隨著人們對(duì)現(xiàn)代通信系統(tǒng)要求的不斷提高，對(duì)處理器的性能要求也在不斷增加。以往滿足不斷增長的系統(tǒng)性能要求的方法是提高時(shí)鐘速度。然而，高速設(shè)計(jì)的壓力和熱問題復(fù)雜性的增加意味著這種方法已經(jīng)接近微處理供應(yīng)商的能力極限。即使近年來工藝技術(shù)有了大幅提高，硅片面積因此也有了顯著縮小，運(yùn)行速度明顯加快，但也無法跟上性能要求提高的步伐。
一種趨勢(shì)是增加額外的處理器。然而，使用額外的處理器會(huì)造成架構(gòu)復(fù)雜性增加、系統(tǒng)功耗上升，更不用說價(jià)格更高的PCB。越來越多的芯片供應(yīng)商開始采用在單塊硅片上集成多個(gè)處理內(nèi)核的設(shè)計(jì)方法。
發(fā)展趨勢(shì)
向高級(jí)電信計(jì)算架構(gòu)(ATCA)和微電信計(jì)算架構(gòu)(uTCA)等業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的趨勢(shì)允許復(fù)用機(jī)箱、機(jī)架和風(fēng)扇組件，從而不僅可以降低總的系統(tǒng)成本(因?yàn)樵试S使用常用組件)，而且能夠通過減輕設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)來縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間，設(shè)計(jì)公司也因而能集中精力于更高層的任務(wù)，例如系統(tǒng)架構(gòu)的開發(fā)。
這一趨勢(shì)的形成原因部分是由于串行/解串器(SERDES)技術(shù)即高速串行接口的出現(xiàn)。SERDES不僅極大地提高了承載卡和背板的數(shù)據(jù)傳輸速度，而且通過取代并行總線架構(gòu)而簡化了設(shè)計(jì)工作，避免了并行總線布線、數(shù)據(jù)扭曲(data skew)、時(shí)鐘負(fù)載等問題。
工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)允許原始設(shè)備制造商(OEM)快速轉(zhuǎn)向更加模塊化的設(shè)計(jì)。AdvancedMC(AMC)的“即插即用”特性能讓處理單元迅速得到替換和/或升級(jí)(至少就硬件來看是這樣)。
當(dāng)然，AMC規(guī)范的這種模塊化特性也是有代價(jià)的，AMC規(guī)范在電路板面積、元件高度和模塊電源方面作的限制給電路板設(shè)計(jì)師提出了新的挑戰(zhàn)。硅片制造商通過努力使這些硅片是AMC“友好的”來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，如使處理器的功耗更低、封裝體積更小，并集成進(jìn)更多的功能，不再需要外圍橋接芯片。
存儲(chǔ)器交錯(cuò)處理技術(shù)
對(duì)于大多數(shù)高性能系統(tǒng)來說，高性能存儲(chǔ)器接口對(duì)保證高吞吐量甚為關(guān)鍵。通常，在較差的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，具有極高性能的處理器常常處于一種無數(shù)據(jù)處理的“饑餓”狀態(tài)。
提高總吞吐量的一種方法是采用存儲(chǔ)器交錯(cuò)處理(memory interleaving)。存儲(chǔ)器交錯(cuò)處理能使處理器在指定時(shí)間內(nèi)讀寫更多的信息，從而有助于減少潛在的瓶頸問題。
交錯(cuò)處理的原理是將系統(tǒng)存儲(chǔ)器劃分成多個(gè)塊。通常存儲(chǔ)器被劃分成2個(gè)或4個(gè)塊。這些系統(tǒng)也被稱為雙路或四路交錯(cuò)系統(tǒng)。即使有兩個(gè)物理上獨(dú)立的存儲(chǔ)器庫，軟件也視之為一個(gè)存儲(chǔ)器塊。
為了實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器交錯(cuò)處理，必須能夠使用一組單獨(dú)的控制線訪問每個(gè)存儲(chǔ)器塊。一旦開始對(duì)第一個(gè)存儲(chǔ)器塊的訪問，對(duì)第二個(gè)塊的訪問也能同時(shí)進(jìn)行。
在交錯(cuò)處理的存儲(chǔ)器系統(tǒng)中，仍有兩個(gè)DRAM物理庫。然而，處理器在邏輯上只看到一個(gè)存儲(chǔ)器庫。對(duì)存儲(chǔ)器的訪問是輪流進(jìn)行的，先是庫1的數(shù)據(jù)，然后是庫2的數(shù)據(jù)，然后又再是庫1的數(shù)據(jù)。邏輯庫的所有偶數(shù)長字存放在物理庫1中，所有奇數(shù)長字存放在物理庫2中(見圖1)。這樣做具有明顯的速度優(yōu)勢(shì)，因?yàn)閷?duì)這些存儲(chǔ)器的存取采用的是獨(dú)立的總線，時(shí)間上可以同時(shí)進(jìn)行。
圖1：存儲(chǔ)器交錯(cuò)處理時(shí)序
千萬不要把存儲(chǔ)器交錯(cuò)與傳統(tǒng)系統(tǒng)中使用多個(gè)存儲(chǔ)器庫相混淆。這些“傳統(tǒng)”系統(tǒng)只是簡單地通過增加存儲(chǔ)器庫來提高存儲(chǔ)器容量，通常插入雙列直插存儲(chǔ)器模塊(DIMM)。雖然新增的庫可能被賦予獨(dú)立的片選線，但它們一般都共享控制線，比如行地址選通(RAS)和列地址選通(CAS)，因此不允許同時(shí)訪問。兩個(gè)存儲(chǔ)器控制器之間的交錯(cuò)能力可以為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供兩大好處：首先，它不需要處理器利用軟件去平衡對(duì)兩個(gè)存儲(chǔ)庫的訪問，而是可以自動(dòng)平衡，因此能讓處理器充分發(fā)揮存儲(chǔ)器控制器的帶寬優(yōu)勢(shì)；其次，它允許一次打開兩倍具有空間方位性的DRAM頁，這樣可以顯著提高打開頁被訪問到的概率，從而減小延遲。
存儲(chǔ)器交錯(cuò)處理過去一直沒有用于嵌入式系統(tǒng)，因?yàn)樾略龃鎯?chǔ)器和支持這種架構(gòu)所需的復(fù)雜芯片組成本都非常高。然而，隨著存儲(chǔ)器成本的不斷下降，PC機(jī)市場(chǎng)的大力推動(dòng)以及大量處理器中集成具有交錯(cuò)處理能力的存儲(chǔ)器控制器，這種技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)走向應(yīng)用。
例如，MPC8641D Power處理器能通過存儲(chǔ)交錯(cuò)技術(shù)訪問集成在內(nèi)部的DDRII DRAM控制器。該處理器支持兩個(gè)DDRII存儲(chǔ)器控制器，存儲(chǔ)器事務(wù)可以根據(jù)地址分派給DDRII控制器1或DDRII控制器2。另外，控制器也可以經(jīng)過配置支持兩個(gè)存儲(chǔ)器控制器之間的交錯(cuò)事務(wù)。兩個(gè)存儲(chǔ)器控制器之間的交錯(cuò)處理可以以緩存線(cache line)或頁為基礎(chǔ)進(jìn)行。
AMC參考平臺(tái)
在仔細(xì)考慮了對(duì)多內(nèi)核AMC卡的要求后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)各種要求之間似乎有矛盾或不一致的地方。初看起來確實(shí)是這樣，例如：高處理器性能但要最小化功耗；雙存儲(chǔ)器庫，要支持交錯(cuò)，但只有有限的電路板面積；不存在系統(tǒng)瓶頸的高速SERDES接口；除了“寬管(Fat Pipe)”外，還要支持“普通選項(xiàng)(common option)”接口。
下面讓以飛思卡爾半導(dǎo)體公司推出的MPC8641D AMC參考平臺(tái)為例(見圖2)，揭示此類架構(gòu)如何克服上述“問題”的。
圖2：MPC8641D AMC卡功能結(jié)構(gòu)框圖
MPC8641D的兩個(gè)內(nèi)核都以1,500MHz速率運(yùn)行時(shí)的處理器典型功耗為32W，也即這款處理器僅需32W功耗就能提供3GHz的Power處理能力。因此給整體設(shè)計(jì)帶來了很大的好處：
1. 功耗的減少可以簡化電源設(shè)計(jì)；
2. 由于需要散發(fā)的熱量少，所以可以用較小的散熱器，同時(shí)由于減少了對(duì)昂貴的專用工具解決方案的需求，設(shè)計(jì)將更簡單、成本也更低；
3. 較小的散熱器能使電路板輕易滿足對(duì)AMC卡的機(jī)械要求；
4. 由于是“較冷”的解決方案，整體可靠性提高了。
MPC8641D支持兩個(gè)獨(dú)立的64位DDRII控制器。這些存儲(chǔ)器控制器是集成在內(nèi)部的，因此不僅簡化了設(shè)計(jì)，而且不再需要使用外部的橋接芯片，從而節(jié)省了寶貴的電路板面積。卡上的DDRII庫在物理上是用分立器件實(shí)現(xiàn)的。這種實(shí)現(xiàn)方法有兩大優(yōu)點(diǎn)：首先，整體解決方案在體積上要小于用DIMM實(shí)現(xiàn)的解決方案；其次，由于分立器件不高，因此可以把這些器件放在AMC卡的反面，并保持在高度范圍之內(nèi)。在MPC8641D AMC卡上，兩個(gè)庫都放在正面，并與處理器相鄰(如圖3所示)。
圖3：MPC8641D AMC卡
由于分立DDRII實(shí)現(xiàn)的高度低，因此需要時(shí)可以安裝較大的散熱器。例如，當(dāng)卡需要在較高溫度或空氣流動(dòng)不暢的環(huán)境下工作時(shí)就需要用較大的散熱器。因此，這種實(shí)現(xiàn)方法具有很大的靈活性。
AMC規(guī)范開發(fā)背后的源動(dòng)力是背板通過SERDES接口可以獲得較高的數(shù)據(jù)速率。像串行RapidIO或PCI Express等高速互連總線就是這樣的接口。通常這些接口需要用專門的橋接芯片或FPGA實(shí)現(xiàn)。這些額外接口芯片可能導(dǎo)致系統(tǒng)中的瓶頸、額外的成本和更大電路板面積等問題。
MPC8641D集成了支持串行RapidIO和PCI Express的兩個(gè)SERDES接口。這種集成式模塊不僅取消了外部芯片，而且避免了潛在的瓶頸問題。由于內(nèi)部集成了這些接口，可以用內(nèi)部DMA引擎直接將數(shù)據(jù)從I/O移動(dòng)到系統(tǒng)內(nèi)存。因此不僅去除了瓶頸，而且無需處理器介入就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。
除了“寬管”外，AMC規(guī)范要求在邊沿連接器上提供“普通選項(xiàng)”區(qū)域。該區(qū)域一般用作兩個(gè)千兆位以太網(wǎng)、SERDES接口。就像"寬管"接口一樣，處理器芯片中也集成了千兆位以太網(wǎng)接口。同樣，這樣做能帶來更小電路板面積、更簡單的設(shè)計(jì)和消除潛在瓶頸等好處。事實(shí)上，MPC8641D支持4個(gè)千兆位以太網(wǎng)端口。在AMC卡上，兩個(gè)千兆位以太網(wǎng)在通用功能區(qū)使用，另外兩個(gè)通過前面板上的RJ45連接器接出來。
當(dāng)然，硬件只是整個(gè)解決方案的一部分。毫無疑問，設(shè)計(jì)最復(fù)雜的部分，事實(shí)上也是最難的架構(gòu)決策需要根據(jù)軟件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
在多重處理系統(tǒng)中，軟件可歸結(jié)為兩種基本選擇，即對(duì)稱多重處理或非對(duì)稱多重處理。采用哪種系統(tǒng)很大程度上取決于總體系統(tǒng)要求，基本上是系統(tǒng)想在輸入/輸出、任務(wù)處理、系統(tǒng)延時(shí)等方面達(dá)到的要求。每種方法都有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
對(duì)稱多重處理方法認(rèn)為只有一個(gè)操作系統(tǒng)高效地?fù)碛邢到y(tǒng)中的所有資源。例如在MPC8641D雙核處理器上，操作系統(tǒng)將每個(gè)內(nèi)核看作一個(gè)資源。對(duì)于非對(duì)稱多重處理，每個(gè)內(nèi)核運(yùn)行一個(gè)獨(dú)立的操作系統(tǒng)。資源一般在各個(gè)處理單元之間分配。
每種方法都允許用戶充分利用設(shè)計(jì)的雙核特性以最大化性能。例如，一個(gè)內(nèi)核處理數(shù)據(jù)任務(wù)，而另外一個(gè)內(nèi)核處理控制任務(wù)。或者，第一個(gè)內(nèi)核將各種任務(wù)卸載給第二個(gè)內(nèi)核。
MPC8641D內(nèi)部支持這些架構(gòu)。例如，針對(duì)數(shù)據(jù)緩存的硬件增強(qiáng)型的、改進(jìn)的/排它/共享/無效(MESI)的緩存協(xié)議可確保緩存一致性。
本文小結(jié)
電信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)是采用能夠最大化電路板面積和功耗等方面的投資回報(bào)的解決方案，因此硅片制造商和電路設(shè)計(jì)師的壓力正在與日俱增，他們不僅需要提高M(jìn)IPS性能，還要最小化功耗和整機(jī)外形。
在硅片供應(yīng)商努力滿足這些要求的同時(shí)，他們開發(fā)的處理器也越來越復(fù)雜，從而給板級(jí)設(shè)計(jì)師帶來了更多的潛在性挑戰(zhàn)。看起來，設(shè)計(jì)多內(nèi)核處理器以滿足AMC規(guī)范要求對(duì)一個(gè)公司來說似乎是個(gè)艱巨的任務(wù)，在外形、熱要求和板級(jí)功能等方面的嚴(yán)格規(guī)范給板極設(shè)計(jì)師和設(shè)備制造商造成了很大的困難。然而，有硅片供應(yīng)商提供的參考平臺(tái)和設(shè)計(jì)保證，這些問題可以迎刃而解。用戶為了縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，紛紛利用硅片制造商提供的參考設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)可以是實(shí)際電路板，也可以是經(jīng)過驗(yàn)證的詳細(xì)設(shè)計(jì)，用戶可以在此基礎(chǔ)上開展他們自己的工作。