于 君

(山西集智數(shù)據(jù)服務(wù)有限公司, 太原030032)

0 引 言

隨著新一代信息技術(shù)產(chǎn)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(biāo)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集功能,5G、NB-IOT 等長短通信技術(shù)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(nèi)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(hù)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(shù)要素,而硬件系統(tǒng)作為軟件算法的基礎(chǔ)載體,其計算和管理性能的提升直接影響到了知識學(xué)科、技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)跨越的發(fā)展進(jìn)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(chǎn)業(yè)融合應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)因素。

1 處理器技術(shù)路線

處理器技術(shù)架構(gòu)主要包括復(fù)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(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,設(shè)計周期較長。CISC 的指令功能較復(fù)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(guān)操作,因而更適用于復(fù)雜功能需求場景下的通用計算機(jī)設(shè)備。 基于RISC 的CPU 結(jié)構(gòu)更加緊湊,設(shè)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(xué)習(xí),因而更適用于特定功能需求場景下的專用計算機(jī)設(shè)備。

X86 架構(gòu)屬于CISC 技術(shù)路線,主要代表企業(yè)是英特爾Intel 和超威半導(dǎo)體AMD。 ARM(advanced risc machine) 架構(gòu)和MIPS(microprocessor without interlocked pipeline stages)架構(gòu)屬于RISC 技術(shù)路線。 基于RISC 技術(shù)路線的MIPS 架構(gòu)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(guān)問題［1］。

1981 年,斯坦福大學(xué)教授John Hennessy 團(tuán)隊設(shè)計搭建首個MIPS 架構(gòu)處理器,并于1984 年組建MIPS Computer Systems 公司,1985 年設(shè)計誕生R2000 芯片,之后MIPS 架構(gòu)逐步從傳感器、微控制器向路由設(shè)備、數(shù)字電視、游戲機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域延伸。由于MIPS 架構(gòu)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(quán)風(fēng)險,Wave Computing、Microchip、loongson(龍芯)等行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)將MIPS架構(gòu)處理器不斷深入到新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。

2 基于MIPS 架構(gòu)處理器的工程技術(shù)研究

隨著MIPS 架構(gòu)處理器的設(shè)計生產(chǎn)和制造工藝的不斷升級,其指令集架構(gòu)(ISA,instruction set architecture)持續(xù)擴(kuò)展,能耗指標(biāo)不斷優(yōu)化,運算性能持續(xù)提升,研究人員在相關(guān)工程技術(shù)領(lǐng)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(xué)習(xí)模型VGG-16、Google Net、Mobile Net 和Alex Net 進(jìn)行了對比訓(xùn)練測試［2］,結(jié)果顯示Alex Net 識別時間約為3 s,同時識別率達(dá)到了97%,在時間效率和準(zhǔn)確率方面整體性能最優(yōu)。

在動態(tài)調(diào)度算法研究方面,研究人員基于龍芯CPU 小規(guī)模集群機(jī)(內(nèi)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(jìn)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(jìn)行測試驗證,動態(tài)任務(wù)調(diào)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(gòu)建后綴樹進(jìn)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(nèi)核和混淆處理的代碼構(gòu)建不同級別的二進(jìn)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(xì)粒度代碼克隆分析。

為了進(jìn)一步加速推動MIPS 技術(shù)路線的行業(yè)應(yīng)用和人才隊伍,基于MIPS 架構(gòu)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(xué)習(xí)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(jié)合實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)通信、傳感控制等實驗系功能［6］。

3 基于MIPS 架構(gòu)處理器的行業(yè)應(yīng)用實踐

基于MIPS 架構(gòu)處理器在自動控制、儀器儀表、氣象服務(wù)、航天裝備和電子消費等領(lǐng)域進(jìn)行了有益的探索和嘗試,形成了一系列技術(shù)成果和應(yīng)用案例。

3.1 自動控制領(lǐng)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(jī)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(jī)準(zhǔn)秒偏差小于±3 ms。

在機(jī)電控制方面,研究人員將基于32bit MIPS架構(gòu)的芯片M3 應(yīng)用于電動車控制［8］,以電機(jī)專用控制芯片M3 為核心,設(shè)計實現(xiàn)了具備功率管驅(qū)動、電流檢測、過載保護(hù)、位置檢測等電路功能的無刷直流電機(jī)控制器系統(tǒng),經(jīng)驗證測試該系統(tǒng)在不同負(fù)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(guān)管交替導(dǎo)通,進(jìn)一步優(yōu)化了控制驅(qū)動電機(jī)性能。

在運動控制方面,研究人員選用MIPS32 架構(gòu)CPU 自主設(shè)計軟核［9］,通過脈沖型號驅(qū)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(qiáng)了系統(tǒng)的擴(kuò)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(lǐng)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(nèi)核的麒麟操作系統(tǒng)開發(fā)了面向儀器系統(tǒng)的PCI 擴(kuò)展(PXI,PCI extensions for instrumentation)設(shè)備的驅(qū)動程序［10］,實現(xiàn)了設(shè)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(yīng)用于PXI 儀器設(shè)備AMC4311(5.5 位數(shù)字多用表)驗證了驅(qū)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(yuǎn)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(wù)領(lǐng)域

在監(jiān)測設(shè)備方面,研發(fā)人員以浪潮DL3010 計算機(jī)(龍芯3A 處理器內(nèi)核)和麒麟操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)開發(fā)平臺［12］,實現(xiàn)了氣象雷達(dá)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(yù)測方面,研發(fā)人員將X86 平臺下的中尺度氣象預(yù)報模式MM5 所需的MPICH 等各類支撐軟件庫移植到基于MIPS 技術(shù)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(jié)果可以得出：對應(yīng)站點常規(guī)氣象要素及其垂直剖面時間序列仿真預(yù)測結(jié)果可信且差異不大。

3.4 航天裝備領(lǐng)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(yīng)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(yīng)用解決方案［15］。

3.5 電子消費領(lǐng)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(guān)管理模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,實現(xiàn)了十二導(dǎo)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(lǐng)域,研發(fā)人員采用基于MIPS 架構(gòu)的600MH 處理器的無線同屏器應(yīng)用于會議應(yīng)用系統(tǒng)［17］。 無線同屏器實現(xiàn)了基于Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)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(jié)束語

信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)具有高技術(shù)、高投入、高風(fēng)險、高創(chuàng)新、高滲透等產(chǎn)業(yè)特點,因此,產(chǎn)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(shè)立專業(yè)化課程體系、搭建校企聯(lián)合實訓(xùn)、項目化畢業(yè)課題培養(yǎng)等方式進(jìn)一步加速人才隊伍建設(shè)；在技術(shù)研究方面,可通過設(shè)立開放性研究課題基金、開展技術(shù)能力競賽、開展專業(yè)開源社區(qū)服務(wù)等方式引導(dǎo)科研人員“學(xué)技術(shù)、用技術(shù)、講技術(shù)、傳技術(shù)”；在行業(yè)應(yīng)用方面,可采取設(shè)立遷移適配獎勵基金,搭建虛擬開發(fā)團(tuán)隊,將產(chǎn)業(yè)商業(yè)能力賦予合作中小企業(yè)等方式增強(qiáng)伙伴粘性,實現(xiàn)開放、聯(lián)合、共贏的處理器產(chǎn)業(yè)生態(tài)。