在指令集和微結構方面，專用處理器用的技術基本上都是在通用處理器發展過程中探索過的東西。要說專用處理器設計最為特殊的地方，我個人認為應該是設計方法（方法學）和工具。專用處理器設計成功與否完全由目標應用來檢驗，而應用的多樣性也決定了專用處理器的多樣性。這種多樣性不僅反映在軟硬件設計本身，也反映在設計方法和工具上。

　　之前我們已經看到過上面這幅圖了。應該說這里展示的domain-specific computing的概念既包括了專用處理器（圖中的ASP，Application Specific Processor）設計和也包括了相應的工具開發。下面我們就結合這副圖，把DNN作為一個domain，討論一下專用處理器的設計方法和各種工具。

　　Domain Modeling

　　首先是對特定領域（domain，比我們說的目標應用的概念要更廣泛一下）進行建模，把需求模型化和量化，作為后續工作的評價標準。建模可能會使用特殊的語言擴展或者數據流圖的形式，比如在DNN領域經常使用的Tensorflow就是典型的例子。

　　Domain Model是后續開發的基礎，據此可以得到兩個重要的中間描述：一個是用于硬件架構設計的Domain Characteristics；另一個是用于生成C/C++應用代碼（當然也可能是其它語言）的Application Model。這里的具體名稱并不太重要，重要的是一個domain model需要經過處理，分離出指導硬件設計和生成應用軟件代碼的兩部分信息。

　　HW Architecture design和Architecture Model

　　硬件架構設計的主要工作是設計專用的計算引擎（Customized Computing Engine）和互連機制（Customized Interconnection）。比如在CNN加速器中比較常見的由PE（Processing Engine）組成的2D mesh網絡，PE就是專用的計算引擎，2D網絡就是適應CNN 2D卷積特征的互連機制。

　　硬件架構設計還要輸出一個架構模型。而這個硬件架構模型也是整個設計方法中重要的一環。一方面，這個架構模型可以生成虛擬原型系統（Virtual Prototyping）；另一方面，它也是程序代碼映射工具（Source-to-source mapper）的輸入，而代碼映射功能用于將一些特殊的模型轉換為C/C++這類傳統的編程語言（這類語言有很好的工具進行處理），同時輸出Analysis Annotations，用于指導硬件設計和軟件工具鏈的前端設計。

　　虛擬原型（Virtual Prototyping）

　　我們通常說的Prototyping一般指基于FPGA或者測試芯片（testchip）系統原型，即用于驗證硬件設計，又可以debug固件，操作系統和應用程序。但是開發硬件原型系統本身也是一項費時的工作，并且要等等所有硬件設計完成了才能實現。虛擬原型則是個純軟件的仿真器。最常見的方式是使用SystemC這樣語言（抽象層次更高）來對硬件進行建模，而不是直接使用RTL級的硬件模型。建模的抽象層次提高雖然會損失一些細節，但好處是開發便捷（C++編程），仿真速度快。和硬件的原型系統相比，虛擬原型可以在項目開始階段就開發完成，提供給軟件開發人員，而不需要等到硬件準備好。最后，虛擬原型是純軟件仿真，很容易debug，也很容易部署。虛擬原型是個有趣的話題，以后有機會可以專門講一下。

　　計算引擎硬件實現

　　這里把計算引擎分為三種：專用處理器（ASP），硬件加速器（HW Accelerators）和可編程陣列（Programing fabric）。前兩種我們都介紹過，第三種的硬件結果類似于FPGA，差別是這里的邏輯電路陣列也是根據應用定制的。實現這三類計算引擎可以靠工程師完成，也可以借助專門的工具，比如，High-level Synthesizer（高層次綜合工具，也有叫行為級綜合的）可以把C，systemC甚至Matlab代碼（當然有一定的約束）自動綜合成硬件設計（RTL代碼）。也有一些工具可以根據特殊的處理器描述語言，如Synopsys的LISA，NML和RISC-V處理器用的Bluespec等，自動生成RTL代碼。這其實也是ESL（Electronic System Level）級設計考慮的問題，有興趣的讀者可以自己深入研究。

　　這里插一句，自動生成RTL代碼看起來高大上，實際也沒那么難。記得10年前在SiliconHive（也是一個做專用處理器和工具的公司，后來被Intel收購了）實習做NoC的時候，RTL代碼就是從XML描述里自動生成的。其實就是大家平時形成的好習慣：RTL代碼盡量用腳本生成，積累起來也就成了自己的自動化工具。

　　這之后的工作主要就是將計算引擎和互連機制集成在一起，并且實現硬件的原型系統。互連機制的設計也有很多內容，這里就暫不深入了。

　　軟件開發工具鏈

　　圖的右半部分就是軟件開發的工具鏈，這個和我們傳統上說的工具鏈基本是類似的，即從C/C++的源代碼，經過一系列的工具，生成運行在最終硬件上的機器代碼（可以有很多形式）。工具鏈主要包括，前端（front end）后端（back end）和runtime。這里和通用CPU的工具鏈的主要差別在于back end和runtime，因為這兩部分和硬件架構（指令集和微結構）關系密切。對應專用處理器的硬件，主要體現在customized和adaptive這種特征。

　　不過這里還有一些輔助性的工具，比較典型的比如debuger，就不細說了。

　　總 結

　　1. 專用處理器雖然特殊，但設計方法和工具是有普遍性的，這也是研究方法學的價值所在。2. 設計方法往大說是方法學，但在實際的工程中體現為任務，流程和工具，設計專用處理器的過程也是優化方法學的過程。3. 專用處理器設計面向應用，往往有比較高的Time to Market要求，因此從架構探索到RTL生成到原型驗證，都要盡量利用自動化工具提高設計的效率，自己設計小工具并且不斷積累是很好的實踐；4. 采用專用處理器的系統往往是軟硬件緊密協同的系統，設計方法上最重要的理念是軟硬件的聯合優化：在設計硬件的時候充分利用對應用軟件的分析；而在設計軟件工具鏈的時候也要充分結合硬件架構的特點；Architecture Model和Analysis Annotations就是軟硬件設計和工具間的橋梁。