Мультиклет R1 — первые тесты
Время идёт, и мультиклеточный процессор продолжает расти, развиваться. Пока, правда, не размножается, и состоит всего из 4-х клеток, но это все у него впереди. В данной статье попытаюсь описать основные особенности нового процессора Мультиклет R1, его характеристики и функционал, а также сравнить процессор нового поколения с родоначальником династии — процессором Мультиклет P1. Кратко пробежимся по историческим моментам выпуска процессоров, заглянем ненадолго в теоретические основы работы наших процессоров, обратим внимание на особенности нового процессора и его основные возможности, сравним процессоры P1 и R1, покажем прототип первого продукта на R1, и в завершении сделаем небольшой анонс.
Рис 1. Кремниевая пластина процессоров R11. История создания
Компания Мультиклет была основана в 2010 году. С учетом наработок по проекту синпьютер Уральской архитектурной лаборатории, которые велись с 2001 года под руководством Н.В. Стрельцова, был сделан шаг по созданию первого процессора с новой российской архитектурой. И все усилия вылились в первого представителя универсальной мультиклеточной архитектуры — процессор Мультиклет P1. Буква «P» означает нацеленный на производительность (Performance). После выпуска процессора были изготовлены две версии отладочных комплектов, а затем — несколько серийных устройств, в том числе фольгиратор, устройство защиты информации Key_P1. Имела место активная работа пользователей, тех, кому было интересно попробовать что-то новое. Результатом этой деятельности явились примеры работы с тачскрином, управление асинхронными двигателями, высотомер, анализатор трехосевого датчика и другое.Но, несомненно, было необходимым подняться на новую ступень. И в 2014 году появился на свет процессор с динамической реконфигурацией под названием R1–1. По результатам испытаний данная ревизия ушла в опытные образцы, и следом в декабре 2014 был выпущен процессор R1, доступный в пластиковом корпусе с марта 2015 г. Именно об этом процессоре и пойдет речь в данной статье.Добавлю, что мультиклеточные процессоры разрабатываются в г. Екатеринбург, кристалл выпекается в Малайзии на фабрике SilTerra.
Рис 2. Процессор R12. Краткие основы архитектуры
Процессор R1, как и первый представитель мультиклеточной архитектуры, состоит из четырех клеток. В архитектуру заложены следующие основные принципы:
клетки независимы и идентичны никто и ничто не управляет клетками, нет центрального блока управления клетки могут быть объединены в любую конфигурацию в любом количестве прямая связность инструкций по данным (в качестве аргумента инструкции напрямую указывается инструкция, результат которой нам необходим) одна и та же программа может быть выполнена на любом количестве клеток работаем тогда, когда есть работа (т.е. когда данных нет, инструкции, от них зависящие, не выполняются) все команды готовые к выполнению, выполняются одновременно (в каждом такте могут быть выполнены по 1 команде из каждого блока ALU_INTEGER, ALU_FLOAT, DMS и так в каждой клетке) динамическое распределение ресурсов Рассмотрим состав процессорного блока — клетки. Клетка процессора R1 в своем составе имеет блок выборки и распределения команд (IDU), блок управления и декодер команд (CU), буферное устройство (BUF), коммутационное устройство (SU), мультиплексор результатов, контроллер прерываний (IC), отладочный блок (JTAG-GPR), блок регистров общего назначения (GPR), исполнительное устройство (EU), состоящее из арифметико-логического устройства (далее АЛУ) с плавающей запятой двойной точности (ALU_FLOAT), АЛУ для целых чисел (ALU_INTEGER) и блок доступа к памяти данных (DMS).Связующим элементом клеток является межклеточная среда, которая представляет собой провода, соединяющие коммутационные устройства клеток и их входы, выходы. Хранилищем результатов является коммутатор (SU), который хранит информацию, приходящую из «межклеточной среды».
Основными преимуществами архитектуры является низкое энергопотребление, достижение при этом максимальной производительности, и динамическое распределение ресурсов.Низкое энергопотребление достигается за счет простоты реализации данной архитектуры, использования принципа широковещательно рассылки, отсутствия сложных блоков предсказателей переходов, кэша, переупорядочения инструкций и т.п.Высокая производительность достигается за счет того, что «на прямых» мультиклеточная архитектура быстрее, а на «поворотах» не хуже существующих архитектур.Вся программа представляет собой набор инструкций, объединенных в параграфы.Параграф мультиклеточной архитектуры можно представить как большую команду для обычной процессорной архитектуры. Параграф подразумевается под «прямой», а переходы между параграфами являются «поворотами».
Рис 3. Иллюстрация поворотаЕсли кратко охватить преимущества архитектуры, то с небольшими коррекциями процитирую пользователя AlexDi с форума ixbt: «Внеочередное выполнение до 4-х произвольных команд за такт, с глубиной внеочередности до 64 команд, предвычисление перехода задолго до самого перехода, преддекодинг команд после точки перехода, сохранение арифметических флагов для результатов всех инструкций».В каждом такте на исполнение могут отправиться до 12-ти команд (4 клетки с тремя независимыми портами для ALU_FLOAT, ALU_INTEGER, DMS в каждой), но выход у них один, поэтому выдать результат в текущей реализации архитектуры могут до 4-х команд за такт. Производительность в Гигафлопсах получается в пике за счет темпа выполнения команд комплексного умножения двух аргументов (a + bi) * (c+di), в результате получаем 6 операций на клетку, умножаем на 4 клетки и получаем 24 операции за такт. Умножив количество операций за такт на частоту (для R1 это 100 МГц) получим 2,4 ГФлопса.Подробнее ознакомиться с архитектурой можно в статье habrahabr.ru/post/226773
3. Что нового в процессоре R1
Первоначально предполагалось немножко доработать процессор P1, но в процессе доработки у R1 получилось практически полностью новое ядро. Теперь память программ общая для всех клеток, соответственно изменился механизм выборки (в P1 у каждой клетке была своя память программ), изменился механизм распределения результатов. Появилась косвенная адресация, добавились команды прямого чтения и записи (минуя механизм очередности), улучшена работа с индексными регистрами. И самое главное, появилась реконфигурация (способность клеток объединяться в группы).Увеличился ассортимент команд ассемблера, появился блок работы с памятью DTC. Для тактирования достаточно кварца на 8–12 МГц, появилась возможность работать с внешней памятью типа SRAM, SDRAM, PROM, I/O. USB теперь стандарта 2.0 device, RTC с календарем на борту. И важным шагом стала работа аналоговых блок, в процессоре R1 содержится 8 независимых каналов дельта-сигма АЦП 16 бит, 48 киловыборок в секунду и 1 канал ЦАП до 100 мегавыборок в секунду (работает на системной частоте). Первоначально планировалось, что будет два канала ЦАП, но получился один полностью работающий канал ЦАП.Рассмотрим чуть подробнее несколько нововведений в процессоре R1. Но для начала напомню как выглядит пример параграфа на ассемблере (для P1 и R1 можно писать и на Си):
habr: getl 1; загружаем число 1 в коммутатор getl 2; загружаем число 2 в коммутатор addl @1, @2; выполняем сложение 1 + 2 getl 0×10000; загружаем число 0×10000 в коммутатор wrl @2, @1; записываем результат сложения в память по адресу 0×10000 setl #0, @2; загружаем адрес памяти в нулевой регистр jmp habrahabr; переходим на следующий параграф complete
habrahabr: getl #0; получаем значение нулевого регистра rdl @1; считываем значение из памяти по адресу 0×10000 getl 3; загружаем число 3 в коммутатор addl @1, @2; складываем 3 + 3 wrl @1, 0×10000; записываем число 6 в память по адресу 0×10000 jmp next complete Косвенная адресацияВведение косвенной адресации позволяет взять значение из памяти по выражению, записанному в качестве второго аргумента функции. Данный тип адресации позволяет повысить быстродействие и упростить код программы.Рассмотрим простой пример: Paragraph: getl 0×50 wrl @1, 0×10 getl 0×12345 wrl @1, 0×50 setl #0, 0×10 jmp Paragraph1 complete
«БЕЗ косвенной адресации» Paragraph1: rdl #0; результат 0×50 rdl @1; результат 0×12345 complete
«C косвенной адресацией» Paragraph1: rdl [#0] ; результат 0×12345 complete В параграфе с косвенной адресацией сначала будет получено значение #0 равное 0×10, затем по данному адресу будет считано значение из памяти равное 0×50 и после этого выполнится чтение rdl по адресу 0×50, результатом которого будет число 0×12345. Без применения косвенной адресации в данном случае потребуется две команды.В качестве значения в квадратных скобках результат выполнения какой-либо команды, выражение в виде суммы с константой, системный регистр, регистр общего назначения или индексный регистр.Дополнительные командыСистема команд значительно расширилась в новой версии процессора, появились команды подсчета единиц, копирования флагов, различных сравнений и многое др. Продемонстрируем работу новых команд ge и lt для перехода по различным отрезкам.Пусть у нас есть участки от 0 до 3, от 4 до 10, от 11 и более. При значениях переменной Х необходимо осуществить переход на соответствующий параграф, покажем на примере:
Paragraph_pie: var:= rdl X; входной параметр ge @var, -1; больше -1, т.е. от 0 для целых чисел lt @var, 3; меньше либо равно 3 and @1, @2; операция and jne @1, parag_0to3; переход если оба сравнения вернули »1» ge @var, 3 lt @var, 10 and @1, @2; операция and jne @1, parag_4to10; переход если оба сравнения вернули »1» ge @var, 10 jne @1, parag_11over; переход если сравнение вернуло »1» в результате complete Хотелось ещё показать пример работы даже не команды, а нового регистра DFADDR, который можем быть полезен, например, для оптимизации конструкции в Си switch-case. Пример кода на Си и аналогичного параграфа: switch (Var) { case 1: func1(); break; case 2: func2(); break; case 3: func3(); break; default: go_to_default (); break;
} Switch_case0: setl #DFADDR, go_to_default; задаем параграф перехода, если не сработал ни один переход p1:= rdl Var subl @p1, 1 je @1, func1 subl @p1, 2 je @1, func2 subl @p1,3 je @1, func3 complete 4. Сравним процессоры P1 и R1
Сравнение начнем с тактирования. Для процессора P1 был необходим генератор тактовой частоты на 80, 100 или 120 МГц. В R1 появился блок PLL и теперь достаточно кварца на 8–12 МГц.Для работы программы в P1 нужна внешняя флешка, из которой программа перекачивается в оперативную память процессора. В R1 программа может быть также загружена из флешки, а благодаря появившемуся контроллеру внешней памяти возможно выполнение и работа с SRAM, SDRAM памятью и другими по интерфейсу I/O. Кроме того процессор R1 может быть закорпусирован со встроенной флешкой на борту.Поскольку появился блок управления внешней памятью, то появилась необходимость в перекладывании данных, этим в R1 занимается блок DTC, который способен работать и с регистрами и по прерываниям и с периферией. В R1, в отличие от P1, работают все прерывания.Количество памяти в R1 возросло до 512 Кбайт с полным доступом к памяти данных и программ и выполнением команд из любой области памяти. В P1 было 128 Кбайт памяти программ, доступа к которой на чтение и запись у пользователя не было и 128 Кбайт памяти данных.По периферийным блокам подробная информация была приведена выше. Добавлю, что теперь операции с плавающей запятой в R1 двойной точности.И самое главное, что появилось в R1 — это реконфигурация, т.е. способность клеток объединяться в группы без перезагрузки процессора и перераспределяться. Например, две клетки могут заниматься вычислением, одна клетка периферией и передачей информации, оставшаяся клетка анализом датчиков и если потребуется, то во время работы процессора «прямо на лету» возможно сделать так, чтобы 3 клетки стали заниматься вычислениями, а одна опросом датчиков и периферией. По реконфигурации будет отдельная статья с примерами, пока лишь скажу, что работать с реконфигурацией очень просто, на Си это будет просто вызов одной функции типа fork () с указанием сколько клеток от основного потока мы отделяем и куда, на ассемблере также просто, приведу пример ассемблерной вставки для выполнения трех независимых программ на Си: Допустим у нас есть 3 программы на Си, в которых мы указываем вместо main (): main1(), main2(), main3(), далее сделаем следующую ассемблерную вставку:
pre_reconf: getl #PSW getl 0×180; выставляем необходимые биты в PSW or @1, @2 setl #PSW, @1 jmp reconf complete
reconf:
getl 0×8
patch @1, @1
setq #ICR, @1; 1000 регистры ICR для клеток, указываем в какой группе они будут
getl 0×1
patch @1, @1
setq #ICR, @1; 0001
getl 0×6
patch @1, @1
setq #ICR, @1; 0110
getl 0×8
getl main3;
patch @2, @1
setq #NEWADDR, @1; указываем адрес перехода для группы из 3-й клетки
getl 0×1
getl main2;
patch @2, @1
setq #NEWADDR, @1; указываем адрес перехода для группы из 0-й клетки
getl 0×6
getl main1
patch @2, @1
setq #NEWADDR, @1; указываем адрес перехода для группы из 1-й и 2-й клетки
complete
Приведём сравнительную таблицу основных параметров P1 и R1: 
*Энергопотребление приведено на смеси задач 75% DMAC + 25% ADD. Максимальное потребление для R1 на задаче FFT составит 1,05 Вт. Энергопотребление P1 не имеет больших изменений в зависимости от задачи.В R1 уже реализован для некоторых блоков clock gating для снижения энергопотребления, при этом количество транзисторов в R1 в 1,5 раза больше чем в P1.Для каждого процессора имеется возможность писать программы на ассемблере, Си, отлаживать их и выполнять на процессоре. В качестве среды разработки выбран простой редактор Geany.Работать в среде можно под Windows и Linux. Обзор среды разработки и средств также будет выделен в отдельную статью.
5. Анонс
Хочется поделиться тем, что процессор R1 работает, как и планировали, отладочные платы под него откорретированы и уже мы сами сделали прототип защищенного криптотелефона с использованием реконфигурации и встроенных АЦП, ЦАП. Примерный вид корпуса изображен на рисунке 4. Работающий макет на рисунке 5.
Рис 4. Прототип корпуса телефона
Рис 5. Работающий макет криптотелефона Сейчас у нас идёт активная фаза по внедрению наших процессоров в школы (в виде робототехнических занятий) и Вузы в виде создания лабораторий, поэтому важным шагом мы считаем снижение порога вхождения в работу с новыми мультиклеточными процессорами.Для этого мы планируем сделать цикл обучающих статей на портале Хабрахабр, краткий анонс и очередность статей приведу ниже с целью получить отклик в плане порядка выпуска лекций и содержания:
Разделы новых статей 1) Мультиклеточная архитектура глазами программиста2) Среда разработки для мультиклеточных процессоров — Geany3) Обзор отладочного комплекта LDM-Systems для Мультиклет R14) Запуск первой программы на Мультиклет R15) Обзор ассемблера и Си компилятора для Мультиклет6) Обзор отладчика и среды отладки Geany для Мультиклет7) Реконфигурация в процессоре Мультиклет R18) Системные регистры и сторожевой таймер (Мультиклет R1)9) Система тактирования (Мультиклет R1)10) Система прерываний (Мультиклет R1)11) Работа с памятью и блоком DTC (Мультиклет R1)12) Работа с портами GPIO (Мультиклет R1)13) Работа с UART, RS-232, RS-485 в примерах (Мультиклет R1)14) Интерфейс I2C с разбором примера работы (Мультиклет R1)15) Интерфейс SPI, особенности и примеры работы (Мультиклет R1)16) PWM и его особенности (Мультиклет R1)17) USB 2.0 на простом примере и анализ в Beagle (Мультиклет R1)18) Ethernet: прием и передача пакетов (Мультиклет R1)19) Интерфейс I2S на примере работы с аудио кодеком (Мультиклет R1)20) АЦП и ЦАП с примером реализации диктофона (Мультиклет R1)21) Математическая библиотека (Мультиклет R1)22) Библиотека для работы со строковым дисплеем WH1602A (Мультиклет R1)23) Библиотека для работы с тачскрином HY2B (Мультиклет R1)24) Библиотека для работы с GSM модулем SIM800(Мультиклет R1)25) Библиотека для работы с GLONASS/GPS модулем (Мультиклет R1)26) Библиотека для работы с Ethernet (lwip) (Мультиклет R1)27) Библиотека для работы с USB (Мультиклет R1)28) Работа с ОС FreeRTOS (Мультиклет R1)29) Работа с ОС uClinux (Мультиклет R1)
Спасибо всем кто дочитал до конца, буду рад конструктивной критике и комментариям.Поздравляю всех пользователей портала Хабрахабр с днем радио!
