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응용프로그램에 특화된 명령어를 통한 고정 소수점 오디오 코덱 최적화를 위한 ADL 기반 컴파일러 사용

Using a H/W ADL-based Compiler for Fixed-point Audio Codec Optimization thru Application Specific Instructions

정보처리학회논문지. The KIPS transactions. Part A. Part A, v.13A no.4 = no.101, 2006년, pp.275 - 288  

안민욱 (서울대학교 전기컴퓨터공학부) ,  백윤흥 (서울대학교 전기컴퓨터공학부) ,  조정훈 (경북대학교 전자전기컴퓨터학부)

초록
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빠른 디자인 공간 탐색 (Design space exploration)은 응용 프로그램의 동작을 구현하기 위한 임베디드 시스템을 디자인하는데 매우 중요하다. Time-to-market이 디자인의 주관심사가 되어감에 따라 ASIP(Application specific instruction-set processor)에 기반한 접근 방식이 디자인 방법론적으로 중요한 대안이 되고 있다. 이러한 접근 방식에서는 타깃 프로세서의 ISA(Instruction set architecture)를 코드 크기와 실행 속도 측면에서 응용 프로그램에 가장 적합하도록 변경한다. 본 논문의 목적은 우리의 새로운 재겨냥성 컴파일러를 소개하고, 많이 알려진 디지털 신호 처리용 응용 프로그램을 위한 ASIP 기반 디자인 공간 탐색에서 컴파일러가 어떻게 활용될 수 있는지 설명하고자 하는 것이다. 새롭게 개발된 재겨냥성 컴파일러는 이전의 재겨냥성 컴파일러의 기능을 제공할 뿐만 아니라 application 프로그램의 특징을 시각화하고 application 프로그램의 프로파일된 결과를 제공하므로 application의 성능을 증가시키기 위해 어떤 명령어들을 넣어야 하는지를 결정하는데 도움을 준다. 재겨냥성 컴파일러의 ADL(Architecture description language)를 이용하여 타깃 프로세서의 초기 RISC-style ISA을 기술하고, 컴파일러가 응용 프로그램을 위한 어셈블리 코드를 더 최적화할 수 있도록 응용 프로그램에 특화된 명령어를 ISA에 점진적으로 추가해 나간다. AC3 오디오 codec을 위한 실험 결과로부터 우리는 32%의 성능 증가와 20%의 프로그램 크기 감소를 얻을 수 있는 6개의 새로운 특화 명령어를 빠르게 찾을 수 있었다. 따라서 우리는 고성능의 재겨냥성 컴파일러는 특정 응용 프로그램을 위한 새로운 ASIP의 빠른 디자인을 하기 위한 중요한 핵심이라는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Rapid design space exploration is crucial to customizing embedded system design for exploiting the application behavior. As the time-to-market becomes a key concern of the design, the approach based on an application specific instruction-set processor (ASIP) is considered more seriously as one alter...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 다양한 이전 의 연구들[7, 16, 10, 12, 16, 1기은 ADL 기반의 컴파일러가 각 하드웨어 구성의 개발을 빠르고 정확하게 할 수 있게 컴파 일 된 코드를 제공함으로써 디자인 공간 탐색에서 없어서는 안될 중요한 부분임을 보여준다. ADL 기반 컴파일러의 중요성을 검증하기 위해서 우리는 최근에 AC-3 오디오 디코 더를 동작시키기 위한 타깃 프로세서의 최적화된 ISA를 찾 기 위해 ADL 기반의 컴파일러를 실험 대상으로 연구하였 다. 불행하게도 대부분 존재하는 ADL기반의 컴파일러는 상 업용이기 때문에 무료로 연구 목적에 사용할 수 없었다.
  • 이러한 관찰 결과는 복합 명령어들이 보다 나은 코드 생성을 하는데 있어서 어느 정도 범위 내에서는 컴파일러에 게 혜택을 준다는 사실을 확신시켜주었다. 결론적으로 보다 나은 코드 생성에 도움이 되는 복합 명령어를 찾기 위한 컴 파일러 기술을 활용하기 위한 연구를 촉진시켜주었다. 이 논문에서 입증하였듯이 ADL에 기반한 컴파일러는 보다 빠 른 컴파일러 재겨냥을 통해서 각각의 ISA 구성의 성능을 빠르게 평가함으로써 ISA 디자인 공간 탐색을 가능하게 하 였다.
  • 불행하게도 대부분 존재하는 ADL기반의 컴파일러는 상 업용이기 때문에 무료로 연구 목적에 사용할 수 없었다. 그 래서 이번 연구를 위해 (그림 1)에서 보이는 바와 같이 ADL 을 포함하고 있는 새로운 재겨냥성 컴파일러를 개발하였다. 다른 하드웨어 ADL과 마찬가지로 우리의 ADL도 시스템 수 준의 아키텍처를 기술하기 위해 고 수준의 추상화(high-level abstraction)를 제공함과 동시에 아키텍처에 관한 저 수준의 상세함은 사용자에게 숨겼다.
  • 본 장에서 먼저 우리의 재겨냥성 컴파일러의 전체 구조에 대해 논의한다. 그리고 주어진 ISA가 어떻게 ADL로 표현 되는지와 ISA에 맞는 컴파일러를 생성하기 위해 어떻게 ADL이 사용되는지를 보이기 위해 예제를 통해서 우리의 ADL을 설명한다.
  • 본 연구에서 우리는 ADL에 기반을 둔 고성능 재겨냥성 컴파일러에 대하여 특히 관심을 가지고 있다. 다양한 이전 의 연구들[7, 16, 10, 12, 16, 1기은 ADL 기반의 컴파일러가 각 하드웨어 구성의 개발을 빠르고 정확하게 할 수 있게 컴파 일 된 코드를 제공함으로써 디자인 공간 탐색에서 없어서는 안될 중요한 부분임을 보여준다.
  • 앞장에서 언급했듯이 ADL의 주 목적은 ISA의 정확성과 완벽성을 검증할 수 있게 타깃 프로세서를 서술하기 위한 정 형화된 방법을 제공하는 것이다. 따리서 우리의 ADL은 엄격 한 형식론(formaUsm)에 근거하여 정의되었다.
  • 우리의 논문에서 언급된 2개의 그래프 구조 (MOG, OCDFG)는 타깃 아키텍처와 응용 프로그램의 operational behavior를 추상화하여 타당한 복합 명령어를 보다 쉽게 찾 게 하기 위해서 소개되었다. 우리의 실험을 근거로 할 때 재겨냥된 코드에서 얻어진 성능 결과는 복합 머신 명령어들 이 AC-3 코덱 응용 프로그램에 매우 적합함을 명확하게 보 여주었다.
  • 비록 부동 소수점과 고정 소수점 코드는 같은 기능을 가 지고 있지만 기능을 구현하는 하위 레벨의 연산 패턴은 다 소 다르다. 이것을 보이기 위해 본 연구에서 어떻게 변환했 는지를 설명하겠다. 다음은 word 길이 (WL)를 가진 고정 소 수점 포맷을 나타낸다.
  • 이번 논문의 목적은 기본 ISA에 포함시킬 응용 프로그램 에 특화된 명령어를 연구하고 코드생성에서 그것을 활용함 으로써 ASIP의 성능을 향상시키기 위해 우리의 재겨냥성 컴파일러를 사용하고자 하였다. AC-3를 타깃 응용 프로그 램으로 선택한 것은 DSP에서 가장 중요한 응용 프로그램중 의 하나이기 때문이다.

가설 설정

  • 따라서 컴파일러 작업은 정해진 ISA내에서 가장 이상적인 최적의 머신 명령 어 시퀀스를 찾도록 제한되어 있으며 각각의 머신 명령어들 은 소스 코드 내에서의 개별적인 연산들과 일치된다. 반면 에 본 논문에서는 타깃 머신이 고정된 ISA가 아닌 응용 프 로그램에 따라서 보다 나은 성능을 제공하는 유동적인 ISA 를 갖는 타깃 머신을 가정한다. 주어진 응용 프로그램 코드 내에서 주어진 고정된 ISA에 대해 먼저 가장 최적화된 컴 파일된 코드를 찾는다.
  • 이 실험에서 우리는 타깃머신으로 단순한 명령어의 RISC 스타일 ISA를 가진 고정 소수점 프로세서 (fixed-point pro- cessor)를 최초 아키텍처로 가정하였다. 그리고 초기 ISA를 ADL에 기술함으로써 컴파일러는 자동적으로 그 프로세서에 타겟팅 되고 결과적으로 AC-3 코드를 컴파일하기 위해 사 용될 수 있다.
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참고문헌 (23)

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  9. J. Hennessy and D. Patterson. Computer Architecture: A Quantitative Approach, Morgan Kaufman Publishers, 2003 

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  14. P. Lapsely, et al. DSP Processor Fundamentals, Architectures and Features, In IEEE Press, 1997 

  15. J. Lee, K. Choi and N. Dutt. Efficient instruction encoding for automatic instruction set design of configurable ASIPs, In Proceedings of the IEEE/ACM international conference on Computer-aided design, San Jose, 2002 

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  18. H. Scharwaechter, et. al. ASIP Architecture Exploration for Efficient IPSec Encryption: A Case Study, In ACM Transac. on Embedded Computing Systems, Vol.2, No.3, 2001 

  19. R. Stallman, Using and Porting GNU CC. Free Software Foundations, Feb. 1998 

  20. J. Staunstrup and W. Wolf. Hardware/Software Co-Design: Principles and Practice, Kluwer Academic Publishers, 1997 

  21. S. Vernon. Design and implementation of AC-3 coders, In IEEE Transactions on Consumer Electronics, 1995 

  22. Steve Vernon. Dolby Digital: Audio Coding for Digital Television and Storage Applications, In AES 17th International conference on High Quality Audio Coding, September 1999, Florence, Italy 

  23. Coware, Inc. http://www.coware.com 

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