Динамическая настройка кросс-системы
В данной главе приводится краткий обзор нашей технологии динамической настройки кросс-системы для работы с моделями акселераторов, заданных в соответствии с 2.2 и 2.3 в виде файлов описания акселераторов.
Конфигурация системы
Под процессом конфигурации системы подразумевается определение конкретного набора акселераторов (типа и номера каждого акселератора). Тип акселератора (конкретная модель) определяется файлом спецификации на языке ISE. Интегрированная среда позволяет задать упорядоченный список акселераторов (файлов описания акселераторов), который и определяет конфигурацию системы, используемую для настройки соответствующих компонентов кросс-инструментария.
В рамках одной сессии интегрированной среды пользователь может много-кратно менять как конфигурацию системы, так и сами файлы описания акселе-раторов (и, конечно же, прикладную программу). Однако изменение конфигу-рации невозможно в режиме отладки, когда работает симулятор. Для смены конфигурации сессия отладки должна быть остановлена. Для редактирования файлов описания акселераторов может быть использован визуальный front-end, который поддерживает средства анализа и верификации спецификаций (напри-мер, обнаружение конфликтующих машинных кодов для разных команд).
Настройка симулятора
Для настройки симулятора используется информация из файла описания акселератора, соответствующая элементам, описанным в 2.2.
|
|
|
В существующей реализации для настройки симулятора используется два альтернативных подхода:
Компиляция файла описания акселератора внешним компилятором C++
Интерпретация файла описания во время работы (run-time)
В первом случае файл описания акселератора транслируется внешним компи-лятором в динамическую библиотеку DLL. Заметим, что в этом случае синтак-сис, описанный в 2.2, трактуется как макросы, определения переменных (2.2.1) и функции (2.2.2) C++. Функция-декодер задается таблицей соответствия шаблонов машинных команд и указателей на функции команд (2.2.2.3). Инфор-мация о синтаксисе команд (2.3) не используется симулятором и для компиля-тора в этом случае представляется в виде строки инициализации специальной глобальной переменной для использования ассемблером и дисассемблером.
Программный интерфейс (API) этой библиотеки DLL содержит набор функций для извлечения информации об акселераторе. Память акселератора симулируется в виде переменных и массивов в адресном пространстве DLL. Функции поведения команд акселератора (включая операции) компилируются в исполняемый код хост-машины. Симулятор основного процессора обращается к соответствующим функциям DLL для выдачи команд акселе-ратора и инициировании очередного такта (тактовый генератор находится в отладчике). Для синхронизации потактового выполнения команд основного процессора и всех акселераторов используется модель нитей с ручным переключением контекста. Такие возможности предоставляются в операционной системе Windows в виде примитивов Fibers. Для платформы UNIX используется библиотека QuickThreads (David Keppel, 1993). Директива FinishCycle() в этом случае вызывает явное переключение нитей (fibers).
|
|
|
В случае отсутствия внешнего компилятора C++, используется другой подход, когда функции поведения команд интерпретируются внутренней виртуальной машиной во время симуляции. Однако в этом случае существует ряд ограни-чений на использование конструкций и типов языка C++ при описании модели акселератора, так как не все возможности поддерживаются интерпретатором.
Настройка ассемблера/дисассемблера
Для обеспечения динамической настройки ассемблера на новые команды акселераторов был разработан "универсальный" ассемблер, интерпрети-рующий описание синтаксиса системы команд и отображения в машинные коды, заданное в соответствии с 2.3, в процессе ассемблирования входной программы. Заметим, что часть системы команд основного процессора, не относящаяся к командам запуска акселераторов, также задается в виде 2.3. Таким образом, кроме собственно текста прикладной программы, входной информацией для ассемблера является набор файлов описания для системы команд ядра процессора и всех акселераторов системы. Объединение этих описаний задает общий ассемблерный синтаксис всех команд системы "процессор + акселераторы".
|
|
|
В конкретной реализации, информация о синтаксисе извлекается ассемблером либо из указанных в параметрах командной строки библиотек DLL или непосредственно из файлов описания акселераторов. При этом описание системы команд ядра основного процессора зашито в самом ассемблере, так как она не изменяется пользователем.
Заметим, что в текущей версии динамически настраиваемым является только синтаксис отдельных команд. Общий синтаксис ассемблерного файла фиксирован:
Секции
Объявление переменных
Выражения
Конструкции для макропроцессора
Отладочная информация С-компилятора
Дисассемблер извлекает информацию о синтаксисе команд из набора файлов описания также динамически во время своей работы (in run-time).
|
|
|
Настройка отладчика
Под настройкой отладчика подразумевается настройка соответствующих окон для отображения состояния памяти акселераторов во время симуляции, включая разбиение на именованные области. С помощью отладчика пользователь также может вручную изменять значения определенных ячеек.
Во время старта отладочной сессии отладчик считывает информацию о структуре памяти акселераторов (см. 2.2.1) из соответствующих библиотек DLL или непосредственно из файлов описания акселераторов. Также для настройки подсветки синтаксиса ассемблерных команд в редакторе используется инфор-мация из синтаксической части (см. 2.3). Оттуда же берет информацию и один из профилировщиков (а именно, профилировщик покрытия системы команд).
Смежные работы
Для спецификации аппаратуры на низком уровне используются языки HDL (Hardware Description Languages), наиболее известными из которых являются Verilog [6] и VHDL [7]. Задачей этих языков является создание спецификации, пригодной для синтеза реальной аппаратуры. Поэтому, задание аппаратуры на данном уровне абстракции является трудоемким и непригодным для быстрого проведения исследования альтернатив дизайна, далее DSE (Design Space Exploration). Также автоматическое построение кросс-системы затруднительно на основании описания HDL, так как информация о системе команд не определяется явно (см. [1]).
Интересный подход для моделирования аппаратуры разрабатывается в рамках программы Open SystemC Initiative [8], первоначально представленной в 2000 году. В настоящее время все активности по SystemC спонсируются и управляются комитетом из индустриальных компаний: ARM, Cadence, CoWare, Fujitsu, Mentor, Motorola, NEC, Sony, ST, Synopsys. SystemC это библиотека C++ классов, которая упрощает создание поведенческих моделей аппаратных систем за счет предоставления набора макросов и классов, реализующих элементы аналогичные конструкциям HDL. С помощью этих конструкций (см. [9]) возможно структурное описание системы, используя понятия модулей, процессов, портов, сигналов, интерфейсов, событий и т.п. Библиотека также предоставляет набор типов, удобных для моделирования аппаратных элементов, таких как битовые строки и числа с фиксированной точкой. Однако модель системы на SystemC предназначена только для симуляции и последующего синтеза аппаратуры, система команд явно не выделяется и построение полной кросс-системы на основании модели на SystemC затруднительно (см. [5]). В этом смысле SystemC относится скорее к классу HDL языков, при этом существуют автоматические конвертеры из Verilog и VHDL в SystemC ([10] и [11]). Скорость симуляции моделей SystemC невелика ввиду слишком низкого уровня описания деталей аппаратуры, несущественных для кросс-системы. Однако заметим, что для описания поведения отдельных операций аппаратуры примитивы SystemC очень удобны, аналогичные конструкции предоставляются и в рассматриваемой работе для описания операций и команд (см. 0). В частности предоставляются типы данных, аналогичные SystemC; также синхронизация между командами аналогична синхронизации между процессами SystemC (FinishCycle() аналогична функции wait() в SystemC).
Для решения задачи автоматической генерации компонентов кросс системы предназначены языки класса ADL (Architecture Description Languages). Дополнительная информация и полный обзор языков ADL может быть найден в [1] - [5]. Здесь приведем только наиболее известные решения.
Одним из первых языков ADL был nML [12], изначально разработанный в Техническом Университете Берлина, Германия (1991). nML использовался в качестве способа описания аппаратуры для симулятора SIGH/SIM и компилятора CBC (с языка ALDiSP). В nML система команд процессора описывается с помощью атрибутных грамматик. Атрибуты включают в себя поведение (action), ассемблерный синтаксис (syntax) и отображение в машинные коды (image). Оригинальный nML не содержит механизмов описания многотактовых команд. Однако nML получил дальнейшее развитие в бельгийском научно-исследовательском центре микроэлектроники IMEC, где в рамках дочерней компании Target Compiler Technologies была создана коммерческая среда разработки [13]-[14], ориентированная на DSP архитектуры (1995). В эту среду входят компилятор CHESS (с языка C), симулятор CHECKERS, ассемблер, дисассемблер и линкер. Также поддерживается синтез VHDL описания. В рамках этой коммерческой среды компания Target Compiler Technologies модифицировала nML для поддержки более сложной аппаратуры (в частности введены механизмы явного описания конвейера), хотя из маркетинговых заявлений компании (технические спецификации недоступны) до конца не ясно, какие именно средства описания ILP поддерживаются. Также nML поддерживает только команды фиксированной длительности и производительность симулятора, опубликованная в [14], невысока. Последователем nML стал язык Sim-nML [15], работы над которым ведутся с 1998 года в Индийском Технологическом Институте (Indian Institute of Technology Kanpur) при поддержке компании Cadence. Главным принци-пиальным нововведением стал дополнительный атрибут использования ресурсов (uses) в грамматике описания команд. Это позволяет описывать использование ресурсов и, тем самым, обнаруживать конфликты между командами. В рамках проекта Sim-nML были разработаны кодогенератор для компилятора, симулятор, ассемблер и дисассемблер. К сожалению, отсутствует интегрированная среда разработки и отладки.
Язык ISDL был разработан в университете MIT, США [16] и представлен на конференции по автоматизированному дизайну DAC [17] в 1997 году. Основной специализацией ISDL является описание VLIW архитектур. Изначально задумывалась реализация компилятора, ассемблера и симулятора, а также генератора Verilog описания. Аналогично nML, ISDL главным образом описывает систему команд процессора, включающую в себя семантику поведения, синтаксис ассемблера, машинные коды, а также описание ресурсных конфликтов, используя атрибутную грамматику. К важным достоинствам языка можно отнести возможность точно специфицировать задержки и конфликтные ситуации для ILP в виде логических правил, хотя явное описание конвейера отсутствует. Несмотря на довольно продуманный язык, к сожалению, отсутствуют в доступном виде реальные утилиты, поддерживающие его. Инициаторы проекта ограничились только реализацией ассемблера и некоторых модулей симулятора и кодогенератора для компилятора в качестве диссертационных работ MIT.
Язык EXPRESSION [18]-[19] разработан в Университете Калифорнии (University of California, Irvine, США), впервые был представлен на конференции DATE в 1999 году. Этот язык поддерживает широкий класс встроенных систем с ILP и иерархиями памяти от RISC, DSP, ASIP до VLIW. EXPRESSION содержит интегрированное описание структуры и поведения подсистемы процессор-память. Спецификация на EXPRESSION состоит из шести секций (первые три отвечают за поведение, последние три за структуру):
Спецификация операций (набор атомарных команд с кодами, описанием параметров и семантики (поведения)).
Описание формата команды (команда состоит из ячеек, ответственных за определенный функциональный модуль, которые могут заполняться атомарными операциями для параллельного выполнения).
Отображение общих операций компилятора на машинные операции, описанные в первой секции. Данное описание используется для кодогенератора компилятора.
Описание компонент (функциональные устройства, шины, порты и т.п.).
Описание конвейера и связей компонентов.
Описание иерархии памяти (регистровая память, кэш, SRAM, DRAM).
Из описания EXPRESSION автоматически генерируются компилятор EXPRESS и симулятор SYMPRESS. К недостаткам решения на основе EXPRESSION следует отнести невысокую скорость симуляции и относительную трудоемкость описания (из-за наличия детальной структурной составляющей). В этом смысле EXPRESSION стоит между чистыми поведенческими ADL решениями (типа nML) и структурными описаниями HDL уровня.
Язык LISA [21]-[22] разрабатывался в университете RWTH Aachen (Германия) изначально в качестве средства описания аппаратуры для генерации симуляторов. Первые результаты работ по проекту LISA были опубликованы в 1996 году. Первоначальной целевой архитектурой были DSP процессоры. К ключевым характеристикам LISA можно отнести подробное описание конвейера на уровне операций с возможностью задания зависимостей и блокировок. Конвейерные конфликты задаются явно. Каждая команда задается в виде набора операций, которые определяются как регистровые пересылки за время одного кванта синхронизации. Описание LISA состоит из двух основных частей: спецификации ресурсов и описания операций. Описание операций в свою очередь содержит следующие секции:
DECLARE (определение объектов и групп через другие объекты и операции - фактически правила грамматики).
CODING (описание бинарного кодирования операции).
SYNTAX (описание ассемблерного синтаксиса и параметров).
BEHAVIOR и EXPRESSION (описание поведения операции в виде кода на языке C/C++).
ACTIVATION (описание задержек (timings) и поведения конвейера).
К сожалению, отсутствует полная публичная спецификация языка LISA, вся информация взята из различных статей. Согласно [20], из всех представленных подходов только система на основе языка EXPRESSION предоставляет средства для описания акселераторов. Однако, она ориентирована только на проведение фазы DSE, в ней отсутствуют такие производственные компоненты как ассемблер, дисассемблер, отладчик. Кроме того, ни одна из систем не поддерживает динамическую настройку компонентов, так как все компоненты создаются специальными генераторами кода в виде исходного кода на C/C++ и необходимо использование внешних компиляторов для получения готовой кросс системы. Настройка обработки ошибок в ассемблере также не поддерживается указанными языками.
Заключение
В данной статье представлена технология динамической настройки кросс-системы для поддержки ассемблирования, симуляции и отладки программ, содержащих команды, неизвестные на этапе построения основного инструмен-тария. Семантика и синтаксис этих команд определяются конкретными акселе-раторами, создаваемыми пользователями при построении специфической конфигурации системы "процессор + акселераторы" и неизвестными производителю основного процессора (и соответственно кросс-системы).
Для решения этой задачи была разработана абстрактная модель поддерживаемых акселераторов и интерфейса с процессором, охватывающая широкий спектр возможной аппаратуры. Предложенный язык спецификации ISE позволяет пользователям описывать спецификации конкретных акселераторов в рамках этой абстрактной модели. Созданные файлы спецификаций регистрируются в настройках интегрированной среды при описании конфигурации системы (см. 3.1). При этом компоненты кросс- инструментария настраиваются в соответствии с этими спецификациями динамически (in-run-time). В результате прикладные программисты получают возможность писать и отлаживать программы с использованием новых команд. Спецификации и конфигурация акселераторов в системе могут многократно меняться в рамках одного сеанса интегрированной среды, в том числе с помощью визуальных средств редактирования, анализа и верификации.
На основе описанной технологии в рамках коммерческого проекта в ИСП РАН была реализована настраиваемая кросс-система для DSP процессора заказчика (поддерживающего акселераторы). Авторам известно, что с помощью этой сис-темы пользователями были созданы рабочие модели реальных акселераторов:
a. Быстрого преобразования Фурье
b. Алгоритмов эхо подавления
c. Операций с комплексными числами
d. Операций кодирования видео
e. Операций цифровой фильтрации звука
Пиковая производительность симулятора центрального процессора (на хост-машине PIII-1000MHz) в рассматриваемой системе составляет порядка 10 миллионов тактов в секунду. При использовании конфигурации с одним акселератором (эхо подавления) производительность составила порядка 1 миллиона тактов в секунду (при этом симулируются процессор и акселератор, работающие параллельно), что обусловлено большими потерями на синхро-низацию процессов выполнения процессора и акселератора.
Дальнейшие наши работы в этой области направлены на расширение языка ISE и соответствующих утилит для поддержки моделирования полной системы, включая описание центрального процессора. Отдельное внимание уделяется увеличению производительности симулятора за счет использования JIT технологий и использования знаний о конкретной программе. Также предполагается расширить возможности системы для настройки компилятора с языка высокого уровня для генерации кода с учетом наличия акселераторов (в настоящее время команды акселератора на уровне языка C используются вручную в виде ассемблерных вставок).
Список литературы
Hiroyuki Tomiyama, Ashok Halambi, Peter Grun. Architecture Description Languages for Systems-on-Chip Design. Center for Embedded Computer Systems, Univertsity of California. 2000.
Wei Qin, Sharad Malik. Architecture Description Languages for Retargetable Compilation. The Compiler Design Handbook, CRC Press, 2003.
Clifford Liem, Pierre G. Paulin, Ahmed A.Jerraya. Retargetable Compilers for Embedded Core Processors. Kluwer Academic Publishers, 1997.
Rainer Leupers. Retargetable Code Generation for Digital Signal Processors. Kluwer Academic Publishers, 1997.
Lin Yung-Chia. Hardware/Software Co-design with Architecture Description Language. Programming Language Lab. NTHU. 2003.
IEEE Standard Hardware Description Language Based on the Verilog® Hardware Description Language, IEEE Std 1364-1995.
IEEE Standard VHDL Language Reference Manual, IEEE Std 1076-1987
Open SystemC Initiative. http://www.systemc.org/
SystemC User's Guide. Version 2.0.1. http://www.systemc.org/
N.Agliada, A.Fin, F.Fummi, M.Martignano, G.Pravadelli. On the Reuse of VHDL Modules into SystemC Designs, FDL 2001
Leila Mahmoudi Ayough Ali Haj Abutalebi Omid F. Nadjarbashi Shaahin Hessabi. Verilog2SC: A Methodology for Converting Verilog® HDL to SystemC. HDLCon 2002
A. Fauth, J. Van Praet, M. Freericks. Describing Instruction Set Processors Using nML. Proc European Design and Test Conf., Paris, March 1995.
Chess/Checkers Products. Target Compiler Technology. http://www.retarget.com/
Mark R. Hartoog, James A. Rowson, Prakash D. Reddy. Generation of Software Tools from Processor Descriptions for Hardware/Software Codesign. Alta Group of Cadence Design Systems, Inc. DAC 1997.
Sim-nML Homepage. http://www.cse.iitk.ac.in/sim-nml/
ISDL Project Homepage. http://caa.lcs.mit.edu/caa/home.html
George Hadjiyannis, Silvina Hanono. ISDL: An Instruction Set Description Language for Retargetability. Srinivas Devadas. Department of EECS, MIT. DAC 1997.
EXPRESSION Homepage. http://www.cecs.uci.edu/~aces/index.html
Ashok Halambi, Peter Grun, Vijay Ganesh, Asheesh Khare, Nikil Dutt and Alex Nicolau. EXPRESSION: A Language for Architecture Exploration through Compiler/Simulator Retargetability, DATE 99.
Prabhat Mishra, Frederic Rousseau, Nikil Dutt, Alex Nicolau. Architecture Description Language Driven Design Space Exploration in the Presence of Coprocessors. SASIMI 2001.
V. Zivojnovic, S. Pees, and H. Meyr. LISA: Machine description language and generic machine model for HW/SW codesign. In Proc. of Workshop on VLSI Signal Processing, 1996.
Andreas Hoffmann, Achim Nohl, Stefan Pees, Gunnar Braun, Heinrich Meyr. Generating Production Quality Software Development Tools Using a Machine Description Language. DATE 2001.
N. Cutland. Computability: an introduction to recursive function theory. Cambridge University Press, 1980.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 142; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!