如何構(gòu)成理想的CPU內(nèi)核

在不斷發(fā)展的許多重要市場中都可見到多CPU設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)路由是率先廣泛應(yīng)用多CPU設(shè)計(jì)的領(lǐng)域之一。大多數(shù)新一代網(wǎng)絡(luò)處理器都是基于多CPU設(shè)計(jì)的。除了標(biāo)準(zhǔn)NPU，目標(biāo)ASSP也在利用多處理器建立更加優(yōu)化、更有應(yīng)用針對(duì)性的路由解決方案。許多情況下，特殊ASSP是比標(biāo)準(zhǔn)NPU更為有效率的解決方案。ASSP可以集成恰當(dāng)?shù)奈锢斫涌诨蚩紤]片上存儲(chǔ)器的大小，亦或提供最佳的處理器配置。

　　相關(guān)的應(yīng)用如DSLAM和基站或高性能網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備也在利用分治法建立高性能的可編程解決方案。出于成本和/或功耗的原因，甚至終端用戶設(shè)備也在開始利用多CPU實(shí)現(xiàn)最高的性能密度。機(jī)頂盒、住宅網(wǎng)關(guān)，甚至智能移動(dòng)設(shè)備也都在采用多CPU——不僅再是一個(gè)RISC處理器和一個(gè)DSP，而是多個(gè)RISC處理器和DSP。

　　如何構(gòu)成理想CPU內(nèi)核

　　用于多CPU設(shè)計(jì)的理想處理器內(nèi)核必須具有以下一些重要特性。

　　首先最重要的是，它必須可提供出色的性能密度。多CPU設(shè)計(jì)的目的是在每平方毫米或每瓦特?fù)碛斜M量多的性能集合。能夠以最小空間或最低功耗實(shí)現(xiàn)最高M(jìn)IPS的解決方案才是最佳選擇。

　　另一個(gè)需求是處理器間有效的通信。即使許多多CPU設(shè)計(jì)是軟件關(guān)聯(lián)的，仍然需要大量的處理器間的通信。如果沒有用來支持處理器之間通信的結(jié)構(gòu)，那么SoC設(shè)計(jì)師就必須進(jìn)行開發(fā)。這些工作不僅要耗費(fèi)大量時(shí)間，同時(shí)也給設(shè)計(jì)帶來了另一方面的復(fù)雜性。對(duì)于處理器間通信的支持可簡化SoC設(shè)計(jì)師的工作量，也可以縮短開發(fā)時(shí)間，還可以將分區(qū)邊界的低效率降到最低。

　　多CPU設(shè)計(jì)的另一個(gè)挑戰(zhàn)的是調(diào)試。內(nèi)核之間是相互影響和彼此依靠的，因此在調(diào)試SoC時(shí)了解這些交互行為十分重要。CPU需要具備內(nèi)置能力，在進(jìn)行調(diào)試時(shí)能夠完全互動(dòng)。如果沒有這種能力，SoC調(diào)試可能會(huì)迅速變成一場災(zāi)難，也許更糟——變得完全不可調(diào)試。優(yōu)秀的多CPU調(diào)試工具對(duì)于CUP的支持也十分關(guān)鍵，這樣才可以保證SoC設(shè)計(jì)師發(fā)揮嵌入CPU的調(diào)試能力。

　　另外需要考慮的是配置和執(zhí)行CPU內(nèi)核的靈活性水平。在多CPU設(shè)計(jì)中，重要的是在最大限度地降低面積和功耗的同時(shí)使性能最大化，而一個(gè)高度可配置、可合成的CPU有助于設(shè)計(jì)師考慮特定應(yīng)用的面積、功率和頻率。利用硬內(nèi)核或不能配置的內(nèi)核是不可能做的這一點(diǎn)的，它將嚴(yán)重限制執(zhí)行的選擇。

　　考慮到上述因素，MIPS科技發(fā)布了專門針對(duì)多CPU設(shè)計(jì)的CPU內(nèi)核。MIPS32 M4K內(nèi)核具有高性能，不過或許令人驚奇的是，它也是小型的低功耗內(nèi)核，而且還是可合成的，具備低延遲存儲(chǔ)器系統(tǒng)。

　　讓我們來看看M4K內(nèi)核的映射是否滿足上述要求。

　　性能密度

　　性能密度的定義是，以最小的面積提供最高的性能，或是在最小面積上實(shí)現(xiàn)最低的功耗。M4K內(nèi)核可用緊湊的面積和功率限制來提供高性能。該產(chǎn)品可提供大約1.35Dhrystone(整數(shù)和邏輯運(yùn)算性能測試)MIPS/MHz(無需使用其他內(nèi)核使用的受到置疑的編譯器竅門)，采用普通0.13μm工藝的產(chǎn)品可在240MHz(最差情況下)條件下運(yùn)行，采用更高性能的0.13μm工藝的產(chǎn)品可在300MHz條件下運(yùn)行。

　　作為性能密度公式的分母部分，M4K內(nèi)核是一個(gè)非常小和功耗極低的處理器。該產(chǎn)品可配置成像32K門電路，也就是小于0.3mm2的尺寸，而且仍然可以保持整個(gè)MIPS32架構(gòu)的兼容性。該產(chǎn)品的功耗極低，采用0.13μm工藝時(shí)可低至0.10mW/MHz。

　　該內(nèi)核還具有新的增強(qiáng)型MIPS架構(gòu)，可改善重要應(yīng)用功能的性能。這些功能包括優(yōu)先化、矢量中斷及多達(dá)4個(gè)寄存器上下文，以減少中斷延遲和開銷。位域和字節(jié)級(jí)指令可提供高效率的信息包處理。

　　該產(chǎn)品包括自定義指令集擴(kuò)展，SoC設(shè)計(jì)師可利用該功能執(zhí)行所需的專用的、高度集中的應(yīng)用優(yōu)化，并利用定制指令擴(kuò)展M4K中業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的MIPS32指令集。任何寄存器到寄存器或立即存取寄存器指令都可以進(jìn)行添加。定制指令可為單周期或多周期，也可支持新用戶狀態(tài)。這些自定義指令是由內(nèi)核RTL、合成腳本和仿真模式支持的，并可使用GreenHills、Cygnus和Mentor等公司的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)工具。

　　此外，可能最為重要的是，M4K內(nèi)核具有上述所有特性，同時(shí)可保持MIPS32的完全兼容性，并可使用MIPS CPU廣泛的軟件和工具。事實(shí)上，該內(nèi)核是惟一具有定制指令擴(kuò)展和業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的有效的可配置處理器。

　　處理器間的通信

　　在多CPU設(shè)計(jì)中，處理器間必須進(jìn)行通信以控制共享資源的使用。在今天的大多數(shù)多CPU設(shè)計(jì)中，存儲(chǔ)器關(guān)聯(lián)完全由軟件控制，所以通信所需的普通高速緩存關(guān)聯(lián)是不能使用的。

　　M4K內(nèi)核通過外部化MIPS架構(gòu)中的加載關(guān)聯(lián)(LL)行為和條件存儲(chǔ)(SC)來支持多CPU信標(biāo)，以保證對(duì)系統(tǒng)邏輯進(jìn)行必要的監(jiān)控。此外，SYNC指令的行為可提供存儲(chǔ)器排序壁壘，以保證正確的排序語義，也可以提供信號(hào)接口，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供最大的控制和靈活性。

　　如圖2所示，當(dāng)執(zhí)行典型的信標(biāo)存取碼序列時(shí)，LL和SC指令可提供原子型讀-改-寫序列，而無需鎖定整個(gè)系統(tǒng)。

　　例如，在測試和設(shè)置安全自旋鎖定時(shí)，LL指令可在信號(hào)接口產(chǎn)生一個(gè)讀指令，它作為LL由系統(tǒng)進(jìn)行確認(rèn)。然后系統(tǒng)按照該地址設(shè)置監(jiān)控。如果另一個(gè)處理器寫入這個(gè)受到監(jiān)控的地址，監(jiān)控的通過/失敗標(biāo)記就會(huì)被清除。當(dāng)CPU執(zhí)行SC指令時(shí)，系統(tǒng)邏輯根據(jù)監(jiān)控狀態(tài)有條件執(zhí)行對(duì)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)。通過/失敗指令會(huì)返回處理器，而軟件通常會(huì)重復(fù)失敗序列，直到成功為止。

　　同樣，SYNC指令的語義外化可保證系統(tǒng)存儲(chǔ)器壁壘的正確行為。

　　如圖3的例子所示，SYNC被放置在一個(gè)共享緩沖器的最后的存儲(chǔ)與可釋放一個(gè)控制語義的存儲(chǔ)之間。當(dāng)執(zhí)行SYNC指令時(shí)，CPU向系統(tǒng)邏輯發(fā)送信號(hào)，通知CPU等待同步響應(yīng)。一旦系統(tǒng)確認(rèn)指令可以執(zhí)行，就將信號(hào)發(fā)回CPU，允許其后的任務(wù)或存儲(chǔ)繼續(xù)執(zhí)行。一個(gè)簡單的系統(tǒng)可能會(huì)等待所有未完成處理事務(wù)的完成，而一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)可在其列隊(duì)中保持順序，而緩沖器可以更快地做出響應(yīng)。這兩種系統(tǒng)中，CPU軟件和硬件機(jī)制是相同的。

　　M4K處理器間的通信功能是一種優(yōu)異的解決方案，得到了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)工具的全面支持。計(jì)劃利用M4K內(nèi)核實(shí)現(xiàn)多CPU的設(shè)計(jì)師，可以利用這些功能快速而容易地實(shí)現(xiàn)內(nèi)核之間的通信，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間并降低實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)。