全球對計算功率和性能日益增長的需求已經將嵌入式計算推向多核系統(tǒng)發(fā)展路徑。該遷移帶來一系列復雜的問題：我該如何遷移傳統(tǒng)軟件，使其與多核硬件一起使用？我是否需要通過虛擬化實現(xiàn)更高性能？我如何能夠在一個對我來說可以承擔的功率范圍中獲得所需的性能？通過結合高性能硬件；強大的、用戶友好型軟件和工具；以及廣泛的開放式生態(tài)系統(tǒng)，飛思卡爾可以幫助您解決這些問題和更多其他問題。
雖然向多核的遷移開始于網絡和無線基礎設施等高端應用，多核也開始用于過去應用較少的領域，例如汽車、工業(yè)控制應用的安全關鍵領域、以及打印機和影像應用—可以使用更高速度和功率的任意應用。向全球網絡連接性的遷移給網絡帶來巨大壓力，并增加了對更高處理功率的需求。如果沒有呈幾何級增長的功率，單線程性能無法繼續(xù)提高，這種方法會影響系統(tǒng)成本和可靠性。為了將功率保持在可以管理的等級，應用必須遷移至多核，而不是不斷增加頻率。
實現(xiàn)多核性能等級不像向系統(tǒng)中添加更多內核那樣簡單。當從單核遷移至多核硬件時，出現(xiàn)許多與傳統(tǒng)軟件的遷移有關的復雜問題。總體來看，在這種遷移和多線程編程領域軟件工程師缺乏培訓。虛擬化對于最大限度發(fā)揮多核硬件投資的價值至關重要，是一種截然不同的思考操作系統(tǒng)和資源分區(qū)的方式。當您在解決方案中添加更多處理功率時，多核系統(tǒng)當然無法避免發(fā)生問題：功耗。
飛思卡爾是世界領先的嵌入式處理技術提供商，至今已向世界各地發(fā)送了3億多個通信處理器。我們的多核QorIQ通信處理器、面向片上基站無線系統(tǒng)的QorIQ Qonverge平臺和VortiQa軟件解決方案——在全球有眾多經驗豐富的現(xiàn)場支持工程師和強大、開放的合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)—將我們的嵌入式處理技術帶入新網絡紀元。
軟件問題
向多核遷移路徑中兩個巨大的障礙都涉及軟件。 第一個問題是其中的一項遷移。 用于單處理器順序執(zhí)行程序的數(shù)百萬行傳統(tǒng)代碼必須遷移以便保護投資。 在映射和遷移變得更加簡單和更加高效之前，從單核遷移至多核系統(tǒng)在某種程度上將非常困難。 第二個問題是缺乏關于多核系統(tǒng)編程的基本知識。 從硬件來看，安裝多個內核非常簡單，但是與以前的單核編程相比，多核編程需要不同的思路和不同的培訓。
飛思卡爾在培訓和工具上進行了大量投資，使向多核遷移變得更加簡單。QorIQ多核軟件開發(fā)套件(SDK)和CodeWarrior開發(fā)工具等開發(fā)工具有助于移植流程。飛思卡爾和我們的合作伙伴還提供用于仿真和建模分析的工具，包括處理器分區(qū)的“假設”分析。 開發(fā)人員的培訓始終是需要關注的重點。提供了在多核處理器上重新映射序列應用的流程的真實案例，飛思卡爾還根據(jù)這些研究為開發(fā)人員開發(fā)了應用說明、演示文檔和文章。
飛思卡爾預計約有60%至70%的多核研發(fā)預算都用在軟件而不是硬件上。飛思卡爾始終關注這一點，使多核產品對軟件的適應性非常強。 飛思卡爾在QorIQ平臺架構中設計了許多功能，提高了軟件工程師在遷移舊代碼和編寫新代碼方面的工作效率。之前已經提到，軟件研發(fā)時間占到60%至70%，根據(jù)預計有超過50%的時間用在調試軟件和優(yōu)化性能。飛思卡爾的產品幫助縮短這一時間，并使軟件工程師更加高效。
例如，飛思卡爾的用戶空間數(shù)據(jù)路徑加速架構(USDPAA)軟件比傳統(tǒng)的通過內核訪問驅動器的方式在性能上有很大的提高。該軟件包含通過多個CPU內核支持簡化共享網絡接口和加速器的硬件組件。隊列管理器和緩沖器管理器組件提供了基礎架構，用于與內核、硬件加速器和接口之間往復傳遞數(shù)據(jù)包。軟件通過稱為門戶的硬件組件訪問數(shù)據(jù)路徑加速架構。USDPAA是一款使Linux用戶空間應用能夠通過高性能的方式直接訪問門戶的軟件框架。USDPAA幫助傳統(tǒng)Pthread/用戶空間應用的開發(fā)和移植變得非常簡單。
虛擬化和可視性
多核開發(fā)與單核開發(fā)不同的另一個方面是如何集成軟件和硬件。第一代多核處理器具有相同內核的多個實例。從另一方面來說，飛思卡爾QorIQ Qonverge平臺在一個芯片上混合了處理元件：Power Architecture內核、StarCore DSP和多個加速引擎。未來的產品將在一個芯片上提供更多內核，并且在一個芯片上混合不同的內核類型。最大的區(qū)別是所有內核都將被虛擬化。在一個虛擬化的系統(tǒng)中，應用的每個任務都需要映射至相應的處理模塊。目前，該流程需要很多人力來完成。必須提供以更緊密的方式集成的分區(qū)工具、映射工具和分解工具，使軟件工程師能夠快速可視化分區(qū)，根據(jù)性能、功率、存儲器等執(zhí)行“假如”分析，然后選擇目標實施并執(zhí)行。
下一個步驟是調試應用。該步驟的關鍵是能夠觀察這些復雜芯片的所有等級。大多數(shù)芯片在處理器內核等級都將具有可視性，但是您最終需要完整的內部可視性，包括I/O、存儲器控制器和加速引擎。當您具有可視性以后，您還需要可控制性。
您是否能夠以非常精細的方式控制這些具有許多內核和不同內核類型的高度復雜的芯片？ 您是否能夠控制數(shù)據(jù)的移動方式？為了找到答案，您可以針對數(shù)據(jù)如何移動執(zhí)行快速的“假如”分析。這使您可以獲得系統(tǒng)可視性。然后，您擁有了一個“旋鈕”，您可以從來自“假如”分析的目標方案中獲得更高性能。這涉及軟件和硬件。 芯片中如果沒有正確的調試hook，它將不具有可視性。如果調試hook存在，但是API未將其暴露給工具和調試器，將沒有可視性。如果沒有芯片hook也將沒有可控制性，并且hook應與工具套件集成。
飛思卡爾QorIQ多核SDK和CodeWarrior開發(fā)工具嵌入了廣泛的可視性，可接入至我們的處理器中，因此開發(fā)人員可以完全利用內核和資源，并調試復雜的片上交互。
飛思卡爾的嵌入式管理程序對于虛擬化非常重要，它是嵌入式通信處理領域第一款具有最高性能的處理器。管理程序是系統(tǒng)級軟件，允許多個操作系統(tǒng)訪問常用外設和存儲器資源，并且在多個內核之間提供通信機制。 在一個多核系統(tǒng)中，任務不應以物理的方式映射至處理資源。
如果資源進行虛擬化，那么任何任務都可以訪問任何虛擬資源，以便使工作完成。這使計算資源能夠靈活、有彈性并且不會硬性綁定至任何任務。例如，作為嵌入式應用中的虛擬化選擇，在基于飛思卡爾Power Architecture的多核SoC中支持基于Linux內核的虛擬機(KVM)。這是一個非常復雜的領域，飛思卡爾投入了巨大的資金，以便為客戶提供多核系統(tǒng)最重要的優(yōu)勢之一：靈活的資源使用。
面向多核設計的硬件
由于系統(tǒng)有了更多的多核處理器和處理能力，因此需要將不同應用上的硬件充分利用起來，這些應用在整個系統(tǒng)解決方案內可能并行運行，執(zhí)行不同的任務。在多核系統(tǒng)中，許多不同的應用都需要訪問外設和SoC。例如，您可以在SoC接入多個內核，但是無法始終在系統(tǒng)中增加相應的I/O，因為受到芯片中引腳數(shù)量的限制。為了將八個內核集成至SoC，并且能夠使兩個以太網端口對于不同內核以多個以太網端口的形式出現(xiàn)，您必須添加針對不同應用隔離SoC的不同部分的虛擬化技術。軟件芯片在該單一SoC上運行，同時感知底層硬件具有為其提供的數(shù)量顯著較大的資源。
飛思卡爾的優(yōu)勢之一在于我們如何在SoC中采用該虛擬化并提高性能。當飛思卡爾開始開發(fā)多核SoC時，我們需要基于不同的應用類型以許多不同的方式為其提供安全、可靠的分區(qū)方式。基于現(xiàn)有SoC基礎設施開發(fā)多核SoC的一個常見方式是使用共享總線。但是，該方法限制帶寬和延遲。飛思卡爾從一開始就解決了這些架構挑戰(zhàn)。 利用具有規(guī)模合適的互聯(lián)，因為SoC本身是一個小型網絡，各個SoC組件之間不會爭用資源。從一開始起，針對在我們客戶的系統(tǒng)中指配多核器件的最佳方式，飛思卡爾已經制定了多個架構和應用級決策。
節(jié)省能源
在關注多核能源管理方面，飛思卡爾具有多年的歷史。符合美國的EnergyStar、日本的Top Runner和EU Code of Conduct等協(xié)議使我們的客戶能夠隨時間推移節(jié)省能源。我們的PowerQUICC 8315、8536處理器和QorIQ P1022處理器具有數(shù)據(jù)包無損以太網等功能，可以使設備進入深度睡眠模式。該模式關閉內核和緩存，并從SoC中去掉電源。SoC的各個部分是有效的，并且能夠處理一些關鍵事件，可以在合適的時間、合適的條件下喚醒設備。當有效負載被處理后，它將進入深度睡眠模式。QorIQ P1022處理器用于打印機等EnergyStar設備，并滿足多種能源要求，例如在深層睡眠模式中只有200–300毫瓦的損耗。
飛思卡爾另一個領先的節(jié)電技術稱為級聯(lián)電源管理。在非峰值活動期間，該技術將任務轉向較少數(shù)量的內核，以便空閑內核可以進入最小功率或“昏睡”狀態(tài)。當數(shù)據(jù)包流量再次增加時，該技術允許返回至全負載條件。級聯(lián)電源管理不像節(jié)電技術那樣簡單，它也是一個以更高效的方式分發(fā)數(shù)據(jù)包處理的工作負載管理技術。
成功的多核合作伙伴
知識非常豐富的全球現(xiàn)場工作人員是多核遷移成功的關鍵組件。在多核處理器出現(xiàn)之前，飛思卡爾也幫助我們的客戶通過高性能嵌入式處理器將產品推向全球市場，飛思卡爾在嵌入式處理領域擁有世界最大的現(xiàn)場工程師團隊之一。多核應用的軟件非常復雜。經驗豐富的合作伙伴可以幫助您設計、調試和優(yōu)化。
通過我們的Freescale Connect Partner計劃，飛思卡爾繼續(xù)與嵌入式行業(yè)中的領先軟件和工具公司密切合作，以幫助確保全面的解決方案能充分利用QorIQ架構的優(yōu)勢。飛思卡爾擁有一個開放、廣泛的生態(tài)系統(tǒng)，以便簡化向多核架構的遷移。我們的首選合作伙伴包括Enea、Green Hills、Mentor Graphics和QNX，提供在QorIQ平臺上實現(xiàn)最高性能的優(yōu)化集成解決方案。廣泛的合作伙伴組合包括6Wind、Critical Blue和Wind River，幫助加快向多核的遷移，并縮短上市時間。
行業(yè)正在遇到一個轉折點，那就是通過添加更多內核來解決性能問題將不再能夠提供所需的性能改進。市場正在從簡單直接的方法向更加精密的功率管理和軟件技術轉變。
多核的下一步發(fā)展趨勢是什么？
多核市場的未來將由對于速度更快的硬件的需求推動，以便處理更多工作負載，并解決現(xiàn)有網絡存在的成本壓力問題。服務提供商和OEM必須通過具有更高性能的系統(tǒng)做出響應，以便保持網絡中的流量質量。在I/O性能方面將出現(xiàn)逐步增加，通過這種方式可以確定處理I/O類型和為處理不斷增加的工作負載可以在SoC中使用的內核和存儲器緩存數(shù)量。
雖然硬件是市場的引擎，軟件將決定其過程。通常，開發(fā)工具落后于技術變革。但是，在多核領域，進程應該以其他方式出現(xiàn)。市場將見證廠商投入更多努力幫助開發(fā)人員創(chuàng)建并優(yōu)化多核應用。軟件將提高總體系統(tǒng)性能，因此有許多工具可以為優(yōu)化應用提供支持。通過這些系統(tǒng)將可以交付更多的多核軟件內容—不僅是設備的支持驅動，還包括更多的中間件和虛擬化軟件，以及利用它們的其他參考應用。將提供更多面向多核的優(yōu)化操作系統(tǒng)，以幫助對這些設備進行排程。
總結
多核解決方案可以使互聯(lián)社區(qū)獲得更好的生活質量。無論是用于全球網絡、移動無線基礎設施、智能電網、自動化工廠、智能醫(yī)院、航空航天和國防，我們的高級多核硬件、支持軟件和飛思卡爾全球技術團隊都可以幫助簡化您向多核的遷移。