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在采用數值處理技術(shù)創(chuàng )建嵌入式應用時(shí)，通常以整數或定點(diǎn)表示法來(lái)確保算術(shù)運算盡量簡(jiǎn)單，這一點(diǎn)至關(guān)重要。因其不僅有助于使成本和功耗降至最低，而且還能盡可能地加速硬件部署。 FPGA 非常適用于執行定點(diǎn)運算，并能在邏輯或基于軟件或硬件處理器的實(shí)施方案中創(chuàng )建高度并行的數據路徑解決方案。Virtex-5 FPGA 產(chǎn)品系列中 FXT 系列的最新硬件處理器 Xilinx PowerPC 440 可提供超標量功能，讓用戶(hù)能夠對器件編程，使其以高達 550 MHz 的時(shí)鐘速率并行執行一個(gè)或兩個(gè)定點(diǎn)運算。 盡管用戶(hù)能通過(guò)對器件進(jìn)行編程來(lái)執行大多數采用整數或定點(diǎn)算術(shù)的運算，但通常須重新運算并插入比例運算以確保計算結果足夠精確。對于復雜運算而言，這不僅耗時(shí)，而且還會(huì )導致程序變?yōu)閷?zhuān)用型且不可重用。理想的替代方法是采用標準浮點(diǎn)表示法來(lái)提供一種適用于多個(gè)應用的高動(dòng)態(tài)范圍。這樣人們就無(wú)需修改算法即可獲得適用于任何特定應用或操作環(huán)境的定點(diǎn)實(shí)施方案，也無(wú)需為隨后的項目及應用而大范圍地修改代碼。 雖然賽靈思（Xilinx）為基于 IBM 浮點(diǎn)性能庫的 PowerPC 440 處理器提供了一種行之有效的仿真浮點(diǎn)解決方案，但處理器內核仍需占用數十個(gè)周期來(lái)執行每條運算。而采用浮點(diǎn)運算單元 (FPU) 形式的浮點(diǎn)運算硬件加速功能可縮短該運算周期。Virtex-5 FXT 系列中的 PowerPC 440 處理器提供了有效接口，能夠將賽靈思軟 FPU 等硬件加速器連接至該處理器內核。該方案可通過(guò)結構協(xié)處理器總線(xiàn) (FCB) 將 PowerPC 440 處理器上的 128 位輔助處理器單元 (APU) 接口橋接至協(xié)處理器。使用該類(lèi)協(xié)處理器（賽靈思 LogiCORE IP Virtex-5 APU-FPU），Virtex-5 FXT 用戶(hù)可以選擇軟件仿真或者專(zhuān)用軟邏輯 FPU 在 PowerPC 上自如地實(shí)現浮點(diǎn)運算。圖 1 顯示了通過(guò) FCB 將 PowerPC 440 處理器連接至 Virtex-5 APU-FPU 的典型實(shí)施方案。 
圖1 包含 APU-FPU 內核的嵌入式處理器系統 關(guān)于 PowerPC 440 FPU 賽靈思針對嵌入在 Virtex-5 FXT FPGA 中的 PowerPC 440 處理器專(zhuān)門(mén)設計了 APU-FPU。FPU 通過(guò) APU 接口與處理器的緊密結合可讓浮點(diǎn)運算單元直接執行原生 PowerPC 浮點(diǎn)指令，這相對軟件仿真而言，速度一般可提高 6 倍。 除少數情況外，賽靈思 PowerPC FPU 一般符合單精度和雙精度浮點(diǎn)運算的 IEEE-754 標準。賽靈思提供了為 2:1和 3:1 APU-FPU 時(shí)鐘速率而優(yōu)化的變量，使 PowerPC 處理器能夠以最高頻率運行。自發(fā)性指令發(fā)送不僅會(huì )隱藏運算時(shí)延，而且還會(huì )減少每條指令的周期。此外，這些優(yōu)化的實(shí)施方案可充分發(fā)揮器件的高性能 DSP 特性，以縮短運算符時(shí)延并減少邏輯計數與功耗。賽靈思在其嵌入式開(kāi)發(fā)套件 (EDK) 中支持 APU-FPU 流。
圖2 Virtex-5 FXT PowerPC 440 浮點(diǎn)協(xié)處理器架構 圖 2 為 FPU 架構的整體框架圖。APU-FPU 由執行單元、寄存器文件、總線(xiàn)接口以及所有管理浮點(diǎn)指令執行情況所必需的控制邏輯組成。 FPU 含有兩個(gè)變量。雙精度變量可執行除 PowerPC ISA 圖形子集（fsel、fres 和 frsqrte）以外的所有浮點(diǎn)指令，其中也包括單精度變量執行的指令。這意味著(zhù)您能使用帶各種商用編譯器和操作系統的 FPU（具體請參見(jiàn)：www.xilinx.com/ ise/embedded/epartners/listing.htm）。 賽靈思編譯器支持的 APU-FPU 單精度變量使用的資源較少。當 FPU 被占用時(shí)，雙精度操作將通過(guò)軟件仿真來(lái)執行。軟 FPU 比軟件仿真法平均快 6 倍。單精度 FPU 通常比雙精度快 13%。 將 APU-FPU 連接至 PowerPC 440有兩種方法可將 APU-FPU 連接至 PowerPC 440 處理器：1、利用賽靈思 Platform Studio 設計工具中的 Base System Builder (BSB) 向導；2、將 APU-FPU 單元添加至當前設計方案中即可。 您首先需利用 BSB 向導確定目標板和所期望的處理器（PowerPC 或 MicroBlaze），然后通過(guò)一系列復選框和下拉菜單選擇設計中所需的 IP。借助 BSB 向導，能夠輕松快速地組裝并測試基礎處理器系統。您只需勾選您要選擇的 FPU 框，即可實(shí)現APU-FPU 連接（見(jiàn)圖 3 頂部）。該向導可實(shí)現一個(gè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化能以處理器時(shí)鐘三分之一速率運行的雙精度 FPU。您也可定制更高時(shí)鐘速率的FPU 和單精度 FPU。 作者：賽靈思公司高級經(jīng)理Glenn Steiner，賽靈思公司高級DSP設計工程師Ben Jones，賽靈思公司工程師Peter Alfke |
