添加硬件加速器可以加快處理器的正弦計(jì)算

添加硬件加速器可以加快處理器的正弦計(jì)算如果修改軟件不能實(shí)現(xiàn)所需速度，那么你可能順理成章的想到在你的設(shè)計(jì)中加入硬件加速模塊。有很多種算法可對單精度浮點(diǎn)數(shù)字的正弦值進(jìn)行計(jì)算，但添加硬件加速器是功能最為強(qiáng)大的方法之一。之所以得出這一結(jié)論，是因?yàn)榭蛻舻膽?yīng)用要求使用此類正弦計(jì)算，而我們又針對能夠提供良好、快速且高效的解決方案進(jìn)行了多種方案的探索。為了確定哪種實(shí)現(xiàn)方式最適合您的應(yīng)用，首先需要對代碼進(jìn)行分析，以查找哪種功能需要改進(jìn)；其次，由于修改軟件比修改硬件更簡便、迅速，因而請檢查是否能通過修改軟件來實(shí)現(xiàn)您所需的高速度（有時(shí)可以）。但是如果您還需要更高的性能，那么請考慮在硬件中實(shí)現(xiàn)部分算法。在硬件加速的支持下，您可以輕松勝過市場上任意微控制器或DSP。為了解該流程，讓我們以現(xiàn)實(shí)案例為例，探討如何開發(fā)一個(gè)需要針對單精度浮點(diǎn)數(shù)字進(jìn)行正弦計(jì)算的軍事應(yīng)用。出于對高性價(jià)比的原因考慮，客戶已選擇了一款采用嵌入式MicroBlaze?的Spartan?-6FPGA作為主系統(tǒng)控制器?？商幚碚矣?jì)算的軟件算法應(yīng)運(yùn)行于MicroBlaze之上?？蛻舻乃惴ㄖ饕褂酶↑c(diǎn)運(yùn)算。由于算法復(fù)雜，轉(zhuǎn)而采用定點(diǎn)運(yùn)算并不妥當(dāng)。此外，客戶還希望避免使用定點(diǎn)運(yùn)算時(shí)可能出現(xiàn)的運(yùn)行過度或運(yùn)行不足的情況?？蛻羟宄﨧icroBlazeIP可提供兩種類型的浮點(diǎn)單元(FPU)，并已選用擴(kuò)展版本（相對于基本版而言）來加速算法。但是，這樣做就無法利用作為GNU工具鏈組成部分且隨EDK一起交付的數(shù)學(xué)仿真庫。數(shù)學(xué)庫中的軟件仿真例程程序運(yùn)行速度非常慢，在任何情況下都應(yīng)盡量避免將其用于算法中對性能起到關(guān)鍵作用的部分。另外，客戶還清楚MicroBlazeFPU的兩個(gè)版本都只能處理單精度數(shù)據(jù)，不能處理雙精度數(shù)據(jù)?？蛻舻乃惴梢悦鞔_地僅使用浮點(diǎn)精度數(shù)據(jù)(floatprecisiondata)。但在開始使用數(shù)學(xué)函數(shù)時(shí)，有時(shí)也會(huì)進(jìn)行隱式轉(zhuǎn)換。這些轉(zhuǎn)換會(huì)強(qiáng)制算法

在不知不覺中使用雙精度數(shù)據(jù)。步驟一：分析問題我們的客戶已經(jīng)在運(yùn)行他的算法，但發(fā)現(xiàn)該算法在MicroBlaze處理器上的運(yùn)行速度偏慢。在對代碼庫進(jìn)行特性描述后，客戶發(fā)現(xiàn)引起速度慢的原因是正弦計(jì)算。下一步是找出其中原因并分析怎樣做才能加快處理速度。第一種方案是使用數(shù)學(xué)庫提供的標(biāo)準(zhǔn)正弦函數(shù)，在客戶將算法寫入后，在不進(jìn)行任何修改的情況下完整地運(yùn)行它。主要的問題在于數(shù)學(xué)庫函數(shù)僅針對雙精度數(shù)據(jù)而創(chuàng)建，這就意味著正弦函數(shù)的原型應(yīng)為如下所示：doublesin(doubleangle);但客戶希望以下列方式使用：

floatsin_val;

floatangle;

...

sin_val=sin(angle);當(dāng)然，這也是可能的，而且C編譯器會(huì)自動(dòng)從參數(shù)角添加所需的轉(zhuǎn)換，進(jìn)行“雙精度化”，并將函數(shù)調(diào)用的結(jié)果轉(zhuǎn)回浮點(diǎn)值。這樣通常還是由數(shù)學(xué)庫函數(shù)來執(zhí)行兩個(gè)額外的轉(zhuǎn)換函數(shù)，甚至是正弦計(jì)算。切記，MicroBlaze的FPU為單精度版本，只能完成如下執(zhí)行指令：sin_val=(float)sin((double)angle);由于數(shù)學(xué)庫的正弦函數(shù)是雙精度的，因而FPU無法完成正弦計(jì)算，故需要純軟件的解決方案。但缺點(diǎn)在于速度太慢，無法滿足客戶的需求。我們驗(yàn)證了使用雙精度數(shù)據(jù)進(jìn)行正弦值的計(jì)算是執(zhí)行緩慢的原因。首先我們使用下列代碼，從我們的執(zhí)行文件中直接創(chuàng)建匯編代碼：mb-objdump.exe-Dexecutable.elf

>dump.txt檢查匯編代碼時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了如下代碼行：brlidr15,-15832//4400d300其作用是調(diào)用數(shù)學(xué)庫以進(jìn)行雙精度正弦計(jì)算。然后，我們測量了利用數(shù)學(xué)庫函數(shù)完成單次正弦計(jì)算所需的時(shí)間，約為38,700個(gè)CPU周期。

對于特定的任務(wù)，可以使用專用單精度函數(shù)，如計(jì)算平方根：floatsqrt_f(floath);使用專用函數(shù)可以避免單、雙精度函數(shù)之間的轉(zhuǎn)換，而且還可充分利用MicroBlazeFPU。但遺憾的是，在FPU上沒有用于處理正弦計(jì)算的專用函數(shù)。此時(shí)，我們開始開發(fā)多個(gè)版本的算法來加速正弦值的計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)更高的性能。步驟二：創(chuàng)建更好的軟件算法創(chuàng)建硬件加速器通常需要一段時(shí)間而且也需要進(jìn)行調(diào)試，因而我們試圖避免在第一次運(yùn)行中就采取這種方案。我們就性能問題與客戶進(jìn)行了溝通，獲得了正弦計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)。客戶的算法要