淺談多內(nèi)核的幾種設(shè)計(jì)模式

使用多處理器內(nèi)核要求軟、硬件團(tuán)隊(duì)之間進(jìn)行更多的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)合作。基于這種理念，下面是對(duì)采用當(dāng)前開(kāi)發(fā)工具和硬件直接實(shí)現(xiàn)多內(nèi)核系統(tǒng)的三個(gè)簡(jiǎn)單模型的概述。這些多內(nèi)核設(shè)計(jì)模式不是一個(gè)為了嚴(yán)格定義一個(gè)系統(tǒng)的剛性模型，而是針對(duì)思考和探討關(guān)于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)宏偉藍(lán)圖的初始點(diǎn)，以及規(guī)定了一套通用術(shù)語(yǔ)以便軟、硬件團(tuán)隊(duì)都能設(shè)計(jì)出一個(gè)多內(nèi)核系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
　　三種設(shè)計(jì)模式
　　1． 平面模式
　　第一種模式是平面模式（Planar Pattern），這個(gè)名稱(chēng)源于劃分一個(gè)通信系統(tǒng)的處理任務(wù)的“控制平面”和“數(shù)據(jù)平面”。它是一個(gè)廣泛的和不同類(lèi)型的多內(nèi)核設(shè)計(jì)實(shí)例，這種多內(nèi)核設(shè)計(jì)統(tǒng)稱(chēng)為非對(duì)稱(chēng)多處理技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)“AMP”或“ASMP”）。
　　如果采用平面模式，系統(tǒng)需要?jiǎng)澐殖删哂酗@著不同處理要求的多個(gè)自包含模塊。在其標(biāo)準(zhǔn)的通信和媒體處理形式中，該模式的優(yōu)點(diǎn)是在一個(gè)專(zhuān)用的DSP或網(wǎng)絡(luò)處理器上運(yùn)行需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理的算法，同時(shí)在一個(gè)通用的CPU上保持其它系統(tǒng)軟件的正常運(yùn)行。這種特殊性意味著平面模式系統(tǒng)通常在專(zhuān)門(mén)構(gòu)件的硬件上實(shí)現(xiàn)。由于許多平面硬件設(shè)備僅有一個(gè)通用CPU內(nèi)核，因此傳統(tǒng)的單內(nèi)核工具、操作系統(tǒng)和設(shè)計(jì)方法都可用來(lái)設(shè)計(jì)和調(diào)試系統(tǒng)的通用部分。
　　2． 片上柵格模式
　　片上柵格（Grid-on-Chip，或簡(jiǎn)稱(chēng)“柵格”）模式是平面模式的演繹，包含由許多完全獨(dú)立的和網(wǎng)絡(luò)互連的節(jié)點(diǎn)組成的任意多處理器系統(tǒng)。柵格是辦公計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的片上版本，它是共享相鄰物理鏈路但彼此獨(dú)立的許多網(wǎng)絡(luò)處理節(jié)點(diǎn)。一些文獻(xiàn)將該類(lèi)型系統(tǒng)稱(chēng)之為分布式多處理系統(tǒng)，且仍將其歸類(lèi)到AMP/ASMP系統(tǒng)總類(lèi)別當(dāng)中。
　　使用柵格模式的關(guān)鍵要求是首先要分割系統(tǒng)，然后找到一個(gè)合適的節(jié)點(diǎn)間通信系統(tǒng)。（盡管更高級(jí)的柵格系統(tǒng)能夠在運(yùn)行期間對(duì)其自身進(jìn)行重新配置，但柵格模式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者需要認(rèn)真思考系統(tǒng)功能到處理節(jié)點(diǎn)的分配問(wèn)題。）除分割之外，柵格系統(tǒng)具有三種設(shè)計(jì)模式中最少的高級(jí)設(shè)計(jì)約束。一旦系統(tǒng)被分割，每個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)就會(huì)如同一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)一樣進(jìn)行。柵格系統(tǒng)可在專(zhuān)用硬件上實(shí)現(xiàn)，但另一個(gè)普遍的選擇是通過(guò)采用SMP硬件以及將共享的存儲(chǔ)空間劃分成針對(duì)每個(gè)內(nèi)核的片段來(lái)建立柵格節(jié)點(diǎn)。
　　柵格模式系統(tǒng)與其它設(shè)計(jì)相比具有幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。首先，它們可以很容易與過(guò)去的軟件整合在一起，過(guò)去的系統(tǒng)甚至可以在柵格范圍內(nèi)它們自己的節(jié)點(diǎn)上繼續(xù)完整地運(yùn)行。此外，柵格系統(tǒng)在判決能力（determinism）和調(diào)試能力方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。柵格模式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的松散聯(lián)結(jié)意味著在資源競(jìng)爭(zhēng)方面不會(huì)有多少意外情況，由于熟悉的單內(nèi)核調(diào)試方法可以用于每個(gè)孤立的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，所以調(diào)試相對(duì)簡(jiǎn)單。柵格模式系統(tǒng)的分割特性使其更為強(qiáng)大，但這也是其缺陷的根源所在，因?yàn)榉指钍沟盟y于再分配資源，這將導(dǎo)致柵格系統(tǒng)在適應(yīng)將來(lái)的和不可預(yù)期的要求方面缺乏靈活性。
　　
　　圖1：針對(duì)圖像處理的平面模式。
　　
　　圖2：柵格模式系統(tǒng)。
　　3． SMP模式
　　在一個(gè)對(duì)稱(chēng)多處理（簡(jiǎn)稱(chēng)“SMP”）系統(tǒng)中，單一映像（single-image）操作系統(tǒng)是運(yùn)行在兩個(gè)或多個(gè)共享存儲(chǔ)空間的處理內(nèi)核的頂層，這些處理器內(nèi)核實(shí)質(zhì)上是相同的。正如一臺(tái)多內(nèi)核桌面計(jì)算機(jī)一樣，SMP模式系統(tǒng)可以在一個(gè)處理器內(nèi)核組基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)地均衡任務(wù)。重新分配處理能力以匹配當(dāng)前任務(wù)的這種能力是SMP系統(tǒng)的一大主要優(yōu)點(diǎn)，這也使得SMP系統(tǒng)成為了三種模式中最靈活和適應(yīng)性最強(qiáng)的模式。利用當(dāng)今SMP實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這種靈活性可以不需要在犧牲任何性能的條件下實(shí)現(xiàn)判決或?qū)崟r(shí)響應(yīng)。