並行處理單元（PPU）是集成在英飛凌AURIX™ TC4x微控制器系列中的輔助處理器。PPU旨在卸載主CPU的信號處理、濾波和其他數學運算，從而為要求嚴格的應用程式（例如即時控制、感測器信號處理和軌跡規劃等）提供高計算能力和縮短執行時間，並且能支援實現簡單的神經網路演算法。
本文將簡要介紹PPU的內部結構、功能和應用領域。
29
Mar . 2024
AURIX™ TC4x 微控制器的並行處理單元(PPU)簡介
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1. PPU內部結構
圖1. TC4x微控製器示意框圖
圖1是TC4x 微控制器示意框圖，圖中右上角是PPU的簡化結構，由標量核（scalar core），向量核（vector core/SIMD core），一級緩存，及其它系統資源組成。
01. 標量核（Scalar Core）：標量核用於執行大量的標量運算，以及任務調度。標量核支援多種算數運算和邏輯運算，還支援硬體浮點運算，從而實現更高的計算效率。另外，標量核提供豐富的硬體功能安全機制，可以輔助實現高功能安全等級的任務。
02. 向量核（Vector core/SIMD Core）：向量核是 PPU 的另一個重要功能模組，專門用於執行向量運算。向量核支援多種向量算數運算、邏輯運算和專用信號處理，支援整型數和浮點運算，從而實現更高的計算效率。向量核還支援多級流水線和 SIMD（single instruction multiple data，單指令多資料）指令，對不同資料同時執行同樣的操作，通過並存執行多個向量運算來提高效率。
03. 一級緩存：一級緩存是PPU用於保存計算輸入和輸出資料的存儲空間。由於結構上和運算核緊密耦合，該緩存可以在PPU 的執行過程中對狀態進行快速讀寫，並且有EDC/ECC保護，從而實現更高的執行效率和更高的可靠性。
04. 其它系統資源：包括用於快速資料搬運的DMA，共用記憶體區等等。
2. SIMD和VLIW 指令
2.1 SIMD（Single Instruction Multiple Data）指令
SIMD（Single Instruction Multiple Data）指令是一種並行指令，可以同時對多個不同資料進行相同的操作。這種指令可以大幅提高計算效率，特別是在執行向量運算時效果更為明顯。
PPU 的 SIMD 指令集包括多種運算指令，如數學運算、邏輯運算等。這些指令都是並行指令，可以同時對多個資料進行操作，從而大幅提高計算效率。例如，PPU 的 SIMD 加法指令可以一次性對多個資料進行加法運算，從而實現更高的計算速度。
下面是一個示例，假設有兩個向量 A 和 B，每個向量包含 16 個 16 位元整數 ，要計算 A 和 B 的和。如果使用不支援SIMD指令的標量核，代碼示例如下，需要進行16次迴圈運算，將不同的A[i]、B[i] 資料依次順序進行加法操作，相當費時。
由此可見，支援SIMD指令的PPU在進行向量運算時，通過降低同樣運算的處理次數，從而有效節省運算時間，提高處理效率。
而如果使用支援SIMD指令的 PPU進行運算，則可以一次完成，假設PPU位寬是256bit（=16*16bit）:
2.2 VLIW（Very Long Instruction Word）指令
VLIW（Very Long Instruction Word）是一種處理器的並行架構，允許在單個時鐘週期內，由處理器的不同部件同時執行多個操作。
例如，如果要執行兩個複向量A和B的乘法 ，結果存儲在向量C中。
C語言實現如下：
如果在標量核上運算，會循序執行下列代碼，並迴圈多次：
PPU內的向量核有三個處理單元，包括兩個浮點運算器，和一個讀取/存儲部件用於將RAM中的資料搬運到核內寄存器。這三個部件可以同時運行，形成指令層面的並行機制，從而實現VLIW指令。
上列代碼由PPU處理，可以將第4和第5行的乘法運算分別分配給兩個浮點運算器同時處理，如下紅框所示。而在下個運算速度內，第7，8，9行的指令可以分配給三個部件同時處理，如下藍框所示。從而將原先需要12條運算速度運行的代碼縮短到9條（12-1-2=9）運算速度，提高執行效率。
3. 應用場
圖2. PPU實現的算法
PPU適用于不同應用場景，圖2 列出了三種較常見的演算法。第一種是將時域信號轉變為頻域信號，以提取頻率資訊的快速傅裡葉變換（FFT）。FFT 在數位信號處理中得到了廣泛的應用，如音訊信號處理、毫米波雷達信號處理等。
第二種是多層感知演算法，它是一種基於人工神經網路的機器學習演算法，可以用於分類、回歸和模式識別等應用。MLP 由多個神經元組成，每個神經元都包含多個輸入和一個輸出。MLP 通過學習輸入和輸出之間的映射關係，從而實現對新資料的預測和分類。MLP 在機器學習和資料採擷中得到了廣泛的應用。除此之外，MLP 還可以用於控制和優化問題。例如，MLP 可以用於控制系統和程序控制，如感測器信號處理分類、輔助駕駛、自動駕駛等。
第三種是卡爾曼濾波，該演算法是一種基於狀態空間模型的濾波器，可以用於估計未知變數的狀態和參數。卡爾曼濾波通過利用系統的動態模型和感測器的觀測值，遞迴地對狀態進行估計和預測，從而實現對系統的狀態進行優化和控制。卡爾曼濾波在自動控制和信號處理中得到了廣泛的應用，例如，卡爾曼濾波可以用於目標跟蹤、路徑規劃演算法等。
開發工具
新思科技（Synopsys）為PPU提供了豐富的開發工具資源【1】，包括Metaware編譯器及軟體元件，下列表格列出了相關工具元件：
上述PPU開發工具鏈，除了新思科技可提供外，Hightec 在提供TC4x TriCore™ CPU編譯器的同時，也集成了Metaware編譯工具，及相關軟體元件【2】，形成完整的TC4x開發環境工具鏈。該工具鏈符合ISO26262 ASIL D，能説明客戶實現快速、可靠、高功能安全等級的基於TC4x微處理器的汽車軟體發展。
此外，Tasking也開發了PPU的編譯器，並集成在新的SmartCode開發環境中。
5. 總結
總的來說，PPU是一個性能強大的處理器，內部包含標量核、向量核、一級緩存和其它系統資源 等，可以實現高速數位濾波、向量矩陣運算、浮點運算、簡單的神經網路等，為要求嚴格的即時計算應用提供了顯著的性能優勢。PPU為Tricore 主核卸載了複雜的信號處理和數學運算，使得執行時間更快，而其高可配置性和專用硬體資源使其非常適用于各種應用程式。使用戶有更多選擇餘地，使用不同核構架實施不同性質的運算。
參考文獻：
1. `Synopsys ARC MetaWare Toolkit for Infineon AURIX TC4x’
https://www.synopsys.com/dw/ipdir.php?ds=sw_metaware-aurix
2. `AURIX TC4x: Safety Solutions from HighTec’
https://hightec-rt.com/en/aurixtc4
3. `TASKING supports application development for Infineon's new AURIX™ microcontrollers’
文章來源：英飛凌汽車電子生態圈