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).
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).
