， 还可以 通过超 链接、书签、批 注等交互操作为 读者阅 读提供 方便。 .更多样的内 容表现形式。电 子读物不仅可以是文 字、图片等静态内容的 载体，还可以 提供声音、动画等纸 质书籍无法包 含的内容形式，以 更加丰富的 “ 刺激”手段带给 读者前所未 有的阅 读体验。 .更低的 成本。电 子读物不需要像传统书籍一样运送、管理和库存，不需 要纸张来印刷，这大大降低了电子读物的成本。 .个人出版和个性化的按需印刷 ( p o d) 。电子读物的低廉成本加上网络的 方便快捷， 使作家可以 很容易的 通过网络出 版自己 的书籍。电 子读物还可以体 现个性化， 可以 依个 人的 需要在 封面或者封底等 特殊版面制作不同的内 容。 . 环保。 不会 产生 造纸、印 刷等环节的 污染，当 然也不用砍伐森林， 破坏 生态。 电 子读物的强大 优势使 得它逐渐深入 人们的 生活，并 逐渐改变着人们对于 阅读的 理解， 从未来的趋 势看，它将逐 渐代 替现有的纸质 传统书 籍。 第一章 引言 3屏幕阅读的发展趋势 信息 技术的高 速发展， 促进了 屏幕阅 读的普 及， 在这个普及的 过程中，屏 幕阅读体现出如下的发展趋势。 1 . 移动阅 读 随着工作、生活节奏的加快，人们对移动阅读的需求越来越强烈。 移动阅 读的 概念是自 帛 书的出 现才开始 萌芽的。移动的 本意是指改 变原来 的位置，移动阅读从字面上理解是指阅读的同时可以改变位置，其含义就是指 人们可以 随时随 地、随 心所欲地阅读。电 子 读物和手持电 子阅读器的出现，使 移动阅读获得了飞跃，这主要表现为以下两点: 首先是 信息量的 极大丰富，由于重量和 体积的 限制， 人们不可能随身携带 大量纸质书籍，而电子读物就不同了，随着大容量存储卡的出现，人们可以随 身携带海 量的数 据资 料，以 翰林电 子阅 读器来 说，最 大支持4 g的s d 卡，以 一 本电 子书l o m计算，可以 存储4 0 0 本书， 相当 于随身带 着一个小型图 书馆， 这 在电子读物出现以前是根本不可想象的事。 其次是交互能力的 增强。纸质阅读时 代， 人们无法与书籍进行交互， 在屏 幕阅读时代，电子阅读器为读者提供一个友好的交互界面，读者可以针对所阅 读的内容进行信息查询，标注，设置书签，翻页，并可实现一定的多媒体功能。 2 .类纸显示 屏幕阅读有上述那么多的优势，但为什么还是无法取代纸质阅读呢?原因 有二， 一是几 千年来形成的阅读习惯，二是 阅读 舒适性的差异。 有专家分析认为，人类阅读书籍的角 度、 远近以 及光线的黯淡程度，是在 几千年的 发展进化中形成的， 纸质印刷物己 经深深的烙印在人类最深层本质的 思维脉 络上， 深深的触及了 人类的 精神生活， 人类在吸取知识的形式和获取信 息的方式上形成了一种强烈的思维定势，一种传统的阅读习惯。所以尽管人们 已 经通过电 脑浏 览新闻， 但要求他们普遍用电 脑来阅 读一部小说，恐怕不 易。 纸 质印 刷物的 显示方式为 反射型， 无视角限 制， 分辨率高， 而且人 们对纸、 墨的呈色规律，字体字号的配合，甚至灯光的影响都有较透彻地研究，因此， 人们制作的纸质读物很适合人类的生理阅读习惯，即使长时间阅读眼睛也不易 疲劳。而长期以来屏幕是用来观看而不是阅读的，这是由其物理性质决定的， 长时间观看电子屏幕会对人眼造成一定的伤害。 第一章 引言 由 上面的分析可以 看出 ，屏 幕阅 读要想彻 底取代纸质阅 读， 就要努力符合 读者长时间养成的阅 读习 惯和思维定 势，就要 努力提高屏幕的阅 读舒适性。在 这种背景下， 人们加大了 对电 子显示设备的研究并取得了突 破性的 进展， 那就 是前面提到的类纸显示设备的出现。 类纸显示设备是一种 具有纸介质特点的电 子显示设备，尽可能多的综合了 双方的优点。 目 前广 泛使用的类纸 显示设备 是反射型的液晶 显示器件， 主 要包括c h - l c d ( 胆菌 相液晶显示器件) 、 b t n - l c d( 双稳态扭曲向列 相液晶显示 器件)以 及 f l c d ( 铁电液晶显示器件)三类。 在上小节介绍的松下公司的e b o o k 和津科公 司的翰林e b o o k 采用的是c h - l c d显示屏。 3 .大幅面，复杂版面 手持电子阅读相对于传统纸质阅读除了阅读舒适度的差距外，在幅面上也 有很大的差距. 纸介质重量轻， 可折叠， 所以 可以 做的很大， 手持电 子阅 读设 备不可折叠，由于便携要求和工艺的限制不可能做的太大，p d a 和手机的屏幕 只有几寸，只能显示几行字符，用这种阅读器阅读大信息量文档时非常麻烦， 需要频繁的翻页，专用电子阅读器采用大幅面显示屏来解决这个问题，最新推 出的 专用电 子阅读器大多 配有3 2 开大小的屏 幕，已 经接近普 通纸质书籍，大大 提高了读者的阅 读体验， 人们把 这种配有大屏幕的专用电 子阅读器形象地称为 “ 电 子书” 。 随 着电子技术 和材 料技术的进步， 柔 性的电 子显示 屏已 经研制成功， 这种显示屏是一种非液晶模式器件，被称作电子纸。电子纸是采用电子墨水并 通过塑 料电路进行显示的 1 4 1 与其它光电显示设备相比，电子纸显示出诸多方面的优势。 ( 1 )电 子纸视角很大， 靠反射环境光工作， 底色是非 常地道的 纸白， 能在 强阳光下舒服的阅读。 ( 2 )掉电以 后，电 子纸 上的 图 像不 会消失 。 ( 3 )这种产品使用聚合物 等有机材料生 产， 可以做的非常薄。 它的 覆膜厚 度都是以 纳米级计算。 厂家采用 这种技术可以生 产像纸一样薄的 显示器， 用户 甚至可以把显示器折叠起来带走. ( 4 )电子纸这种聚合物显示 器可以做的非常大。使用这种塑 料半导体，很 容易实现大面积 “ 单质”特性，从理论上讲它可以制作无限大的产品。 第一章 引言 ( 5 ) 显示 精 度 高 。 现在电 子 纸 的 分 辨率 都 达 到2 0 0 d p i ， 施乐 的 实 验 室己 经 做到了3 0 0 d p i ( 现在计 算机显 示器的分辨率为7 2 d p i -9 2 d p i ) e ( 6 )显示的对比度高 ( 大于 1 0 : 1 ) 。可以在光线略暗的环境中使用，并且视 角也很宽。 ( 7 ) 在显示亮度 上， 聚合物显示器是液晶 显示 器的2 - 3 倍， 具有很大优势。 ( 8 )由于只有开关电路消耗电力，因此与同样尺寸的l c d相比可以大幅度 降低耗电量， 大约可以 减少到1 / 1 0 至 1 / 1 0 0 0 左右。 此种基于塑 料半导 体技术开 发成功的塑料 显示器， 类纸性为 8 5 %， 它还具 有功耗小、 厚度薄、成本低等突出的优点，对未来电 子阅 读器的发展和推广具 有重大而深远的影响。但是，目前电子纸只实现了对文本及简单图形的显示， 还没攻克翻转慢和彩色显示的难题，所以， 这种显 示器距离真正实现商品 化还 需要一段时间。 屏幕阅读除了向大幅面的方向发展外，对复杂版面的支持也是必须的。 未来，电子版面设计仍然会保持传统印刷物的特色，每版 ( 页)均分栏、 分块，每版标题也有头条、二条之分。读者只要用光笔或手指轻轻触及阅读设 备的 屏幕，即 可快速地在多 达数十页或上 百页的 版面之间翻页、 浏览，阅读、 查阅 极为 便利。 版面不仅继续使用传统印 刷报纸的线性阅读文字， 而且增加了 新兴的多 媒体 “ 非 线性文本” 。 读者在阅 读线性文 字的时 候， 如果对内 容中的 某 个人物、背景、 数据感兴趣， 只要 用光笔或 手指触摸一下相关词语，屏幕版面 上便会出现进 一步介绍相关 人物、背景和数 据的 文字、声音、图片、影像等资 料;如果对版面上的照片感兴趣，只要用光笔或手指触摸一下，照片顿时就会 变成活动的影像，你可以听到人物的言谈笑语，可以看到事件和体育比赛激烈 进行时的实 况 。 可见，大幅面、高信息量的复杂版面显示将成为屏幕阅读发展的趋势，那 么面对这样的 需求，便需要我们设计一个高效的 版面显示控制系统， 很好的 实 现 电子版面的高速类纸显示。 以上展望了屏幕阅读的三个发展趋势，随着信息技术的发展，在可预见的 将来，以手持阅读为代表的屏幕阅读必将获得广大读者的接受。 第一章 引言 第二节 课题的 提出 在上一节内容中我们 提到大幅 面，复杂 版面是屏幕阅 读的发展趋势之一。 大幅面、复杂版面带给我们更好的阅读感受， 更多的 信息， 但这也意味着更大 的数 据处理量， 更复杂的 处理流程，这给电 子阅 读器的 处理器带来非常沉重的 负担。 解决这个问 题有两个途径， 一个是采用更高主频的处理 器， 采用更大更快 的内 存，这个方法简单易 行， 但势必大幅提高电子阅读器的 成本; 另一个是采 用版面加速器，由 版面加速器负 责复杂 版面的 解析和快速显示，由 于版面加速 器专门针对版面解析而设 计，因 而具 有较高的 工作效率，可以做到 用最低的开 销完成最多的 工作，另一 方面，由于版面 加速器的 采用， 主处理器的负担大大 降 低，可以 采用较 低主频的处理 器，这样不 仅降 低了 成本， 而且降低了电 子阅 读器的整体功耗。 从上面的分析可以看出，采用版面加速器的方案具有更大的优势，面向版 面加速的 嵌入式a s t的 研究就是在 这种背景下展开的。 第二章 a s i p与可编程逻辑器件 第二章 a s i p 与可编程逻辑器件 版面加速器是一种专用处理器，属于 a s i p 的技术范畴，a s i p是 a p p l i c a t i o n - s p e c i f i c i n s t r u c t i o n s e t p r o c e s s o r 的 缩写， 即 专用指令 集处理器， a s i p 是一种技术， 也是一种处理器的设计思路， 是我们设计版面加速器的 基础， 所 以在研究版面加 速器之前，有 必要对a s i p 及其设计方法 做深入的研究。 第一节 a s 冲 2 . 1 . 1 a s i p 及其优势 嵌入式系统往往执行比较单一的任务，针对某种特定应用而专门设计，但 目 前在嵌入式系 统中 采用的 微处理器绝大部分都 是通用嵌入式微处理器， 其通 用的 指令集在面 对千差万别的 嵌入式应用时 暴露出 专用性差， 执行效率低的 弱 点。a s i p 的出 现为解决这 个问 题提供了一种崭新的 思路。 a s i p 是微处理 器设计理念的一 项重大创新， 相对传统 微处 理器， 它的最 大 特点就是针对 特定应 用设计 专用的 指令集，再根 据设计 好的指令集对处理器的 体系结构进行 优化，使 优化 后的体 系结构更适合专用指 令的执行，进一步提高 指令执行的效 率。 通常a s i p 的 每条专 用指令对应该应用的一个常用 算法或 操作， 这样，在专用硬件模块的支持下， 往往若干条普通指令几十个时钟周期完成的 算法/ 操作用一条专用指令几个时钟周期就完成了。 除了有很 高的 指令执行效 率之外， 低功耗也是a s i p 的 特点 之一， 这也得 益 于它的专用性，由于专用性强，省去了大部分不必要的操作，降低了功耗。 a s i p 具有的 高指令执 行效 率和低功耗是以 牺牲一定的 灵活性为代价的 。 对 于一个系统来说， 功耗和灵活性是此消彼长的 两个指标。 处理器要有很好的灵 活性，必然就要有一定的功耗来支持，而要降低处理器的功耗，势必会以牺牲 它的灵活性为 代价。 好的处理器设 计就是在这两者之间找到 一个平衡点。图2 . 1 从功耗和灵活性两个角度对as i c , a s i p , d s p和通用嵌入式微处理器进行了对 比15 1 。 从图 上可以 看出， 专用指令集处理器 ( a s i p ) 可以 在功 耗和灵活性上有很 第二章a s i p 与 可编程逻 辑器件 好的折中， 对于一 个给定的 应用，它能 够比 专 用电 路 ( a s i c ) 和可编程d s p 更 好的满足功耗和灵活性的要求，a s i p 可以充分利用用户定义的指令集和数据通 通用嵌入式处理器 ds p as i p a s i c 知茄醉 功耗 图2 . 1从能效和灵活性两个角度对a s i c , a s i p , d s p和通用嵌入式微处理器对比 路进行优化 处理。 这种优化的 结果就使a s i p 比 通常的解决方案 具有更好的 计算 性能和更小的 功耗。这也是当 今工业界更倾向 于研究和使用a s i p 的一 个原因。 这种趋势也可以从硬件和软件两方面进行解释。 从硬 件设 计角度来 说， a s i p 能够实现一 些要求较高灵活性的 应用。 这些灵 活性的 要求来自 于适应将来标准变化的 需要， 或者将来应用的变化导致设计的 改变等。更 进一步来说，基于i p 重用技术，可以 大大缩短设计 周期。 这个特性 对于在一个己有的产品上增加一些新的功能特别重要，a s i p可以很灵活的设计 接口，这样它就能够很容易和其它硬件模块整合在一起. 从软件设计的 角度上来说， a s i p 处理器给 软件设计提供了一 个更 大的 优化 空间。 对于一个a s i p 设计来 说， 它的 输入既来自 于以 高级语言描述的软 件应用， 也来自 于用硬件 描述语言 ( 后面的内 容会有 详细的介绍) 描述的a s i p 硬件体系 结构。 对于软件 设计者来说， 这为他 们提供了 更 大的 优化空间，对 于硬件资源， 设计者有更高的优化自由度， 这样他们就能用更有效的 a s i p部件来取代传统的 大规模的，高能耗的硬件模块。 相对专用集 成电 路 ( a s i c ) , a s i p具有更高 灵活性， 相对于通用 嵌入式微 处理器， 它又有更高的计算性能， 更低的功耗， 更短的开 发周期。 而且， a s i p 处理器也能 够很容易的 和现有的半定 制处 理器 ( 如 d s p ) 开发结合在 一起， 因 此，对于嵌入式微处理器来说 a s i p 是未来发展的一个趋势。 第二 章 a s i p 与可编程逻辑器件 2 . 1 . 2 a s i p 设计方法 a s i p 的设计是一个软 硬件协同 设计的 过程， 只有二者的完 美结合，才能 用 最低的 成本获得最高的效率 网 。 对于a s i p 的设 计流程， 研究 人员提出了 很多方案， 但一般 都包括如下几个 阶段h l , 1 . 应 用 分 析 ( a p p lic a t io n a n a l y s i s ) 整 个a s i p 设计的开 始或 输入是一个或一组 应用， 在应用 产生时， 我们也要 同时生成这个应用所需要的测试数据和针对这个应用的设计约束。进行应用分 析的目的就是为了得到能指导硬件综合 以 及指令集生成的那些特性。比如专门 为h d t v的8 v s b 信道接收 芯片设 计的a s i p 就是 根据各个模块的需 要分析汇总 而来的。 进行应用分析通常先 用高级语言描述所要进 行的 应用， 比 如c / c + + 等， 注意描述的指导思想应该是与体系结构无关的， 只是描述出 应用的要求和要实 现的功能。然后对目标应用进行动态和静态分析，分析的结果以一种合适的中 间格式存储起来以备后用。比如把处理器结构和应用作为输入，得到大量的应 用参数，如平均基本模块尺寸、乘法累加操作次数、地址计算指令与数据计算 指令比率以及输入输出指令所占的百分比等。 2 . 结 构空 间 探 索 ( a r c h ite c t u r e d e s i g n sp a c e e x p lo ra tio n ) 结构空间探索是针对特定的应用，根据应用分析的输出及相应的设计约束 提出一组可能的目标a s i p 结构方案。然后估计可能结构的性能，选出一个满足 功耗， 性能约束并具 有最小硬 件成本的合适结构。 图2 .2 是 一个典型的结构探 索 设计框图。 整个结构探索过 程可以 认为是根据性能估计值在结构空间 上利用一定的 搜 索 ( 即 选择) 算法寻找目 标a s i p 的最佳结构的过程， 可以 分为 三个环节: 建立 结构设计空间、性能 估计和产生 最佳结构i s l 第二 章 a s i p 与可编程 逻辑器件 图2 . 2结构空间探索示意图 ( 1 )建立结构设计空间。 建立一个具有好的 参数的 结构设计空间模型是整 个结构探索过程的重点。 设计空间模型的 好坏取决于参 数的个数和参数值的 范 围，给参数赋 予不同 的值就能 构建不同的 结构设 计空间。 这里所说的a s i p的 结构和 通常说的体系 结构 还不完全是一个概念， 体系结 构的确定只是a s i p结构设计的一部分。 根据数据 流和指令流的 特点， a s i p 的 体系结 构可以 分为以 下四类 1 9 1 , s i s d ( s i n g l e i n s t r u c t i o n , s i n g l e d a t a 单 指令流，单数 据流) s i m d ( s in g le in st r u c tio n , m u lt ip le d a t a 单 指 令 流 ， 多 数 据 流) m i s d ( m u l t i p l e i n s t r u c t i o n , s i n g l e d a t a 多指令流， 单数据流) m im d ( m u lt ip le in s tr uc t io n s , m u lt ip le d a ta 多 指 令 流， 多 数 据 流) 在设计时根据特定应用的特点选择不同的体系结构。 体系结构确定后，还要进行其他系统要素的设计，主要包括功能单元结构 设计、存储单元结构设计、总线结构设计、存储访问机制设计、指令编码和指 令存取机制设 计等。进 行功能 单元结构设计时 要考虑的因素主 要有: 数据宽 度、 支持哪些运算以 及是否支持 浮点 运算; 进行存储单 元结 构设计时要考虑寄存器 的组织、存储 器的 位置、 指令存储器和数据存 储器是否独立、是否 使用c a c h e . 是否允许并发访问指令存储器等因素;设计总线时要考虑哪里采用单向总线， 哪里采用双向 总线，是采用 一对多的拓扑结构还是多对 一的拓扑结构; 设计存 储访问机制时要考虑是允许直接访问存储器还是只允许通过寄存器间接访问 存 储器;进行指令编码和指令 存取机制设计时， 首先要确定指令长度， 这需要综 合考虑代码尺寸和执行效率，然后要考虑是否允许多条指令并发存取. 第二 章 a s i p 与 可编程逻辑器件 在完 成上述设计之后还要 确定指令的寻址方式，至此一种结构才算设计完 成。改变要素的设计就可以得到不同的结构。 ( 2 )性能 估计。一般来说， 性能估计有两种: 基于调度程序的 性能估计和 基于仿真器的性能估计。 基于调 度程序的性能估计采用这样一种思想: 对于结 构模型的 整个估值问 题可以 归纳为资 源约束调度问 题，即 把所选择的 结构成分 当 作资源，然后应用这些资源对 运用进行调度， 统计调度所需 要的时 钟数， 所 得的数据可以用来估计各个操作的频率。而基于仿真器的思路如下:根据所选 的 结构模型的特性产生一个结构的 仿真模型， 然后将特定 应用 在这个模型上进 行仿真来计算性能。 ( 3 ) 产生最佳结构。在得到的结 构设计空间 里使用一定的搜索 算法寻找目 标a s i p 的最 佳结构。 3 . 指 令 集的 产生 ( in s t ru c t io n s e t g e n e r a tio n ) 指令 集产生方法一 般可以 归 为两 类: 指令集综合 和指令 选择。 . 指 令集综合 ( i n s t r u c t i o n s e t s y n t h e s i s ) 。 使用 这种方法， 指令集是根据应 用需要来生成的， 指令集中 指令的数 量也是 根据特定应用来确定的 指令 使用频 率来确定的。 . 指令 选择 ( i n s t r u c t i o n s e l e c t i o n ) 。 在这种方法中，存在一 个基本指令集， 在这个基本指令集的基础上， 再根据参 考结 构的约 束选择它的派生指令集以满 足功能、性能需要。 4 .代码生成 ( c o d e s y n t h e s i s ) 在这一步中，为特定的 应用或 一组应用生 成代码。 5 .硬件实现 ( h a r d w a r e s y n t h e s i s ) 在这一步中， 根据给定的a s i p 结构及 指令集用专用电 路实 现对专 用指令的 支持。 6 .对 a s i p的功能进行验证 ( v a l i d a t i o n ) 以 上讨论a s i p 设计的 六个关 键步骤， 其中的 每一个步骤都 有多 种实 现方法。 这一节主要介绍了a s i p的设 计方法。 a s i p 用专用 硬件电 路支持专 用指令 的方式解决了通用嵌入式微处理 器指令集专用性差， 指令执行效率 低的问 题， 但在其出 现之初却很少见于实际 应用。 这是因 为a s i p 用 传统的 集成电 路 技术实 现是不现实的，集成电路设计复杂， 开发周期长， 定型后无法进 行扩充， 这样 每遇到一种新应用，就得重新设计一款专用芯片，成本是不可接受的，这在一 第二章a s i p 与可编程逻 辑器件 个时期内限 制了a s i p 的发展， 直到可编 程逻辑器件的 广泛应用， 才为a s i p的 实际应用 提供了 可能。 在下 一节的内 容里， 我们 简要介绍一下可 编程逻辑 器件与i p 核技术，为设 计面向版 面加速的 嵌入式a s i p 打 好基础。 第二节 可编程逻辑器 件与 i p 核 从上 一节的 分析可以 看出 ， a s i p是专 用版面加速器的 理想设 计模式，接下 来的内 容里我们讨论如何实 现这种设计模式，由 于高成本、 实现复杂和扩展困 难等原因， a s i p 无法用传统的 集成电路技术实 现， 在这 个背景下， 可编 程逻辑 器件与1 p核 技术的 发展给a s i p 的实际 应用 提供了可能。 2 . 2 . 1可编程逻辑器件 可编 程逻辑器件 ( p l d ) 是8 0 年 代发展 起来的 数字器 件。 回顾p l d的发展 历 程 ， 从 可 编 程 只读 存贮 器 ( p r o m ) 、 电 可 擦 除 只 读 存 贮 器 ( e zp r o m ) 到 可 编 程阵列逻辑 ( p a l ) 、可编程逻辑阵 列 ( p l a )和 通用阵 列逻辑 ( g a l ) ， 再到 目 前广泛 应用的 现场可 编程门 阵 列 ( f p g a ) 与 复杂可编程 逻辑器件 ( c p l d ) a 这个发展历程正反映了集成电路产业的发展历程:向更高密度、更大容量、功 能更强迈 进i i t 。由于 篇幅所限， 在这里只介绍用 来实现版面 加速器的 f p g a及 其编程语言一一硬件描述语言. 1 . fp ga f p g a是英文f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y 的缩写， 即 现场可编程门 阵列， 它是在p a l , g a l , e p l d等可编 程器件的基础上 进一 步发展的产 物。 它是作为 专用集成电 路 ( a s i c ) 领域中的 一种半定 制电 路出现的， f p g a既解决了 定制 电路缺乏灵活性的不足，又克服了原有可编程器件门电路太少的缺点。 一 般 来 说 ， f p g a由 三 部 分 组 成 ， 组 合 逻 辑 、 连 线 和v 0 引 脚iii 。 组 合 逻 辑 可分为相对较小的单元一一 逻辑部 件或组 合逻辑 模块。 逻辑器件和组合逻辑模 块通常可以 用来构成一些典型的 逻辑门函 数， 但与大型设计中 的典型组合逻辑 模块相比， 还是小的，逻辑器件间的 连接 采用可 编程互 联结构， 互联结构在逻 辑上可能形成通道或者其他单元。 f p g a通常会根据组合逻辑模块间的距离， 来 第二章 a s i p 与可编程逻辑器件 决定要采用什么样的互联类型把它们连接起来，这些互联网 络还要给自 身提供 时钟信号。 v 0引脚构成了v 0模块 ( i o b ) ， 它们作为f p g a的输入或输出，具 有低功耗、高速连接的 特点。 f p g a是由 存放在片内r a m中的 程序来设置其工作状态的，因此， 工作时 需要对片内的r a m进行编程。 用户可以 根据不同的配置模式， 采用不同的编程 方式。 现在常 用的 是 使 用e p r o m对f p g a 进 行 配置。 程 序保 存在e 2 p r o m中， 加电 时 ， e z p r o m对f p g a 进 行 配 置 ， 配置 完 成 后， f p g a 进 入 工 作 状态。 掉电 后， f p g a恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，f p g a能够反复使用。当需 要修改f p g a功能时， 只需改变e z p r o m里的 程序即 可。 这样，同 一片f p g a , 不同的编程数据， 可以 产生不同的电 路功能。因此， f p g a的使用非常灵活。 以上简单了解了f p g a的原理， 下面介绍一下f p g a的编程语言一一硬件 描述语言。 2 .硬件描述语音 硬件描述语言 ( h d l , h a r d w a r e d e s c ri p t i o n l a n g u a g e ) 发展至今已 经有了 4 0多年的历史，现在硬件描述语言已 经成功地应用于硬件电路设计的模拟验证 和综合优化等方面。所谓硬件描述语言，顾名思义，就是指对硬件电路系统进 行行为描述、数据流描述或者结 构化描述的一种语言11 2 1 。硬件描述语言的 最大 特点是借鉴高级编程语言的功能特性对硬件电路的行为和结构进行高度抽象化 和规范化的描述:同时，还可以对硬件电路的设计进行不同层次、不同领域的 模拟验证和综合优化等处理，从而使硬件电 路的设计实现高度自 动化。 硬件描述语言主要包括两大类:一种是文字硬件描述语言，另一种是图形 硬件描述语言。在实际硬件电路的设计过程中，通常这两种硬件描述语言可以 并用。其中，文字硬件描述语言常常应用于数字硬件电 路系统的设计，它标志 着现代硬件电路设计方法的产生、成熟和发展;而图形硬件描述语言就是采用 直观的图形来描述硬件电路系统， 例如逻辑电路图和状态流程图等，由于它与 传统的硬件电路设计方法类似，因此将其称为硬件电路设计的古典方法。这两 种硬件描述语言都十分重要，各有优缺点，一个优秀的硬件电 路设计师掌握这 两种硬件描述语言是十分必要的。 归纳起来，利用硬件描述语言设计硬件电 路的方法主要有以下几个特点: ( i )采 用自 顶向 下 的 设 计 方 法 11 3i 第二章 a s i p与可编程逻辑器件 一般来说，传统的硬件电 路设计方法主要是采用自 底向 上的设计方法。这 种方法的设计过程是首先定义子模块，进行子模块的具体设计，然后再根据设 计的总体要求，将各个功能子模块合成，以 完成硬件的总体设计。而采用硬件 描述语言设计硬件电 路常常采用自 顶向 下的设 计方式， 这种方法的设计过程是 首先进行顶层模块的设计，然后将顶层模块中的逻辑功能划分为不同的功能子 模块，最后再进行功能子模块的详细设计。 通过这两种方法的设计过程不难看出，与传统的自 底向上的设计方法相比， 自 顶向 下的设计方法有助于在设计的早期发现结构设计中的错误，提高设计的 一次成功率。 ( 2 )硬 件电 路 系 统中 大量 采用a s i c 芯片 p a l 目 前在硬件电 路 系统的 设计中 大量采用了a s i c 芯片， 一是由 于a s i c芯片 具有许多其他芯片不具备的 特点; 二是众多的a s i c芯片厂商的工具软件都可以 支持硬件描述语言，从而给设计带来极大的方便。 这样，设计人员在设计硬件 电路系统的过程中，就不会受到只能使用通用元器件的限制，而是可以根据硬 件电路系统设计的需要来设计自 用的a s i c芯片或可编程逻辑器件， 从而使硬件 电路系统的设计更加合理，使体积、重量和功耗等参数大大减小。 ( 3 )降低了硬件电路系统的设计难度 硬件描述语言具有多层次描述系统硬件功能的能力，可以从系统的数学模 型直到门级电路。 另外，硬件描述语言高层次的 行为描述可以与低层次的寄存 器传输描述以及结构描述混合使用，从而使硬件电路系统的描述更加准确。同 时，某些硬件描述语言还具有子程序调用功能， 对于已经完成的设计程序，我 们可以通过修改子程序的方法来改变设计的规模和结构，使得对硬件电路系统 的描述更加灵活。 上述这些特点在很大程度上提高了 设计人员的工作效率，降 低了硬件电路系统的设计难度。 ( 4 )可以使设计的硬件电路系统迅速上市，降低成本 硬件描述语言和可编程逻辑器件很好的结合，大大提高了硬件电路系统的 实现速度.采用硬件描述语言设计硬件电路系统可以使设计更加方便、快捷， 而可编程逻辑器件的应用可以 将产品设计的前期风险降至最低，并使设计的快 速复制简单易行，同时多种综合工具支持这种形式的设计。硬件描述语言和可 编程逻辑器件的组合作为一种强有力的设计方法， 可以使设计的硬件电 路系统 迅速上市，降低成本。 第二章 a s i p 与可编程逻辑器件 ( 5 )设计文件易于保存， 便于阅 读和修改 传统硬件电路设计方法主要是采用电路原理图的设计方法，所形成的设计 文件是若干张电 路原理图; 而采用硬件描述语言设计硬件电 路系统时，最终形 成的设计文件是采用硬件描述语言编写的程序，而且它可以 转换成电路原理图 的形式输出。采用硬件描述语言编写的程序作为设计文件可以使设计文件的资 料最小、易于保存、便于阅读而且修改方便。 现在，国内外硬件描述语言的种