蔣 林，崔朋飛，山 蕊，武 鑫，田汝佳

西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，西安 710121

1 引言

陣列處理器，通過片上集成大量輕核處理元（Processor Element，PE），利用鄰接短線互連而成，廣泛地用于視頻計算[1]。視頻陣列處理器不僅具有強大的計算能力，而且適應(yīng)后摩爾時代集成電路工藝的發(fā)展。但是，隨著視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)的不斷演進(jìn)，計算量急劇飆升，數(shù)據(jù)訪問量也隨之增加[2]。雖然，通過片上集成更多的處理核，一定程度上可以提升視頻陣列處理器計算能力，但是核數(shù)的增多進(jìn)一步加劇了處理器訪問存儲的鴻溝，促使存儲結(jié)構(gòu)成為制約視頻陣列處理器性能提升的主要瓶頸。

新一代視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)（High Efficiency Video Coding，HEVC）[3]在提升編碼性能的同時，對系統(tǒng)帶寬提出了更高的要求。特別是，面向幀間的運動估計與運動補償算法由于其龐大的數(shù)據(jù)量，一方面處理元需要頻繁訪問主存讀取參考像素值；另一方面，算法間的數(shù)據(jù)通信需要大量的數(shù)據(jù)共享，而在各算法內(nèi)部，則會產(chǎn)生大量的不需要與外部進(jìn)行交互的臨時數(shù)據(jù)。因此，如何提供高效的數(shù)據(jù)交互機制同時滿足臨時數(shù)據(jù)的緩存要求便成為提升整個陣列處理器性能的關(guān)鍵。

為了解決這一問題，各種基于光互連和基于電互連的存儲結(jié)構(gòu)相繼被提出。為了利用光信號在通信中速度快、穩(wěn)定性高和功耗小的特點，文獻(xiàn)[4]通過額外的光電轉(zhuǎn)換器件，將電路由器引入到光互連網(wǎng)絡(luò)中，使用光信號進(jìn)行片上信號的傳輸。文獻(xiàn)[5-6]中基于三維集成技術(shù)提出了一種多層的光電互連結(jié)構(gòu)，通過光交換層實現(xiàn)處理器核心對多Bank存儲器的并行訪問。光片上通信雖然在帶寬、延遲和功耗等方面具有顯著優(yōu)勢，但物理實現(xiàn)較為復(fù)雜且成本高昂，同時光電轉(zhuǎn)換帶來的額外延遲、功耗等開銷使得其不適合局部數(shù)據(jù)訪問通信。

文獻(xiàn)[7]中UltraSPARC T2處理器設(shè)計了多級Cache的存儲結(jié)構(gòu)，通過交叉開關(guān)，將L1級私有Cache與L2級Cache互連，但多級Cache間一致性復(fù)雜，硬件開銷較大。文獻(xiàn)[8]中基于簇的64核處理器結(jié)構(gòu)中，每8個核構(gòu)成一個處理元簇，每4個處理器核共享一個存儲器，并通過路由器形成星型拓?fù)?，進(jìn)行核間通信，整個片上網(wǎng)絡(luò)通過路由器形成mesh結(jié)構(gòu)。但多個處理器共享一個存儲器，增加了訪問沖突概率，且星型拓?fù)湫枰?端口的路由器作為支持，無疑增加了設(shè)計的復(fù)雜度。文獻(xiàn)[9]中的多核處理器結(jié)構(gòu)，每個處理器核心擁有私有的L1級指令Cache和L1級數(shù)據(jù)Cache，4個處理器核心通過總線方式共享L2級Cache，通過全局的總線仲裁機制，維護(hù)Cache的一致性。雖然通過總線方式互連，設(shè)計簡單，但當(dāng)處理器核心增加時，總線壓力急速增加，且可擴展性較差。文獻(xiàn)[10]提出的CHMS結(jié)構(gòu)中，通過共享的寄存器堆和共享的存儲器實現(xiàn)處理器核心的通信，雖然能高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，但由于所有存儲資源共享，增加了并行化編程的難度，增加了訪問沖突概率。

針對上述問題，同時為了滿足視頻編解碼各算法間數(shù)據(jù)交互和各算法內(nèi)部中間結(jié)果的緩存需求，結(jié)合視頻陣列處理器多核陣列的結(jié)構(gòu)特點，本文設(shè)計了由私有存儲層和共享存儲層構(gòu)成的多層次分布式存儲結(jié)構(gòu)?？紤]到視頻編解碼算法中，每個算法基于基本的編碼宏塊，針對4×4、8×8的編碼單元進(jìn)行處理，如運動估計、運動補償以及變換量化算法，而所處理的編碼單元通常由相鄰的像素值構(gòu)成，基于這一特點，本文利用視頻算法編碼單元的數(shù)據(jù)在時間和空間上的數(shù)據(jù)相關(guān)性，考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜度和可擴展性，結(jié)合陣列結(jié)構(gòu)的拓?fù)涮攸c，采用目錄協(xié)議一致性策略，設(shè)計了由“邏輯集中，物理分布”的分布式存儲器和多個Cache構(gòu)成的共享存儲層；考慮各個算法在數(shù)據(jù)處理期間，各算法內(nèi)部數(shù)據(jù)的相對獨立性，設(shè)計了由16個私有存儲器構(gòu)成的私有存儲層。通過Xilinx公司FPGA板級驗證，實驗結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在保持簡潔性和可擴展性的同時，最高能夠提供9.73 GB/s的訪存帶寬，滿足視頻編解碼算法數(shù)據(jù)訪存的需求。

2 多層次分布式存儲結(jié)構(gòu)通信機制

多層次分布式存儲結(jié)構(gòu)由私有存儲層和共享存儲層兩層結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。其中私有存儲層由16個獨立的存儲器構(gòu)成，該16個存儲器組成4×4的存儲器陣列，與4×4的處理器簇相對應(yīng)，構(gòu)成各處理器單元的的私有存儲器；共享存儲層由16個物理分布、邏輯統(tǒng)一的存儲器塊和16個Cache通過片上路由器互連構(gòu)成。

當(dāng)視頻陣列處理器中的各計算單元處于數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段時，通過共享存儲層，將所需數(shù)據(jù)加載到各私有存儲器中；當(dāng)計算單元處于算法的計算階段時，對各私有存儲器進(jìn)行無沖突的讀寫操作，從而減小數(shù)據(jù)訪問的沖突概率，提高算法的運算速度。

2.1 共享存儲層Cache一致性

圖1 多層次分布式存儲結(jié)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)的存儲結(jié)構(gòu)一般為片內(nèi)私有的L1級Cache加私有或者共享的L2級Cache和集中式的外部存儲器的分層次結(jié)構(gòu)，采用基于總線結(jié)構(gòu)的MSI、MESI、MOESI一致性協(xié)議[11]，但隨著處理器核數(shù)的增加，硬件資源的消耗以及設(shè)計的復(fù)雜度成倍提升，總線結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能適應(yīng)多核處理器系統(tǒng)的需求?；贜OC（Network on Chip，NOC）結(jié)構(gòu)的分布式存儲結(jié)構(gòu)和基于目錄協(xié)議[12]的Cache一致性策略由于其可擴展性和高效性，已經(jīng)成為現(xiàn)代多核處理器存儲體系的主流。

目錄的組織形式一般分為全位向量映射目錄、有限指針目錄和鏈?zhǔn)侥夸沎13]。在一個基于目錄協(xié)議實現(xiàn)的多核系統(tǒng)中，目錄由多個目錄項組成，每個目錄項對應(yīng)一個Cache行大小的數(shù)據(jù)塊，因此目錄項的數(shù)目與存儲器的總?cè)萘砍烧汝P(guān)系。目錄由兩部分構(gòu)成，一部分是狀態(tài)信息，另一部分是共享信息。目錄的狀態(tài)信息表示當(dāng)前Cache行所處的狀態(tài)，如VALID，該狀態(tài)信息位基本是固定的，不會隨著系統(tǒng)規(guī)模的增長而變化，而目錄的共享信息則表示當(dāng)前系統(tǒng)中擁有該共享副本的節(jié)點信息，在全位向量映射目錄中，每一位表示一個處理器核的共享狀態(tài)，共享信息位會隨著系統(tǒng)規(guī)模的增長而增長，有限指針目錄和鏈?zhǔn)侥夸浤軌蚪档湍夸浀拇鎯﹂_銷，但也會大幅增加系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，為了降低設(shè)計的復(fù)雜度，考慮到本文的簇內(nèi)處理器核心數(shù)不多，本文采用全位向量映射目錄的組織形式。

如圖2，以3個存儲器塊為例，在系統(tǒng)初始階段，存儲器塊對應(yīng)目錄中有效位為1，共享位為000。當(dāng)PE00對存儲塊01讀取數(shù)據(jù)時，首先訪問目錄存儲器，當(dāng)有效位為1時，將數(shù)據(jù)通過路由器返回PE00，同時更改目錄信息為1001；當(dāng)PE02對存儲塊01讀取數(shù)據(jù)時，目錄信息最高位為1，則直接讀取存儲器中數(shù)據(jù)，同時修改目錄信息為1101；當(dāng)PE00對該Cache行的數(shù)據(jù)修改過，且需要替換寫回時，則目錄信息修改為0001；隨后當(dāng)PE02讀取存儲塊01時，目錄信息有效位為0，則根據(jù)共享位向PE00發(fā)送寫回請求，待數(shù)據(jù)寫回后將數(shù)據(jù)返回PE02，同時修改目錄信息為0101。

圖2 共享存儲層數(shù)據(jù)一致性過程

2.2 PE間的通信機制

對于PE來說，通過設(shè)置地址信息中的標(biāo)志位，可以對私有存儲器和共享存儲器進(jìn)行訪問。當(dāng)訪問私有存儲器時，則通過私有存儲層直接訪問，當(dāng)訪問共享存儲器時，則需要通過片上網(wǎng)絡(luò)的共享存儲層進(jìn)行通信。

當(dāng)PE發(fā)出讀請求時，本地Cache單元首先判斷本地Cache是否命中，若命中，則直接讀取所需數(shù)據(jù)，訪問結(jié)束；若不命中，則向控制器發(fā)送讀查找請求，控制器根據(jù)地址信息，判斷向本地的存儲器塊或遠(yuǎn)程的存儲器塊發(fā)送讀請求，若對應(yīng)存儲器塊目錄的對應(yīng)行狀態(tài)位有高，則讀取對應(yīng)數(shù)據(jù)，并修改目錄信息，待數(shù)據(jù)寫入本地Cache后，訪問結(jié)束；若對應(yīng)存儲器塊目錄的行狀態(tài)位為低，則根據(jù)目錄中該數(shù)據(jù)的共享信息向擁有者發(fā)送寫回請求，待數(shù)據(jù)寫回后再讀取數(shù)據(jù)并修改目錄狀態(tài)，待數(shù)據(jù)寫入本地Cache后，訪問結(jié)束。寫訪問過程與讀訪問過程類似，訪問流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)訪問過程

3 多層次分布式存儲結(jié)構(gòu)的設(shè)計

多層次分布式存儲結(jié)構(gòu)中，共使用64個Xilinx定制雙端口存儲器IP（Intellectual Property，IP），其中，私有存儲層16個，對應(yīng)16個私有存儲器，共享存儲層48個，對應(yīng)16個共享存儲器、16個目錄存儲器以及16個高速緩存單元，通過互連網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成層次化的分布式存儲結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 多層次分布式存儲結(jié)構(gòu)框圖

3.1 網(wǎng)絡(luò)適配器的設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)適配器是本地PE與遠(yuǎn)程PE通信的網(wǎng)絡(luò)接口，按照路由器格式對通信信息進(jìn)行打包與解包操作，包格式如圖5所示。

網(wǎng)絡(luò)適配器由無效查找模塊、無效發(fā)送模塊、寫回請求模塊、替換寫回模塊和讀查找模塊5個模塊構(gòu)成，頂層結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.2 目錄存儲器設(shè)計

目錄存儲器是分布式Cache實現(xiàn)數(shù)據(jù)一致性的關(guān)鍵，主要由請求保持模塊、目錄控制模塊、請求仲裁模塊和目錄存儲IP模塊以及數(shù)據(jù)存儲器IP構(gòu)成，頂層設(shè)計如圖7所示。

請求仲裁模塊對來自本地PE和遠(yuǎn)程PE的兩路讀寫請求做出仲裁，采用本地優(yōu)先的仲裁策略；請求保持模塊對仲裁失敗的請求暫存，等待下次仲裁；目錄控制模塊對仲裁成功的請求做出響應(yīng)，分以下幾種情況：

（1）讀查找請求：目錄控制器根據(jù)讀查找地址，讀取目錄中的信息，如果有效位為高，則讀取對應(yīng)數(shù)據(jù)存儲器Bank的數(shù)據(jù)，并根據(jù)讀地址的高4位，記錄讀取數(shù)據(jù)的PE號，更新目錄信息；如果有效位為低，則根據(jù)共享位信息，向?qū)?yīng)PE發(fā)出寫回請求，待數(shù)據(jù)返回，發(fā)回讀查找數(shù)據(jù)，再對目錄信息進(jìn)行更新。

（2）通知無效請求：目錄控制器根據(jù)無效查找的地址，讀取目錄中的信息，如果有效位高，則將有效位置零，并根據(jù)共享位，向?qū)?yīng)PE發(fā)送無效請求；如果有效位為低，則根據(jù)共享位，向?qū)?yīng)PE發(fā)送無效請求。

（3）替換寫回請求：目錄控制器根據(jù)替換寫回地址，將替換寫回的數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)數(shù)據(jù)存儲器Bank中，同時更新目錄信息，將對應(yīng)地址的有效位置1。

3.3 高速緩存單元的設(shè)計

高速緩存單元（Cache）采用4路組相聯(lián)的地址映射策略，采用最近最少用[14]的寫替換策略對本地PE的讀寫進(jìn)行緩存。

高速緩存單元主要由狀態(tài)寄存單元（State_reg）、命中判斷單元（Hit_judge）、寫策略選擇單元（Wr_str）、讀仲裁單元（Rd_arb）、讀數(shù)據(jù)單元（Rd_data）和地址轉(zhuǎn)換單元（Addr_trans）6個子模塊構(gòu)成，如圖8所示。

（1）狀態(tài)寄存單元：該模塊用于記錄高速緩存單元數(shù)據(jù)的實時狀態(tài)，并采用最近最少用替換策略提供需替換的Cache行號。

（2）命中判斷單元：當(dāng)PE發(fā)出讀寫請求時，命中判斷單元通過狀態(tài)寄存單元的信息，判斷本地Cache中是否命中。

（3）寫策略選擇單元：當(dāng)PE讀寫不命中，需要向本地Cache調(diào)入數(shù)據(jù)時，寫策略選擇單元根據(jù)狀態(tài)寄存單元的對應(yīng)Cache行狀態(tài)，做出替換寫入或者直接寫入的策略選擇。

（4）讀仲裁單元：該模塊用于對PE發(fā)出的讀請求、由寫替換引起的讀請求和控制單元發(fā)出的寫回請求按照本地讀有限的優(yōu)先級做出仲裁選擇。

（5）讀數(shù)據(jù)單元：讀仲裁單元送出的讀請求信號進(jìn)入讀數(shù)據(jù)單元，讀數(shù)據(jù)單元根據(jù)命中判斷單元的判斷結(jié)果，選擇來自本地Cache的數(shù)據(jù)和來自控制單元的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)做出選擇，在需要進(jìn)行寫替換時，向控制器發(fā)出寫替換請求。

圖5 路由器適配器包格式

圖6 網(wǎng)絡(luò)適配器結(jié)構(gòu)框圖

圖7 目錄存儲器結(jié)構(gòu)框圖

圖8 高速緩存單元結(jié)構(gòu)框圖

（6）地址轉(zhuǎn)換單元：在PE的讀寫過程中，存在命中與不命中兩種可能，該模塊對本地Cache緩存數(shù)據(jù)讀寫地址進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在讀寫命中情況下，讀寫地址不做轉(zhuǎn)換，直接送往本地存儲器Bank；在讀寫不命中情況下，根據(jù)讀寫地址的高12位進(jìn)行自增操作，完成讀寫地址的轉(zhuǎn)換。

4 設(shè)計實現(xiàn)與性能分析

4.1 設(shè)計實現(xiàn)

在對網(wǎng)絡(luò)適配器、目錄存儲器和高速緩存單元進(jìn)行RTL級設(shè)計，通過編寫幾種典型訪問情況下的測試激勵，使用modelsim進(jìn)行功能仿真后，與視頻陣列處理器虛通道路由器、輕核處理器以及Xilinx定制存儲器IP互連，通過Xilinx的Virtex-6系列xc6vlx550T開發(fā)板對設(shè)計進(jìn)行硬件測試，具體參數(shù)如表1所示。

表1 多層次分布式存儲結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過Xilinx ISE對設(shè)計進(jìn)行綜合，綜合結(jié)果如表2所示。

表2 FPGA綜合結(jié)果

由于訪問延遲與片上Cache個數(shù)、地址映射策略、寫替換策略、實時共享狀態(tài)以及路由器的路由算法密切相關(guān)，圖9和圖10分別給出了采用最近最少用和寫回的替換策略、4路組相聯(lián)的地址映射策略以及采用XY維序路由算法在4×4的陣列結(jié)構(gòu)中，幾種典型情況下共享存儲層數(shù)據(jù)訪問的最小延遲周期數(shù)。

私有存儲層中，可無沖突讀寫訪問，讀數(shù)據(jù)需要2個時鐘周期，寫數(shù)據(jù)只需1個時鐘周期。共享存儲層中，在讀命中情況下，數(shù)據(jù)訪問只需1個時鐘周期，在寫命中情況下，數(shù)據(jù)訪問需要3個時鐘周期。在讀不命中和寫不命中情況下，由于存在Cache一致性開銷會導(dǎo)致訪問延遲增大，但對本地存儲器Bank的訪問延遲要明顯低于遠(yuǎn)程存儲器Bank的訪問延遲。

4.2 性能分析

圖9 讀數(shù)據(jù)訪問延遲

圖10 寫數(shù)據(jù)訪問延遲

本文采用verilog硬件描述語言進(jìn)行RTL級設(shè)計，設(shè)計并實現(xiàn)了一種多層次分布式存儲結(jié)構(gòu)。在文獻(xiàn)[15]中使用SystemC硬件描述語言，設(shè)計并實現(xiàn)了一種Cache結(jié)構(gòu)的仿真平臺，并對兩種Cache結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真。本文結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[15]訪問延遲對比結(jié)果如表3所示。

表3 訪問延遲對比結(jié)果

在讀寫不命中情況下，由于本文所設(shè)計的共享存儲層中，16個L1級Cache與分布式存儲器一一對應(yīng)，本地Cache與PE距離較近，故與文獻(xiàn)[15]相比，讀寫延遲較小；在讀命中情況下，本文設(shè)計的結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[15]的結(jié)構(gòu)相同，故延遲相同；在寫命中情況下，由于需要更新Cache中狀態(tài)信息，延遲有所增加。

文獻(xiàn)[16-17]針對視頻和圖像處理，設(shè)計了不同的存儲結(jié)構(gòu)，本文結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[16-17]陣列處理器存儲結(jié)構(gòu)對比如表4所示。

在文獻(xiàn)[16]的V-RCA結(jié)構(gòu)中，采用寄存器文件對數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存，雖然有利于提升數(shù)據(jù)的訪存速度，但面積消耗較大，數(shù)據(jù)交互時每次數(shù)據(jù)訪存位寬為128位，通過集中式的數(shù)據(jù)分發(fā)與接收模塊進(jìn)行存儲管理，無疑增加了數(shù)據(jù)訪存的復(fù)雜度。文獻(xiàn)[17]的PAAG模型中，由于沒有寄存器文件，通過東西南北4個方向的鄰接共享存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和緩存，適用于流水化設(shè)計，但由于鄰接共享存儲器容量有限且沖突概率較大，無法滿足HEVC算法對存儲訪存的要求。本文設(shè)計的多層次分布式存儲結(jié)構(gòu)中，對臨時數(shù)據(jù)通過獨立的私有存儲器緩存，對需交互的數(shù)據(jù)通過多個Cache和分布式存儲器構(gòu)成的共享存儲層進(jìn)行PE間通信，滿足了視頻算法對訪存的需求。

表4 陣列處理器存儲結(jié)構(gòu)對比結(jié)果

5 結(jié)束語

針對高清視頻編解碼算法需大量訪存的要求，結(jié)合視頻算法的訪存特點，設(shè)計并實現(xiàn)了一種多層次分布式存儲結(jié)構(gòu)。通過Xilinx公司的FPGA開發(fā)板進(jìn)行驗證，實驗結(jié)果表明，在無沖突情況下，16個PE同時發(fā)送讀寫訪問，此時帶寬達(dá)到峰值9.73 GB/s，在滿足視頻編碼算法訪存要求的同時，保證了結(jié)構(gòu)的可擴展性。

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