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)運算，從而為要求嚴格的應(yīng)用程序（例如實時控制、傳感器信號處理和軌跡規(guī)劃等）提供高計算能力和縮短執(zhí)行時間，并且能支持實現(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)量運算，以及任務(wù)調(diào)度。標(biāo)量核支持多種算術(shù)運算和邏輯運算，還支持硬件浮點運算，從而實現(xiàn)更高的計算效率。另外，標(biāo)量核提供豐富的硬件功能安全機制，可以輔助實現(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 的另一個重要功能模塊，專門用于執(zhí)行向量運算。向量核支持多種向量算術(shù)運算、邏輯運算和專用信號處理，支持整型數(shù)和浮點運算，從而實現(xiàn)更高的計算效率。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)同時執(zhí)行同樣的操作，通過并行執(zhí)行多個向量運算來提高效率。

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一級緩存：一級緩存是PPU用于保存計算輸入和輸出數(shù)據(jù)的存儲空間。由于結(jié)構(gòu)上和運算核緊密耦合，該緩存可以在PPU 的執(zhí)行過程中對狀態(tài)進行快速讀寫，并且有EDC/ECC保護，從而實現(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，可以同時對多個不同數(shù)據(jù)進行相同的操作。這種指令可以大幅提高計算效率，特別是在執(zhí)行向量運算時效果更為明顯。

PPU 的 SIMD 指令集包括多種運算指令，如數(shù)學(xué)運算、邏輯運算等。這些指令都是并行指令，可以同時對多個數(shù)據(jù)進行操作，從而大幅提高計算效率。例如，PPU 的 SIMD 加法指令可以一次性對多個數(shù)據(jù)進行加法運算，從而實現(xiàn)更高的計算速度。

下面是一個示例，假設(shè)有兩個向量 A 和 B，每個向量包含 16 個 16 位整數(shù) ，要計算 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，需要進行16次循環(huán)運算，將不同的A[i]、B[i] 數(shù)據(jù)依次順序進行加法操作，相當(dāng)費時。

而如果使用支持SIMD指令的 PPU進行運算，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在進行向量運算時，通過降低同樣運算的處理次數(shù)，從而有效節(jié)省運算時間，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)，允許在單個時鐘周期內(nèi)，由處理器的不同部件同時執(zhí)行多個操作。

例如，如果要執(zhí)行兩個復(fù)向量A和B的乘法 ，結(jié)果存儲在向量C中。

C語言實現(xiàn)如下：

如果在標(biāo)量核上運算，會順序執(zhí)行下列代碼，并循環(huán)多次：

PPU內(nèi)的向量核有三個處理單元，包括兩個浮點運算器，和一個讀取/存儲部件用于將RAM中的數(shù)據(jù)搬運到核內(nèi)寄存器。這三個部件可以同時運行，形成指令層面的并行機制，從而實現(xiàn)VLIW指令。

上列代碼由PPU處理，可以將第4和第5行的乘法運算分別分配給兩個浮點運算器同時處理，如下紅框所示。而在下個指令周期內(nèi)，第7，8，9行的指令可以分配給三個部件同時處理，如下藍框所示。從而將原先需要12條指令周期運行的代碼縮短到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、毫米波雷達信號處理等。

圖2 PPU實現(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 由多個神經(jīng)元組成，每個神經(jīng)元都包含多個輸入和一個輸出。MLP 通過學(xué)習(xí)輸入和輸出之間的映射關(guān)系，從而實現(xiàn)對新數(shù)據(jù)的預(yù)測和分類。MLP 在機器學(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，可以用于估計未知變量的狀態(tài)和參數(shù)?？柭鼮V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)進行估計和預(yù)測，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的狀態(tài)進行優(yōu)化和控制。卡爾曼濾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

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，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是一個性能強大的處理器，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，可以實現(xiàn)高速數(shù)字濾波、向量矩陣運算、浮點運算、簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，為要求嚴格的實時計算應(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)運算，使得執(zhí)行時間更快，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)架實施不同性質(zhì)的運算。