多處理器內核的三種設計方案

　　三種設計模式

　　1． 平面模式

　　第一種模式是平面模式(Planar Pattern)，這個名稱源于劃分一個通信系統(tǒng)的處理任務的“控制平面”和“數據平面”。它是一個廣泛的和不同類型的多內核設計實例，這種多內核設計統(tǒng)稱為非對稱多處理技術(簡稱“AMP”或“ASMP”)。

　　如果采用平面模式，系統(tǒng)需要劃分成具有顯著不同處理要求的多個自包含模塊。在其標準的通信和媒體處理形式中，該模式的優(yōu)點是在一個專用的DSP或網絡處理器上運行需要進行大量數據處理的算法，同時在一個通用的CPU上保持其它系統(tǒng)軟件的正常運行。這種特殊性意味著平面模式系統(tǒng)通常在專門構件的硬件上實現。由于許多平面硬件設備僅有一個通用CPU內核，因此傳統(tǒng)的單內核工具、操作系統(tǒng)和設計方法都可用來設計和調試系統(tǒng)的通用部分。

　　2． 片上柵格模式

　　片上柵格(Grid-on-Chip，或簡稱“柵格”)模式是平面模式的演繹，包含由許多完全獨立的和網絡互連的節(jié)點組成的任意多處理器系統(tǒng)。柵格是辦公計算機網絡的片上版本，它是共享相鄰物理鏈路但彼此獨立的許多網絡處理節(jié)點。一些文獻將該類型系統(tǒng)稱之為分布式多處理系統(tǒng)，且仍將其歸類到AMP/ASMP系統(tǒng)總類別當中。

　　使用柵格模式的關鍵要求是首先要分割系統(tǒng)，然后找到一個合適的節(jié)點間通信系統(tǒng)。(盡管更高級的柵格系統(tǒng)能夠在運行期間對其自身進行重新配置，但柵格模式系統(tǒng)的設計者需要認真思考系統(tǒng)功能到處理節(jié)點的分配問題。)除分割之外，柵格系統(tǒng)具有三種設計模式中最少的高級設計約束。一旦系統(tǒng)被分割，每個獨立節(jié)點的設計與實現就會如同一個獨立系統(tǒng)一樣進行。柵格系統(tǒng)可在專用硬件上實現，但另一個普遍的選擇是通過采用SMP硬件以及將共享的存儲空間劃分成針對每個內核的片段來建立柵格節(jié)點。

　　柵格模式系統(tǒng)與其它設計相比具有幾個突出的優(yōu)點。首先，它們可以很容易與過去的軟件整合在一起，過去的系統(tǒng)甚至可以在柵格范圍內它們自己的節(jié)點上繼續(xù)完整地運行。此外，柵格系統(tǒng)在判決能力(determinism)和調試能力方面具有明顯的優(yōu)勢。柵格模式系統(tǒng)設計的松散聯結意味著在資源競爭方面不會有多少意外情況，由于熟悉的單內核調試方法可以用于每個孤立的系統(tǒng)節(jié)點，所以調試相對簡單。柵格模式系統(tǒng)的分割特性使其更為強大，但這也是其缺陷的根源所在，因為分割使得它難于再分配資源，這將導致柵格系統(tǒng)在適應將來的和不可預期的要求方面缺乏靈活性。

　圖1：針對圖像處理的平面模式。

圖2：柵格模式系統(tǒng)。

　　3． SMP模式

　　在一個對稱多處理(簡稱“SMP”)系統(tǒng)中，單一映像(single-image)操作系統(tǒng)是運行在兩個或多個共享存儲空間的處理內核的頂層，這些處理器內核實質上是相同的。正如一臺多內核桌面計算機一樣，SMP模式系統(tǒng)可以在一個處理器內核組基礎上動態(tài)地均衡任務。重新分配處理能力以匹配當前任務的這種能力是SMP系統(tǒng)的一大主要優(yōu)點，這也使得SMP系統(tǒng)成為了三種模式中最靈活和適應性最強的模式。利用當今SMP實時操作系統(tǒng)，這種靈活性可以不需要在犧牲任何性能的條件下實現判決或實時響應。

圖3：SMP系統(tǒng)實例。