采用Nios定制指令的嵌入式系统优化设计

来管理函数和传输数据的。专用MP3解码器ASIC可用于执行密集计算量的解码和传数据给音频器件。本例中，Altera的Nios处理器用于完成处理控制信号，传输数据和进行MP3解码。通常，MP3解码器流程如下：
　　
　　①通过IDE接口从CF（CompactFlashcontroler）中读取MP3数据；
　　
　　②将MP3数据存入SPAM中缓存；
　　
　　③对MP3数据解码；
　　
　　④将MP3边带合成到脉冲编码调制（PCM）数据；
　　
　　⑤把PCM数据传给脉宽调制器PWM。
　　
　　此外，播放器采用MPEGAudioDecoder(MAD)进行MP3解码，是基于以下方面：
　　
　　①100%定点（整数）计算；
　　
　　②网上有可利用的源码；
　　
　　③在GNUCeneralPublicLicense（GPL）下发布。
　　
　　（2）定制指令
　　
　　我们知道在执行MP3解码的过程中，大量时间花费在边带的合成上。因此，优化AlteraMP3的重点就落在函数mad_synth_frame上。我们可通过使用定制指令f_mul和DCT32来优化该函数。
　　
　　F_mul
　　
　　F_mul和mad_f_mul是MAD使用的宏，用整数乘法来模拟浮点乘法。定义如下：
　　
　　#definemad_f_mul(x,y)
　　
　　((((x)+0x00002000L)>>14)×(((y)+0x00002000L))>>14)
　　
　　#definef_mul(x,y)
　　
　　(((x)|0x0001FFFFL)((y)|0x0001FFFFL))
　　
　　这些函数完成的功能是一组易被硬件实现的操作，包括移位、加法、乘法和逻辑或运算。在AlteraMP3的优化设计中，用硬件定制指令f_mul执行原先用软件宏；还可利用前缀选项，把两个宏合为一个单定制指令。以下就是用Altera的定制指令定义（f_mul和mad_f_mul）：
　　
　　#definef_mul(x,y)nm_fmul((x),(y));
　　
　　#definemad_f_mul(x,y)nm_fmul_pfx(1,(x),(y));
　　
　　DCT32
　　
　　在MP3解码中，DCT32完成离散余弦变换。MAD软件用优化过的DVT来增强性能。从软件角度来看，该优化算法比起一般DCT对提高性能具有重大意义。因为标准DCT需要1024个乘法，而用优化后的DCT只需80个乘法。
　　
　　图4DCT32与mad_synth_frame软件流程
　　
　　DCT32定制指令所用硬件由Celoxica提供，它是可重配置计算方案提供商，采用了基于HandelC的设计工具。Altera的DCT32定制指令按以下特点设计：
　　
　　|①可以存储32位输入和32位输出；
　　
　　②在DCT计算时，能独立于CPU工作；
　　
　　③用前缀指令接受命令
　　
　　——装入/卸载
　　
　　——启动DCT计算
　　
　　——轮询是否完成。
　　
　　因为定制指令可以轮询，在DCT输出前其它代码可以并行运行。当需要DCT输出时，定制指令被查询，看是否已完成计算。如果完成，Nios处理器卸载输出数据，同时装入下组输入数据。图4给出了DCT32定制指令及mad_synth_frame的流程图。
　　
　　（3）优化前后比较
　　
　　表1给出了三种情况下完成mad_synth_frame函数的比较结果。三种情况分别是只用硬件乘法指令，单用定制指令f_mul及f_mul和DCT32共用。
　　
　　从表1中可以看出，f_mul是最有效的定制指令，系统规模仅仅增加3%，却减少了77%的循环数目。规模增加很小是因为f_mul定制指令无需专用的硬件乘法器。
　　
　　表1三种情况比较
　　
　　所用硬件循环数目逻辑元件（IE）内存位只用硬件乘法1279000354226624f_mul293000364226624f_mul和DCT32并行231600433130528
　　DCT32指令运行在并行模式下，比起f_mul又减少了21%的循环数目，LE资源也只增加了18.9%。
　　
　　把定制指令

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