基于MIPS 架構的工程技術研究和行業(yè)應用實踐

于 君

(山西集智數(shù)據(jù)服務有限公司, 太原030032)

0 引 言

隨著新一代信息技術產業(yè)的快速發(fā)展,全社會的逐步由信息化、數(shù)字化階段步入了數(shù)據(jù)化、智能化的新階段。 微小型、低能耗的傳感器實現(xiàn)了對于目標環(huán)境的數(shù)據(jù)采集功能,5G、NB-IOT 等長短通信技術實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸功能,數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)了對于數(shù)據(jù)內涵的理解和分析,人工智能實現(xiàn)了數(shù)據(jù)中知識經(jīng)驗的凝練,區(qū)塊鏈實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互的隱私防護和共識可信。

數(shù)據(jù)、算法、算力已經(jīng)成為了大數(shù)據(jù)時代的技術要素,而硬件系統(tǒng)作為軟件算法的基礎載體,其計算和管理性能的提升直接影響到了知識學科、技術應用和產業(yè)跨越的發(fā)展進程,因此中央處理器(CPU,central processing unit)的實時計算處理運算能力成為了未來產業(yè)融合應用的關鍵基礎因素。

1 處理器技術路線

處理器技術架構主要包括復雜指令集(CISC,complex instruction set computer) 和精簡指令集(RISC,reduced instruction set computer)兩大類。 基于CISC 的CPU 結構相對復雜,設計周期較長。CISC 的指令功能較復雜,尋址方式較多,指令使用種類頻次相對集中,可直接通過指令實現(xiàn)存儲器相關操作,因而更適用于復雜功能需求場景下的通用計算機設備。 基于RISC 的CPU 結構更加緊湊,設計周期較短。 RISC 采用統(tǒng)一指令編碼方式,有效提升了解譯效率,指令代碼相對易于學習,因而更適用于特定功能需求場景下的專用計算機設備。

X86 架構屬于CISC 技術路線,主要代表企業(yè)是英特爾Intel 和超威半導體AMD。 ARM(advanced risc machine) 架構和MIPS(microprocessor without interlocked pipeline stages)架構屬于RISC 技術路線。 基于RISC 技術路線的MIPS 架構的工作原理為利用軟件方式避免流水線中的數(shù)據(jù)相關問題［1］。

1981 年,斯坦福大學教授John Hennessy 團隊設計搭建首個MIPS 架構處理器,并于1984 年組建MIPS Computer Systems 公司,1985 年設計誕生R2000 芯片,之后MIPS 架構逐步從傳感器、微控制器向路由設備、數(shù)字電視、游戲機等應用領域延伸。由于MIPS 架構是開源指令集,因此有效降低了中小企業(yè)的研發(fā)成本和授權風險,Wave Computing、Microchip、loongson(龍芯)等行業(yè)領軍企業(yè)將MIPS架構處理器不斷深入到新興產業(yè)領域。

2 基于MIPS 架構處理器的工程技術研究

隨著MIPS 架構處理器的設計生產和制造工藝的不斷升級,其指令集架構(ISA,instruction set architecture)持續(xù)擴展,能耗指標不斷優(yōu)化,運算性能持續(xù)提升,研究人員在相關工程技術領域開展了有益的探索實踐。

在圖像識別算法研究方面,研究人員以2K1000龍芯派為硬件載體,分別對深度學習模型VGG-16、Google Net、Mobile Net 和Alex Net 進行了對比訓練測試［2］,結果顯示Alex Net 識別時間約為3 s,同時識別率達到了97%,在時間效率和準確率方面整體性能最優(yōu)。

在動態(tài)調度算法研究方面,研究人員基于龍芯CPU 小規(guī)模集群機(內核為12 個4 核3B2000)平臺參考計算節(jié)點處理能力對分析數(shù)據(jù)包進行動態(tài)分割［3］,采取處理人物動態(tài)分配策略實現(xiàn)計算節(jié)點同步操作。 采用浮動車數(shù)據(jù)(FCD,Floating Car Data)進行測試驗證,動態(tài)任務調度算法較Min-Min 算法平均等待時長縮短50.91%,CPU 平均利用率高2.59%。

在克隆檢測算法研究方面,研究人員對指令類型序列構建后綴樹進而獲取指令序列之間的克隆信息,通過合并沙礫指令方法提升相鄰克隆代碼分析能力,基于MIPS32 指令集采用Linux 內核和混淆處理的代碼構建不同級別的二進制可執(zhí)行文件代碼樣本［4］,所研究算法在克隆代碼級別3 以上測試性能優(yōu)于NiCad 算法和SimCad 算法,實現(xiàn)了在源碼缺失條件下的細粒度代碼克隆分析。

為了進一步加速推動MIPS 技術路線的行業(yè)應用和人才隊伍,基于MIPS 架構的實驗平臺和開發(fā)系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。 研究人員基于龍芯CPU 搭建了學習實驗箱［5］,可實現(xiàn)基本的串行通信(同步通信和異步通信)功能。 將龍芯3B1500 處理器與ZigBee芯片CC2530 相結合實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的基礎通信、傳感控制等實驗系功能［6］。

3 基于MIPS 架構處理器的行業(yè)應用實踐

基于MIPS 架構處理器在自動控制、儀器儀表、氣象服務、航天裝備和電子消費等領域進行了有益的探索和嘗試,形成了一系列技術成果和應用案例。

3.1 自動控制領域

在計算控制方面,研發(fā)人員采用龍芯3A3000系列芯片和道6.0 操作系統(tǒng)研制指揮控制計算機系統(tǒng)［7］,實現(xiàn)了探測數(shù)據(jù)接收入庫、指揮控制命令交互、數(shù)據(jù)信息狀態(tài)顯示和自動計算決策等功能,系統(tǒng)實時性測試滿足性能要求,時鐘有效性測試中12 h拷機準秒偏差小于±3 ms。

在機電控制方面,研究人員將基于32bit MIPS架構的芯片M3 應用于電動車控制［8］,以電機專用控制芯片M3 為核心,設計實現(xiàn)了具備功率管驅動、電流檢測、過載保護、位置檢測等電路功能的無刷直流電機控制器系統(tǒng),經(jīng)驗證測試該系統(tǒng)在不同負載條件下均可正常啟動,未出現(xiàn)無錯位或失步問題,上下功率MOSFET 柵極波形具有明顯的死區(qū)時間,確保了兩個開關管交替導通,進一步優(yōu)化了控制驅動電機性能。

在運動控制方面,研究人員選用MIPS32 架構CPU 自主設計軟核［9］,通過脈沖型號驅動雕刻刀具運動,同時采用逐點比較插補算法和梯形加減速速度控制算法實現(xiàn)了插補軌跡和變速控制,有效增強了系統(tǒng)的擴展性和移植性,降低研發(fā)成本和研發(fā)時間。

3.2 儀器儀表領域

在PXI 儀器方面,研發(fā)人員采用基于MIPS 的3A3000 系列芯片和基于Linux 內核的麒麟操作系統(tǒng)開發(fā)了面向儀器系統(tǒng)的PCI 擴展(PXI,PCI extensions for instrumentation)設備的驅動程序［10］,實現(xiàn)了設備初始化、啟動、讀寫控制、中斷處理和釋放卸載等功能模塊,將其應用于PXI 儀器設備AMC4311(5.5 位數(shù)字多用表)驗證了驅動程序的正確性和可用性。

在傳感檢測方面,研究人員采用了具備超聲波時間測量、超聲波脈沖發(fā)生器、測溫單元、串口、紅外收發(fā)器等功能的龍芯LS1D 作為核心器件［11］,通過輔以溫度測量、紅外通信、NB-IOT 等外圍電路實現(xiàn)了基于超聲波方法的熱量變化監(jiān)測功能,為火力發(fā)電遠程監(jiān)督診斷提供了低成本、高精度、易操作的數(shù)據(jù)采集方案。

3.3 氣象服務領域

在監(jiān)測設備方面,研發(fā)人員以浪潮DL3010 計算機(龍芯3A 處理器內核)和麒麟操作系統(tǒng)為基礎開發(fā)平臺［12］,實現(xiàn)了氣象雷達工作操控和狀態(tài)監(jiān)測、回波數(shù)據(jù)采存儲集與分析處理等功能,實際測試方位處理分辨率為0.5°,方位控制精度≤0.1°,仰角控制精度≤0.1°。

在氣象預測方面,研發(fā)人員將X86 平臺下的中尺度氣象預報模式MM5 所需的MPICH 等各類支撐軟件庫移植到基于MIPS 技術路線的龍芯3A 平臺［13］,經(jīng)過對比X86 平臺和龍芯3A 平臺分析結果可以得出：對應站點常規(guī)氣象要素及其垂直剖面時間序列仿真預測結果可信且差異不大。

3.4 航天裝備領域

在航天運載方面,研究人員采用龍芯1C300B芯片搭建了基于FlexRay 總線的航天運載火箭信號采編器通信接口單元［14］,經(jīng)測試驗證接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸無誤,丟幀率、錯幀率和誤碼率均為零,測試參數(shù)可以滿足航天運載火箭數(shù)據(jù)的高效穩(wěn)定傳輸需求。 在宇航特殊環(huán)境下,龍芯宇航級抗輻照CPU 應用于北斗裝備星,同時在光纖陀螺、太陽敏感器、地球敏感器等均形成了典型的應用解決方案［15］。

3.5 電子消費領域

在醫(yī)療電子方面,研發(fā)人員以MIPS 指令集的32 位微控制器芯片為核心控制單元［16］,采用4 通道數(shù)字控制模擬電子開關管理模數(shù)轉換芯片,實現(xiàn)了十二導聯(lián)心電監(jiān)測采集(ECG,electrocardiogram)功能,ECG 數(shù)據(jù)可用于心腦血管疾病的早期監(jiān)測和后期診斷。

在協(xié)同辦公領域,研發(fā)人員采用基于MIPS 架構的600MH 處理器的無線同屏器應用于會議應用系統(tǒng)［17］。 無線同屏器實現(xiàn)了基于Wi-Fi 網(wǎng)絡的跨平臺同屏顯示功能,為無紙化移動OA 系統(tǒng)提供了高速、穩(wěn)定、便捷的會議解決方案。

4 結束語

信息技術產業(yè)具有高技術、高投入、高風險、高創(chuàng)新、高滲透等產業(yè)特點,因此,產業(yè)化是一個系統(tǒng)化的持續(xù)性工程。 在人才培養(yǎng)方面,可通過設立專業(yè)化課程體系、搭建校企聯(lián)合實訓、項目化畢業(yè)課題培養(yǎng)等方式進一步加速人才隊伍建設；在技術研究方面,可通過設立開放性研究課題基金、開展技術能力競賽、開展專業(yè)開源社區(qū)服務等方式引導科研人員“學技術、用技術、講技術、傳技術”；在行業(yè)應用方面,可采取設立遷移適配獎勵基金,搭建虛擬開發(fā)團隊,將產業(yè)商業(yè)能力賦予合作中小企業(yè)等方式增強伙伴粘性,實現(xiàn)開放、聯(lián)合、共贏的處理器產業(yè)生態(tài)。