Design and Implementation of a Multimedia Extension for a RISC Processor

Hoy en día, el contenido multimedia está en todas partes. Muchas aplicaciones utilizan audio, imágenes y vídeo. En los últimos 20 años numerosos avances se han hecho en las tecnologías de compilación y microarquitectura para mejorar el Instruction-Level Parallelism (ILP). A medida que aplicaciones cada vez más exigentes han aparecido, una serie de diferentes microarquitecturas han surgido para afrontar estos nuevos retos. Un gran número de técnicas microarquitecturales han surgido para tratar con ellos: pipelining, superscalar, out-of-order, multithreading, etc. El objetivo primario de todas estas técnicas es aumentan el ILP a nivel de core. Otra alternativa para incrementar el rendimiento es emplear Data-Level Parallelism (DLP). Esta técnica incrementa el rendimiento en aplicaciones con operaciones altamente repetitivas. DLP efectúa la misma operación en múltiples datos. Los primeros procesadores en utilizar DLP fueron los procesadores vectoriales. La gran mayoría de las implementaciones modernas emplean vectores pequeños de tamaño fijo e instrucciones orientadas a multimedia. A este tipo de implementaciones se les conoce típicamente como Single Instruction Multiple Data (SIMD). La actual y próxima generación de dispositivos móviles y embebidos requieren de soporte para aplicaciones multimedia para ser competitivos. La técnica más popular a nivel de micro arquitectura para hacer frente a estos requisitos es utilizar extensiones multimedia además del conjunto de instrucciones tradicional. Su alto rendimiento en operaciones de cómputo además de su hardware simplificado ofrece una gran opción de cara al consumo energéticamente eficiente. Además, sus unidades funcionales y mecanismos de control simples hacen posible el escalar a longitudes de vectores mayores sin demasiada complicación. MIPS surgió como fruto de una investigación académica y desde entonces ha sido una de las arquitecturas preferidas para la enseñanza de Arquitectura de Computadoras en las universidades de todo el mundo. Otras arquitecturas como x86 o ARM resultan ser demasiado complejas de entender para los estudiantes universitarios no siendo suficiente un único curso para su total entendimiento. La gran mayoría de micro arquitecturas populares y comerciales hoy en día poseen de por lo menos una implementación de una unidad de extensión multimedia, conocidas simplemente por unidad SIMD. Algunos ejemplos son, x86-64 (MMX, SSE, AVX), PowerPC (AltiVec), ARM (Neon), MIPS (MDMX, MSA), y así sucesivamente. El presente trabajo se centra en la micro arquitectura MIPS debido a que sigue la filosofía RISC (Reduced Instruction Set Computer) muy de cerca, lo que es deseable, ya que simplifica en gran medida la implementación y es fácil de entender por los estudiantes. La primer implementación SIMD para MIPS fue MIPS Digital Media Extension (MDMX) que apoyó video, procesamiento de píxeles audio y gráficos mediante la introducción de dos vectores formatos de números enteros pequeños. Estos vectores tienen una anchura de 64 bits, en forma de signo de 16 bits sin signo u 8 números enteros de 8 bits. MDMX es bastante antiguo, y nunca llegó a la producción. La más reciente implementación SIMD para MIPS apareció en 2014 como un add-on de MIPS32 / 64 Release 5. Se llama MIPS SIMD Architecture (MSA). Está diseñado para apoyar a los vectores de 128 bits de 8, 16, vectores enteros 32 y 64 bits; Elementos de punto flotante de 16 y 32 bits de punto fijo, o de 32 y 64 bits. Hemos decidido implementar el MSA ISA en una FPGA, junto con una aplicación MIPS-like (soft-core). Debido a que MSA no está diseñado para la computación de propósito general tomamos un núcleo MIPS32 del sitio opencores.org, y lo actualizamos con los elementos necesarios (instrucciones) del MIPS Release 6, así como la micro arquitectura y las unidades de control para utilizar el módulo MSA como un coprocesador. Hemos creado además un banco de pruebas y adaptado algunos micro benchmarks embebidos para probar el coprocesador MSA