多核嵌入式系統(tǒng)的節(jié)能機(jī)遇與策略

　　本文列舉了多核嵌入式系統(tǒng)存在的一些主要局限，并對解決這些局限的可行方案進(jìn)行了探討。將以一些嵌入式系統(tǒng)為例，指出利用現(xiàn)有架構(gòu)改進(jìn)系統(tǒng)節(jié)能效果的機(jī)遇。多核處理器與新興的嵌入式平臺的結(jié)合能夠滿足現(xiàn)代嵌入式應(yīng)用所需的高計(jì)算能力。但是，此類嵌入式應(yīng)用需要進(jìn)行高頻切換，這將導(dǎo)致功耗較大、芯片溫度過高，以及電源接地噪聲。開發(fā)人員可以通過本文找出改進(jìn)現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)節(jié)能效果的機(jī)會，并了解實(shí)現(xiàn)電源效率最大化的可行方案。

　　多核處理器的自主節(jié)能

　　本文以甲骨文（Oracle）/SunMicrosystem公司的UltraSPARC T1處理器為例展開論述。選擇UltraSPARC T1的原因是，其設(shè)計(jì)源代碼、仿真工具及設(shè)計(jì)驗(yàn)證套件均為開源，而且可以從Oracle公司網(wǎng)站上下載。本文將利用此案例討論從哪方面以及通過何種方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

　　圖2顯示了與處理器每個(gè)內(nèi)核相關(guān)的陷阱邏輯單元。陷阱實(shí)現(xiàn)了軟件從低級到高級特權(quán)模式（例如從用戶模式到管理或監(jiān)督模式）的控制矢量傳遞。就UltraSPARC T1處理器而言，Tcc指令以及因指令引起的異常、復(fù)位、異步錯(cuò)誤或中斷請求均會導(dǎo)致陷阱的發(fā)生。

　　圖2：陷阱邏輯單元

　　通常，陷阱會導(dǎo)致SPARC流水線被沖刷（Flush）。處理器狀態(tài)將被存儲在陷阱寄存器堆棧中，而陷阱處理程序代碼則將被執(zhí)行。控制的實(shí)際傳遞是通過含有每個(gè)陷阱處理程序前八個(gè)指令的陷阱表來實(shí)現(xiàn)的。用于將陷阱傳遞到特權(quán)模式中的表格的虛擬基址在陷阱基址（TBA）寄存器中被指定。表格中的位移則取決于陷阱的類型和當(dāng)前的陷阱級別。當(dāng)遇到DONE（完成）或RETRY（重試）指令時(shí)，陷阱處理程序代碼執(zhí)行完畢。陷阱可能與SPARC內(nèi)核流水線同步或異步。圖2顯示了與SPARC內(nèi)核其他硬件模塊相關(guān)的TLU中的陷阱控制和數(shù)據(jù)流。從IFU、EXU、LSU及TLU傳入的陷阱的優(yōu)先級最先被解析，解析的陷阱類型被確定。根據(jù)陷阱類型，以及在隊(duì)列中沒有其他更高優(yōu)先級的中斷或異步陷阱待處理的情況下，系統(tǒng)將向LSU發(fā)送沖刷信號，以提交之前未完成的所有命令。此外，陷阱類型也決定了什么樣的處理器狀態(tài)寄存器需要被存儲到陷阱寄存器堆棧中。之后，將選擇陷阱基址并將其發(fā)往流水線做進(jìn)一步執(zhí)行。

　　圖3：芯片框圖

　　圖3顯示了多核嵌入式處理器的芯片布局。該處理器有可變數(shù)量的內(nèi)核、L2緩存體（bank）、內(nèi)核外浮點(diǎn)單元（FPU）及輸入輸出邏輯，而且它們通過芯片上的網(wǎng)絡(luò)互連。在CASPER仿真環(huán)境中，設(shè)計(jì)師可以對各種架構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修改。

　　節(jié)能機(jī)遇

　　對于上述多核嵌入式處理器，已確定了以下內(nèi)核級和芯片級節(jié)能候選元素（PSC）：

　　1.寄存器文件，即線程專用單元。每個(gè)線程都有一個(gè)160雙字（64位）的寄存器文件，而且當(dāng)線程的某個(gè)任務(wù)被阻塞或空轉(zhuǎn)時(shí)可以節(jié)省大量功耗。

　　2.數(shù)據(jù)緩存未命中時(shí)，用以排列數(shù)據(jù)的加載未命中隊(duì)列（LMQ）。線程之間可以共享加載未命中隊(duì)列，但通過這種方法節(jié)省的功耗較少。

　　3.分支預(yù)測器。分支歷史表可以是線程專用的，因此可以節(jié)省大量功耗。

　　4.當(dāng)內(nèi)核中所有線程的所有任務(wù)發(fā)生阻塞或空閑時(shí)，或沒有任務(wù)被調(diào)度到內(nèi)核中的任何線程時(shí)，整個(gè)內(nèi)核可以節(jié)省大量功耗。

　　5.內(nèi)核中用于硬件和軟件中斷的陷阱單元。研究結(jié)果顯示，在UltraSPARC T1處理器中，用于典型SPECJBB網(wǎng)絡(luò)處理應(yīng)用的陷阱指令在所有指令中所占的百分比還不到1%。這表明，陷阱單元是非常好的潛在節(jié)能元素。請注意，雖然在大部分時(shí)間內(nèi)其余的陷阱邏輯可能處在節(jié)能模式下，接收陷阱的輸入接收隊(duì)列需一直保持在活躍狀態(tài)，但隊(duì)列的功耗可以忽略不計(jì)。

　　6.在緩存體和輸入輸出緩沖器之間控制數(shù)據(jù)流的用于L2緩存的DMA控制器。

　　7.內(nèi)核和L2緩存體之間的命令和數(shù)據(jù)隊(duì)列。

　　8.當(dāng)需要訪問片外緩存或主存儲器時(shí)，只有在片上L2緩存有緩存未命中時(shí)才會被激活的緩存未命中路徑邏輯。