- 利用MIPS多線(xiàn)程處理器優(yōu)化SoC設(shè)計(jì)

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　　圖2b：1004K頂層架構(gòu)。

　　多線(xiàn)程應(yīng)用實(shí)例

　　當(dāng)決定多線(xiàn)程系統(tǒng)是否適用于一個(gè)特定應(yīng)用時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮幾個(gè)因素。首先，設(shè)計(jì)人員必須考慮軟件和所需的功能集，包括不同的任務(wù)、可能分割這些任務(wù)的方式、每個(gè)任務(wù)的性能需求、不同任務(wù)的總線(xiàn)互動(dòng)、多媒體等任務(wù)的特殊需求，以及其他考慮因素。其他主要考慮因素包括任務(wù)、安全性，當(dāng)然還有功耗和成本的協(xié)調(diào)程度。

　　的確，分析起來(lái)往往不太簡(jiǎn)單，因此很好地理解重點(diǎn)至關(guān)重要。例如，如果目標(biāo)是以最低的成本實(shí)現(xiàn)最高的IPC，設(shè)計(jì)人員就可以創(chuàng)建多線(xiàn)程系統(tǒng)來(lái)利用單個(gè)內(nèi)核中不同的線(xiàn)程，并運(yùn)行在最高頻率下。在另一個(gè)設(shè)計(jì)中，功率可能是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，所以設(shè)計(jì)人員可以選擇將任務(wù)分布于多個(gè)內(nèi)核的多個(gè)線(xiàn)程，并降低頻率以減少功耗。MIPS-Based多線(xiàn)程系統(tǒng)的關(guān)鍵是可擴(kuò)展性，在需要時(shí)幫助設(shè)計(jì)人員達(dá)到盡可能高的性能，而當(dāng)性能并不是最優(yōu)先考慮時(shí)，則可以縮減可擴(kuò)展性。另一個(gè)例子是，一個(gè)系統(tǒng)可能需要運(yùn)行2個(gè)操作系統(tǒng)，同時(shí)要滿(mǎn)足非常嚴(yán)格的QoS和成本限制。設(shè)計(jì)人員可以利用兩個(gè)VPE運(yùn)行軟件，其中一個(gè)運(yùn)行RTOS，另一個(gè)運(yùn)行bare iron，同時(shí)完全隔離語(yǔ)音或視頻等QoS敏感的應(yīng)用。這些都可以在不運(yùn)行第二個(gè)內(nèi)核的情況下實(shí)現(xiàn)。以下例子的使用模型已經(jīng)部署在用于汽車(chē)和網(wǎng)絡(luò)的MIPS-Based多線(xiàn)程SoC中，證明了廣泛的應(yīng)用都可以受益于多線(xiàn)程。

　　1.汽車(chē)駕駛輔助系統(tǒng)

　　多線(xiàn)程系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)際部署的第一個(gè)例子來(lái)自一家基于視覺(jué)的駕駛輔助系統(tǒng)(DAS)的SoC領(lǐng)先供應(yīng)商。圖像和視頻分析在性能和成本方面的進(jìn)步使這些技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)。但是，對(duì)這類(lèi)技術(shù)的不斷改進(jìn)是一個(gè)非常艱巨的任務(wù)。例如，該SoC供應(yīng)商使用了34K處理器的多線(xiàn)程功能，大幅提高了其視覺(jué)系統(tǒng)(原本基于單線(xiàn)程內(nèi)核)的性能和效率，系統(tǒng)接收來(lái)自攝像頭的數(shù)據(jù)，查找圖像中的元素，生成車(chē)道偏離、前向碰撞、視覺(jué)/雷達(dá)融合及行人偵測(cè)等警告。

　　該SoC系統(tǒng)采用一系列圖像處理引擎作為外圍設(shè)備到主CPU總線(xiàn)的連接，以提供和接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在這個(gè)系統(tǒng)中，大量的數(shù)據(jù)和指令從CPU傳輸?shù)綀D像處理引擎。伴隨著典型的指令緩存未中，這導(dǎo)致了單線(xiàn)程CPU無(wú)法解決的極具挑戰(zhàn)性的瓶頸。事實(shí)上，供應(yīng)商的原始系統(tǒng)具有一個(gè)僅為0.3的IPC。新系統(tǒng)采用一個(gè)單線(xiàn)程架構(gòu)，由于其性能要求很高，這意味著要么放慢整個(gè)系統(tǒng)，要么跳過(guò)數(shù)據(jù)處理，因而有可能導(dǎo)致錯(cuò)誤。增加CPU時(shí)鐘速度更加劇了這一問(wèn)題，因?yàn)檫@只是增加了處理器暫停的頻率。此外，增加的額外內(nèi)核增加了總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)數(shù)量，從而影響了實(shí)時(shí)帶寬。

　　通過(guò)仿真，設(shè)計(jì)人員的結(jié)論是，一個(gè)多線(xiàn)程系統(tǒng)將通過(guò)管理整個(gè)系統(tǒng)包括8個(gè)圖像處理引擎的多個(gè)操作來(lái)性能提升。他們采用了一個(gè)4線(xiàn)程34Kf內(nèi)核與8的圖像處理引擎互動(dòng)。一個(gè)QoS管理器起到了調(diào)整和優(yōu)化關(guān)鍵線(xiàn)程的重要作用。實(shí)際上，這種架構(gòu)有助于將IPC從0.3提高到0.9。使用QoS管理器對(duì)IPC從0.6到0.9非常關(guān)鍵。此外，有了如此高的IPC，增加的CPU時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)了顯著的改善。事實(shí)上，由于利用了其多線(xiàn)程和其他架構(gòu)的改進(jìn)，供應(yīng)商只需將頻率從110MHz適度地增加至166MHz，同時(shí)維持3W的功耗(這是前一代產(chǎn)品的功耗)，就能夠?qū)崿F(xiàn)其性能目標(biāo)。此外，第二個(gè)34Kf內(nèi)核的實(shí)例可以支持一個(gè)用戶(hù)的專(zhuān)有算法。在這兩個(gè)處理器線(xiàn)程之間的通信是通過(guò)對(duì)一個(gè)線(xiàn)程間通信塊的修改來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這實(shí)際上有助于提高系統(tǒng)一致性。對(duì)于未來(lái)的系統(tǒng)，將要求更高的性能和更低的成本。該SoC供應(yīng)商將會(huì)采用一個(gè)4內(nèi)核1004Kf CPS，以確保設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足這些目標(biāo)。

　　2.寬帶CPE/住宅網(wǎng)關(guān)

　　住宅網(wǎng)關(guān)是另一個(gè)面臨日益集成的系統(tǒng)。寬帶客戶(hù)端設(shè)備已經(jīng)發(fā)展到不僅是提供DSL、有線(xiàn)或PON等寬帶服務(wù)等基本接入的調(diào)制解調(diào)器設(shè)備。它們已成為集成式住宅網(wǎng)關(guān)或集成式接入設(shè)備，其中包括路由/交換、雙絞線(xiàn)/同軸/電源線(xiàn)/WiFi網(wǎng)絡(luò)功能、安全、USB和VoIP支持等，以及基本的調(diào)制解調(diào)器功能。某些架構(gòu)還集成了存儲(chǔ)功能，其中的網(wǎng)關(guān)可作為媒體服務(wù)器使用。這種集成使網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性，而多線(xiàn)程可以提高性能和/或改進(jìn)這些設(shè)備的整體架構(gòu)。

　　無(wú)線(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)和寬帶接入半導(dǎo)體市場(chǎng)的全球技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)廠商Ralink Technology已在網(wǎng)關(guān)中成功部署了多線(xiàn)程MIPS-Based SoC。ADSL IAD是Ralink的首個(gè)基于34K內(nèi)核的芯片，目前已批量生產(chǎn)，并已成功部署在歐洲電信運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)中。多線(xiàn)程已被證明非常適合這個(gè)三網(wǎng)融合系統(tǒng)，因?yàn)樗兄诟行У剡\(yùn)行多個(gè)應(yīng)用。此外，通過(guò)使用VPE對(duì)時(shí)間敏感流量進(jìn)行隔離是保證確定性響應(yīng)的關(guān)鍵。該SoC采用一個(gè)34K內(nèi)核和在兩個(gè)VPE上的四個(gè)線(xiàn)程。第一個(gè)VPE即VPE0執(zhí)行三個(gè)線(xiàn)程，支持WLAN、以太網(wǎng)和USB處理，而第二個(gè)VPE即VPE1執(zhí)行一個(gè)線(xiàn)程，支持ATM和VoIP。憑借這個(gè)架構(gòu)，Ralink能夠以單個(gè)器件有效地提供確定性VoIP響應(yīng)，支持多個(gè)應(yīng)用。

　　本文小結(jié)

　　硬件多線(xiàn)程是一種已經(jīng)成為主流的技術(shù)，今天有許多芯片供應(yīng)商在為各種應(yīng)用提供MIPS-Based多線(xiàn)程SoC。本文討論了網(wǎng)絡(luò)和汽車(chē)應(yīng)用，而多線(xiàn)程可以用于任何具有很多并發(fā)任務(wù)，或者是QoS非常重要的系統(tǒng)。其他廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了用于機(jī)頂盒、高端存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的MIPS多線(xiàn)程SoC。而一些評(píng)估已開(kāi)始用于移動(dòng)應(yīng)用中使用的多線(xiàn)程，如智能手機(jī)和平板電腦。作為集成的通信、生產(chǎn)力和多媒體娛樂(lè)設(shè)備，這些設(shè)備的復(fù)雜性還在不斷增長(zhǎng)。多線(xiàn)程將是有效處理多個(gè)移動(dòng)應(yīng)用(其中一些是延遲敏感的應(yīng)用)的理想解決方案。當(dāng)然，可以采用使用多個(gè)內(nèi)核同時(shí)處理線(xiàn)程的強(qiáng)制方法，但是采用多線(xiàn)程是迄今為止實(shí)現(xiàn)IPC和/或QoS性能要求的一個(gè)更完美和成本更低的方法。通過(guò)提供支持硬件多線(xiàn)程的單內(nèi)核和多內(nèi)核產(chǎn)品，MIPS科技具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可幫助設(shè)計(jì)人員以非常具有成本效益的方式開(kāi)發(fā)高性能和低功耗的SoC。