Исследования › Гибридный реконфигурируемый вычислитель › Руководствo программиста

Часть 4. Библиотечные компоненты и функции.

Настоящая часть Руководства посвящена описанию библиотечных компонентов, представленных в языке Автокод, а также набору функций доступа к пользовательской логике, используемый управляющей программой для обращений к пользовательской логике.

Под пользовательской логикой здесь подразумевается основной компонент схемы, ниже называемый просто схемой.

Термин интерфейс схемы или интерфейсные регистры схемы означает порты схемы (в скобках указана разрядность порта):

1. Библиотечные компоненты пользовательской логики.

Библиотечные компоненты – набор готовых схем, написанных либо на языке VHDL, либо сгенерированных САПР. По своему назначению они делятся на три категории: арифметические, хранящие (компоненты памяти) и компоненты управления интерфейсом. Каждый такой компонент может иметь некоторые параметры данных (разрядность входных и выходных данных, размер хранимого массива памяти и т. п.). К компонентам, уже сгенерированным САПР, относятся только арифметические компоненты, параметры данных в них задаются раз и навсегда во время генерации. Эти компоненты являются уникальными для каждой конкретной реализации базовой платформы. Компоненты памяти и управления интерфейсом написаны на VHDL, они не зависят от конкретной реализации базовой платформы. Параметры данных в них определяются аргументами, задаваемыми при вставке компонента в схему, как параметры генерации.

В трансляторе Автокода VHD определены только компоненты памяти, в трансляторе Автокода Stream определены все библиотечные компоненты.

Выражение "определены в трансляторе" означает включение данных компонентов в схему автоматически, т.е. при определенных условиях транслятор самостоятельно выполняет следующие действия: вносит в схему заголовок соответствующего компонента, создает переменные доступа к нему и включает в схему соединения портов компонента и переменных доступа к нему.

Некоторые библиотечные компоненты не включаются транслятором в схему автоматически, но могут быть включены в нее явно. Использование таких библиотечных компонентов, не определенных в трансляторе, возможно только стандартным способом, а именно:

1. Объявление в разделе деклараций

component <имя_компонента>

2. Включение в комбинационной части

insert <имя_компонента>
gen1 = param1	// параметры генерации,
             	// если они определены в данном компоненте
   . . .
.port1(reg1)	// соединения портов с регистрами доступа
   . . . 
endinsert

Информацию о любом библиотечном компоненте можно получить, воспользовавшись командой:

 component_info <-(a|b)> [опция]

Ключ ‘-a’ >выдает информацию об арифметических компонентах (подробнее об опциях для этих комопнентов в следующей главе). Ключ ‘-b’ выдает информацию о компонентах памяти и управления. Опция может отсутствовать, в этом случае выдается список всех библиотечных компонентов памяти и управления интерфейсом. При указании имени компонента, на экран выводится описание заголовка данного компонента с комментариями.

1.1. Арифметические компоненты.

В эту категорию входят компоненты, реализующие арифметические операции с плавающей точкой и некоторые операции с фиксированной точкой. Они либо сгенерированы САПР, либо являются производными от первых. В силу этого, все арифметические компоненты для каждой конкретной реализации базовой платформы уникальны.

Арифметические компоненты работают в потоковом режиме, т.е. они на каждом такте способны принимать на вход новые значения операндов и, спустя N тактов, выдавать на каждом такте результаты операции. Величина N называется задержкой или латентностью компонента. Для компонентов, выполняющих поэлементные вычисления, результатом будет тоже поток, по длине равный входным потокам, но сдвинутым, относительно них, на N тактов. Для компонентов, выполняющих операции редукции, результат – одно число (для них задержка – это число тактов между поступлением последнего элемента входного потока и появлением результата операции).

Результаты выполнения арифметических операций не должны иметь непосредственный выход на внешний разъем схемы, результаты их работы необходимо предварительно сохранить либо в блоках памяти ram, либо на регистрах.

В именах арифметических компонентов фиксируется как разрядность базовой платформы (32, 64, 128), так и величина задержки конкретного компонента – N. Для каждой операции величина задержки может быть своя. Более того, для некоторых арифметических операций сгенерировано более одного компонента, с разной величиной задержки.

Ниже приведен перечень арифметических компонентов, имеющих задержку N, для 64-разрядной арифметики:

floating64_add_N	—	сложение двух чисел;
floating64_sub_N	—	вычитание двух чисел;
floating64_mul_N	—	умножение двух чисел;
floating64_div_N	—	деление двух чисел;
floating64_sqrt_N	—	извлечение квадратного корня из числа;
floating64_flo2int_N	—	перевод числа из плавающего формата в целый;
floating64_int2flo_N	—	перевод числа из целого формата в плавающий;
floating64_cmp_N	—	сравнение двух чисел;
floating64_max_N	—	выбор максимального из двух чисел;
floating64_min_N	—	выбор минимального из двух чисел;
float64_arrmax_N	—	выбор максимального числа в потоке;
float64_arrmin_N	—	выбор минимального числа в потоке;
float64_arrsum_N	—	скалярное суммирование массива без ожидания результата;
float64_arrsumwait_N	—	скалярное суммирование массива с ожиданием результата;
int64_arrmax_N	—	выбор максимального числа в потоке;
int64_arrmin_N	—	выбор минимального числа в потоке;
int64_arrsum_N	—	скалярное суммирование массива без ожидания результата;
int64_arrsumwait_N	—	скалярное суммирование массива с ожиданием результата.

Последние 4 компонента реализуют операции редукции для массивов данных с фиксированной точкой.

Для получения информации о библиотечных арифметических компонентах следует выполнить команду:

component_info -a  <разрядность|имя_компонента>

При задании разрядности – 32, 64 или 128, на экран выдется список всех арифметических компонентов указанной платформенной разрядности.

При задании имени компонента (имя можно указывать как полностью, например, floating64_add_5, так и без указания задержки, например, floating64_add), на экран будет выведена полная информация о компоненте или компонентах, реализующих данную арифметическую операцию.

Например, в результате выполнения команды:

component_info –a floating64_add

на экран будет выведена следующая информация:

Назначение –  сложение двух чисел, плавающий формат.


Компоненты:
floating64_add_4                       	// латентность = 4
floating64_add_7                       	// латентность = 7  

Порты:
направленность   размер   имя
in                   64   a            	// 1-й операнд
in                   64   b            	// 2-й операнд
in                    0   operation_nd 	// разрешение записи
out                  64   result       	// результат операции
out                   0   rdy          	// готовность результата
in                    0   clk          	// сигнал тактового генератора

1.2. Компоненты векторной памяти.

Данные библиотечные компоненты предназначены для хранения массивов данных в блоках адресуемой оперативной памяти ПЛИС. Написаны они на VHDL, поэтому не зависят от конкретной реализации базовой платформы. Реализованы на базе блоков векторной памяти с двумя независимыми портами. Каждый порт имеет 4 шины: входные и выходные данные, адрес и сигнал разрешения записи. Разрядность входных/выходных данных указывается в объявлении, разрядность адреса = 24 бит, а сигнал разрешения = 1 бит.

Режим записи в память: для записи значения по адресу требуется, чтобы на одном и том же такте на шине входных данных оказалось значение, на шине адреса - адрес, а на шире разрешения записи - единица. Записанное значение появится на шине выходных данных на следующем такте.

Режим чтения из памяти: для чтения значения по адресу требуется, чтобы на некотором такте на шине адреса оказался адрес, а на шине разрешения записи - ноль. Прочитанное по указанному адресу значение появится на шине выходных данных на следующем такте.

Компоненты векторной памяти включаются в схему автоматически, при трансляции объявлений блоков памяти типа ram в разделе деклараций. Объявление имеет вид:

ram <SIZE> <name>(<TYPE>, <BL>, <VOL>)

где

Значения SIZE, TYPE, BL и VOL используются транслятором для формирования параметров генерации при включении компонентов векторной памяти в схему.

На данный момент определены следующие типы памяти.

1.2.1. Тип ramb – компонент HI_RAMB.

Компонент реализован в виде двухпортового блока памяти с двумя независимыми портами 'a' и 'b'. Набор регистров доступа к памяти name типа ramb следующий:

порт 'a':

name.dina	– регистр входных данных,	разрядность = SIZE
name.douta	– регистр выходных данных,	разрядность = SIZE
name.addra	– регистр адреса,	разрядность = 24
name.wea	– регистр разрешения записи,	разрядность = 1

порт 'b':

name.dinb	– регистр входных данных,	разрядность = SIZE
name.doutb	– регистр выходных данных,	разрядность = SIZE
name.addrb	– регистр адреса,	разрядность = 24
name.web	– регистр разрешения записи,	разрядность = 1

Данный компонент памяти является базовым, никаких ограничений на характер использования портов не накладывается, но в языке Автокод Stream предпочтительнее для записи данных использовать порт ‘a’.

1.2.2. Тип rams — компонент HI_RAMS_1p.

Порты ‘a’ и ’b’ имеют тот же набор регистров доступа, что и для типа ramb.

Набор регистров доступа для порта ‘c’ следующий:

name.dinc 

name.doutc

name.addrc

name.wec   

name.enc   

При записи схемы на Автокоде Stream все соединения регистров доступа компонента с интерфейсными регистрами схемы транслятор формирует самостоятельно. Имя памяти name должно быть указано в объявлении объекта “Memory”.

Тип памяти rams следует использовать в схеме, кодгда обращения к памяти со стороны управляющей программы и со стороны схемы не пересекаются. При наличии единицы на регистрах name.enc или name.wec, внутрисхемное обращение к памяти блокируется.

1.2.3. Тип rams2 — компонент HI_RAMS_2p.

По назначению и по набору регистров доступа совпадает с типом rams. Различие состоит в том, что данный компонент используется в схеме, когда разрядность данных, которые необходимо принять от управляющей программы или выдать в управляющую программу, равна половине платформенной разрядности. Например, при платформенной разрядности, равной 64, в схему необходимо записать массив данных формата int. В этом случае на каждом такте поступления данных в схему, в блоки памяти приходится записывать не 1, а 2 слова.

1.2.4. Тип ramd — компонент HI_RAMD_1p.

Компонент является модификацией базового компонента HI_RAMB, в который добавлен дополнительный порт ‘c’ для коммуникаций с интерфейсными регистрами схемы. Тип памяти ramd предназначен для работы схемы в режиме подкачки: имеет двойную буферизацию, позволяющую совмещать обработку данных в схеме (внутренние обращения) с обменами данных между схемой и управляющей программой (внешние обращения). В каждый момент времени один буфер отдается внутрисхемной работе, а другой – обменам данными с управляющей программой. Наличие двойной буферизации в данном компоненте означает, что фактически объем резервируемой памяти будет в два раза больше заявленной.

Тип памяти ramd имеет такой же набор регистров доступа, что и rams, но на регистр доступа name.enc подается не признак чтения, а сигнал переключения буферов памяти name. Данный сигнал формируется в основном компоненте управления интерфейсом SEL_INIT (порт ram_ticker), значение сигнала определяет, какой буфер памяти будет отдан внутрисхемной работе, а какой – работе с управляющей программой.

При записи схемы на Автокоде Stream все соединения регистров доступа компонента с интерфейсными регистрами схемы транслятор формирует самостоятельно. Имя памяти должно быть указано в объявлении объекта “Memory”.

1.2.5. Тип ramd2 — компонент HI_RAMD_2p.

Данный тип памяти предназначен для работы схемы в режиме подкачки, как и тип ramd, но используется для обмена с управляющей программой короткими словами (по аналогии с типом rams2).

1.3. Компоненты управления интерфейсом схемы.

К этой категории относятся два компонента: SEL_INIT и BLOCKREG. Написаны они на VHDL, поэтому не зависят от конкретной реализации базовой платформы. Компоненты управления интерфейсом схемы предназначены для передачи данных из процессора в схему и обратно некоторым унифицированным образом. Для языка Автокод Stream был разработан протокол передачи данных с использованием регистров A и B. Этому протоколу следуют как управляющая программа, так и схема на Автокоде Stream.

Со стороны управляющей программы протокол реализован в специальных функциях доступа. Со стороны схемы – компонентами управления интерфейсом.

В общих чертах протокол взаимодействия заключается в следующем:

1. Начало рабочего цикла схемы – появление сигнала REG_WE_A = 1.
2. Окончание рабочего цикла схемы – запись в регистр REG_OUT_A ненулевого значения; на время рабочего цикла данный регистр должен быть обнулен.
3. Передача в схему 3-х одиночных параметров разрядностью 32 бит – значения регистров REG_IN_A и REG_IN_B при REG_WE_A = 1, REG_WE_B = 1 и REG_WE_B = 2 (в схеме, соответственно, argv[0], argv[1], argv[2]).
4. Передача в схему одного блока скалярных параметров платформенной длины. Число параметров в блоке не ограничено. Параметры передаются в порядке номеров записью в REG_IN_A при REG_WE_A = 2
5. Запись в схему и чтение из схемы массивов данных. Число передаваемых массивов не ограничено. Каждому передаваемому массиву присваивается номер. В схеме в качестве номера массива берется его порядковый номер в списке параметров, заданных при объявлении объекта “Memory”, начиная с 0. В вызывающей программе номера массивам необходимо присваивать согласно нумерации, заданной в схеме. Номер памяти передается в REG_IN_A при REG_WE_A = 2 .
6. Единственный выходной скалярный параметр имеет платформенную разрядность и передается через регистр REG_OUT_B.

1.3.1. Описание компонента SEL_INIT.

//   параметры генерации:

      data_width 	// разрядность базовой платформы
      count_reg  	// число регистров, определенных в объекте “Register”
      count_ram  	// число блоков памяти ram, определенных в объекте “Memory”
      ram_size    	//  двоичный>логарифм count_ram

//   перечень портов компонента с указанием направленности и разрядности:

out               0  inic      	//  выдача сигнала запуска рабочего цикла схемы
out              32  par0      	//  выдача скалярного параметра argv[0]
out              32  par1      	//  выдача скалярного параметра argv[1]
out              32  par2      	//  выдача скалярного параметра argv[2]
  in  data_width     regA      	//  прием данных с регистра REG_IN_A
  in  data_width     regB      	//  прием данных с регистра REG_IN_B
  in              2  maskA     	//  прием признака записи  REG_WE_A
  in              2  maskB     	//  прием признака записи  REG_WE_B
out               1  point_reg 	//  выдача признака записи в блок параметров
out   count_ram      point_in  	//  дешифратор номеров памяти для записи данных
out   count_ram      point_out 	//  дешифратор номеров памяти для чтения данных
out   count_ram      ram_ticker	//  переключатель буферов памяти в режиме подкачки
  in              0    Clk     	//  сигнал тактового генератора
  in              0    Reset   	//  сигнал начального сброса

При записи схемы на Автокоде Stream данный компонент включается в схему автоматически. Предназначен для управления и коммутации данных, связанных с интерфейсными регистрами схемы:

1. Выдача в схему сигнала, означающего запуск рабочего цикла схемы (порт inic). Длительность активного сигнала – 1 такт.
2. Выдача на векторный регистр argv(3) трех скалярных параметров (порты par0, par1, par2). Если в схему данные параметры не передаются, то на argv выдаются нули.
3. Формирование управляющего сигнала для записи блока параметров (порт point_reg). Если сигнал активный, т.е. равный единице, то все данные, поступающие в схему на интерфейсный регистр DI, должны направляться на запись параметров в блок регистров.
4. Дешифрация номеров памяти для коммутации интерфейсных регистров с регистрами доступа памяти ram для записи данных (порт point_in) и/или для чтения (порт point_out). Разрядность портов равна числу параметров-массивов, указанных при объявлении объекта “Memory”, а индекс каждого разряда – это номер соответствующего массива памяти. В каждый момент времени только один j-й разряд порта может быть активен, т.е. равен 1, что дает возможность коммутации интерфейсных регистров с массивом памяти номер j.
5. Формирование управляющих сигналов при записи/чтении данных в режиме подкачки (порт ram_ticker). Индекс каждого разряда порта соответствует номеру массива памяти из списка параметров объекта “Memory”. Значение j-го разряда порта определяет принадлежность каждого из двух буферов в памяти номер j либо внешним, либо внутрисхемным обращениям. Изменение значения j-го разряда формируется из анализа служебных сообщений, а устанавливется либо в момент запуска рабочего цикла схемы, либо по поступлению последнего чтения (в вызывающей программе – вызов функции logic_last_get()).

Если в объявлении “Memory” нет массивов памяти типа ramd или ramd2, то данный порт игнорируется.

1.3.2. Описание компонента BLOCKREG.

//   параметры генерации:

      data_width                  	// разрядность базовой платформы
      block_size                  	// векторность блока параметров

//   перечень портов компонента с указанием направленности и разрядности:

  in  data_width             DI   	// прием данных с регистра DI
out   data_width*block_size  DO   	// выходные данные
  in                      1  PBR  	// признак обращения к блоку регистров,
                                  	// берется с point_reg компонента SEL_INIT
  in                      1  WEBR 	// признак записи данных  WE
  in                      0  Clk  	// сигнал тактового генератора

Компонент предназначен для приема на векторный регистр argvblock(N) блока скалярных параметров. При записи схемы на Автокоде Stream данный компонент включается в схему автоматически при объявлении:

BlockRegister::(a1, a2, …, aN)

BlockRegister::(N)

Поскольку в языке VHDL порты компонента должны быть определены явно, и их количество нельзя задавать с помощью параметров генерации, то в данном компоненте все выходные параметры-скаляры объединены в один порт DO, разрядность которого задается в зависимости от их количества параметром генерации block_size. При включении данного компонента в схему порт DO подается на векторный регистр платформенной разрядности argvblock(N) при помощи функции join.

Например, для платформенной разрядности=64 и количестве параметров=4, запись включения компонента BLOCKREG в схему имеет вид:

reg 64 argvblock(4)    	// объявление в разделе деклараций векторного регистра и
reg  1 avt_point_reg   	// регистра доступа к порту point_reg компонента SEL_INIT
   . . . . .
    insert  BLOCKREG
            data_width = 64
            block_size = 4
            .DI(DI)
            .DO(255:0)(join(argvblock))
            .PBR(avt_point_reg)
            .WEBR(WE)

            .Clk(Clk)
    endinsert

Для передачи блока параметров со стороны процессора необходимо пользоваться функцией logic_put_block_reg(). Число передаваемых в блоке параметров должно быть строго фиксированным для данной задачи, передавать в схему всегда надо полный блок.

2. Функции доступа к пользовательской логике.

Для передачи данных в схему и приема данных из схемы управляющая программа использует функции доступа к пользовательской логике. На стороне процессора определены 2 базовых типа данных:

• FLOAT – для чисел с плавающей точкой;
• WORD  – для чисел с фиксированной точкой.

Для 32-разрядной платформы:

Для 64-разрядной платформы:

Для 128-разрядной платформы:

При передаче скалярных параметров для всех трех типов платформ определены макросы упаковки данных, отключающие автоматическое преобразование типов при компиляции:

дополнительно для 128-разрядной платформы:

Весь набор функций доступа к пользовательской логике можно разделить на три категории: общего назначения, базовые и специальные. Функции общего назначения – это функции общей инициализации и управления. Они используются при написании схем и на Автокоде VHD, и на Автокоде Stream. Базовые функции – это функции обмена данными нижнего уровня, не зависящие от организации управления интерфейсом в пользовательской логике, используются только при написании схем на Автокоде VHD. Специальные функции созданы для реализации описанного выше протокола взаимодействия управляющей программы и схемы. При записи схемы на Автокоде Stream в программе надо использовать именно этот набор функций.

2.1. Функции общей инициализации и управления.

Инициализация набора ускорителей:

int init_coprocessor(int from, int to)

Инициализировать и подготовить к использованию в данном процессе управляющей программы ускорители с номерами от from до to включительно. При успешном срабатывании возвращает 0. Текущим становится ускоритель с номером from. В схеме ничего не происходит.

Выбор текущего ускорителя:

void set_coprocessor(int current)

Все последующие обращения к функциям передачи данных будут относиться к ускорителю номер current. Номер – глобальный, среди всех ускорителей данного компьютера, а не среди инициализированных данным процессом. В схеме ничего не происходит.

Опрос текущего астрономического времени в секундах:

double cputime(void)

2.2. Базовые функции доступа.

Запись в память схемы:

void to_coprocessor(int addr, void *data, int len)

• запись len слов массива data в память схемы со смещением addr.

Чтение из памяти схемы :

void from_coprocessor(int addr, void *data, int len)

• чтение из памяти схемы со смещением addr len слов в массив data.

Функции записи в регистр :

void to_register(int reg, WORD val)

• запись в регистр reg значения val с активацией нулевого сигнала готовности.

void to_register_int(int reg, int val)

• запись в старшие 32 разряда регистра reg значения val с активацией нулевого сигнала готовности.

void to_register_masked(int reg, int nbit, WORD val)

• запись в регистр reg значения val с активацией сигнала готовности номер nbit (значения 0 или 1).

void to_register_masked_int(int reg, int nbit, int val)

• запись в старшие 32 разряда регистра reg значения val с активацией сигнала готовности номер nbit (значения 0 или 1).

ЗАМЕЧАНИЕ. Номер сигнала готовности в программе соответствует в схеме номеру разряда в сигнале разрешения записи в регистр, считая младший разряд нулевым. Если в программе активирован нулевой сигнал, в схеме регистр разрешения записи будет равен единице, если первый - двум.

Функции чтения из регистра:

void from_register(int reg, WORD *res)

• чтение из схемы регистра reg в переменную res .

void from_register_int(int reg, int *res )

• чтение из схемы старших 32 разрядов регистра reg в переменную res.

Значения аргумента reg в функциях обращения к регистрам – 6 или 7, что соответствует регистрам A или B во внешнем разъеме пользовательской логики. Функции с окончанием _int используются при работе с платформенной разрядностью 64 или 128.

2.3. Специальные функции доступа.

Функции управления:

void logic_init(int val)

• запуск рабочего цикла схемы с одновременной записью значения val в регистр схемы argv[0]. Если 0-й параметр в схеме не используется, то передается ноль.

void logic_wait( int tim, int *ans )

• ожидание окончания рабочего цикла схемы. Признаком конца рабочего цикла схемы является прием ненулевого значения кода ответа, которое записывается в переменную ans (в этом случае в качестве первого аргумента передается ноль). Задание tim>0 означает время ожидания ответа в секундах, используется в отладочных целях, например, при зависании схемы.

Функции обращения к регистрам схемы:

void logic_put_block_reg( void *par, int count )

• запись count слов массива параметров par в блок регистров-параметров схемы argvblock.

void logic_register( int addr, int val )

• запись значения val в регистр схемы argv[addr]. Адрес addr может принимать значение только 1 или 2.

void logic_result( WORD *res )

• чтение из схемы значения скалярного параметра в переменную res.

Запись в память схемы:

void logic_put(int ram, int addr, void *data, int len)

• запись len слов массива data в память с номером ram схемы со смещением addr.

void logic_put_strided(int ram, int addr, void *data, int width, int height, int row)

• запись вырезки из двумерного массива data в память с номером ram схемы в транспонированном виде. Размеры вырезки задаются параметрами: width – ширина вырезки, height – высота вырезки, row – длина строки массива.

Чтение из памяти схемы :

void logic_get(int ram, int addr, void *data, int len)

• чтение из памяти номер ram схемы со смещением addr len слов в массив data.

void logic_get_strided( int ram, int addr, void *data, int width, int height, int row)

• чтение из памяти номер ram схемы данных в вырезку из двумерного массива data в транспонированном виде. Размеры вырезки задаются параметрами: width – ширина вырезки, height – высота вырезки, row – длина строки массива.

void logic_last_get( int ram, int addr, void *data, int len )

• последнее чтение из памяти номер ram схемы, со смещением addr, len слов в массив data (данная функция используется только при работе в режиме подкачки).
  ◄ Часть 3