嵌入式多核技術(shù)方案解析

毫無疑問，多核多線程是未來處理器的發(fā)展方向?；厥滋幚砥鞯陌l(fā)展歷程，并行技術(shù)從指令級的超標量發(fā)展到線程級的超線程或者并發(fā)多線程，再到今天處理器級的多內(nèi)核，總的趨勢都沒有改變。英特爾、Sun和IBM等大公司目前已經(jīng)投身到多核或者多線程技術(shù)的浪潮之中。當今的網(wǎng)絡(luò)應用日趨復雜，對性能的要求不斷提高，無論是需求推動技術(shù)，還是技術(shù)激發(fā)了新的需求，并行技術(shù)都將是未來信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的必然選擇。

對于嵌入式裝置而言，多核技術(shù)可以提供更高的處理器性能、更有效的電源利用率，并且占用更少的物理空間，因而具有許多單核處理器無法具備的優(yōu)勢。與多核解決方案如影隨形的，就是多處理器技術(shù)，也就是在同一塊電路板或同一個集成系統(tǒng)中包含多個處理器。

要想充分發(fā)揮多核以及多處理器解決方案的潛能，僅僅依靠強有力的芯片是不夠的，還需要采用新的編程方法。伴隨著新的編程方法，同樣也需要新 的調(diào)試方法和工具，才能確保軟件和硬件開發(fā)人員在完整的多核系統(tǒng)環(huán)境中展開調(diào)試工作，同時對“編譯—編輯—調(diào)試 ”的流程進行優(yōu)化。

在傳統(tǒng)上， JTAG調(diào)試技術(shù)主要是用于硬件Bring-Up，如今也常常被用于配合基于代理的調(diào)試(agent-based debugging)。然而，在多核和多處理的環(huán)境中，片上調(diào)試(on-chip debugging)正在扮演著越來越重要的角色，因為這種技術(shù)更便于隔離運行在單個或者多個內(nèi)核中不同軟件之間復雜的交互活動，從而幫助開發(fā)人員對操作 系統(tǒng)或者中間件實施更加有效的調(diào)試。

認識多核基本架構(gòu)

多核處理器在同一個芯片中植入了多個處理器引擎，這就可以提供更高的CPU性能、功能特性和分區(qū)能力。一般說來，多核有兩種實現(xiàn)形式。

第一，SMP( Symmetric multiprocessing，對稱多處理)。在這種情況下，開發(fā)人員面對的是單一的抽象化硬件平臺，由SMP操作系統(tǒng)來決定具體由哪一個內(nèi)核來運行哪 個任務，其中每個內(nèi)核都是相同的，而且在同一個操作系統(tǒng)的管理控制之下，共享同一個內(nèi)存。

第二，AMP (Asymmetric multiprocessing，非對稱多處理)。在這種情況下，各個處理器內(nèi)核都運行著各自獨立的操作系統(tǒng)。這種獨立性意味著，其中各個處理器內(nèi)核既可 以是同構(gòu)的，并且運行同樣的操作系統(tǒng)，也可以是異構(gòu)的并運行各自不同的操作系統(tǒng)。

多核環(huán)境顯著增加了系統(tǒng)復雜度，因而在對操作系統(tǒng)和與多核相關(guān)的硬件進行調(diào)試的時候，就必須采用一整套更有效的工具。另外，盡管大家都認為 多核就是指在同一個芯片中放入多個內(nèi)核，但是在實際開發(fā)工作中所遇到的多處理問題，實際上不僅僅局限于在單一芯片中的多個內(nèi)核。事實上，不論這些處理器內(nèi) 核是在同一個芯片之中，或者分布在同一個電路板中的多個芯片之中，甚至同一個系統(tǒng)中的多個電路板之中，開發(fā)人員都必須解決好多處理環(huán)境中的調(diào)試問題。相對 于最近出現(xiàn)的單一芯片多核架構(gòu)，有多個處理器芯片和多個處理器電路板組成的復雜系統(tǒng)已經(jīng)存在很多年了。因此，多處理架構(gòu)的調(diào)試問題其實早已存在，只是單一 芯片內(nèi)多核架構(gòu)的普及將多處理系統(tǒng)調(diào)試問題更加尖銳地擺在了開發(fā)人員面前。

從這個意義上，多年前就開始從事多處理環(huán)境軟件開發(fā)的廠商就積累了更豐富的經(jīng)驗，在應對多核軟件開發(fā)方面站在了更為有利的地位。例如 Wind River公司經(jīng)典的實時操作系統(tǒng)VxWorks在多年前最初的設(shè)計思路就是基于多處理架構(gòu)的，因此不論從運行環(huán)境還是開發(fā)調(diào)試工具任何一方面看，對于多 核環(huán)境的適應能力都比其他工具要強得多。

認識多核調(diào)試難點

多核與多處理技術(shù)的融合為系統(tǒng)調(diào)試帶來了許多新的挑戰(zhàn)，因為系統(tǒng)復雜度不斷增加，要通過優(yōu)化硬件和軟件來充分發(fā)揮其中的性能潛力，難度就更大了。其中最主要的難點有以下幾個方面。

有效地管理內(nèi)存和外設(shè)等共享資源;

在多內(nèi)核、多電路板和多操作系統(tǒng)的環(huán)境中對操作系統(tǒng)和應用代碼進行調(diào)試;

優(yōu)化JTAG接口并充分利用JTAG帶寬;

調(diào)試單一芯片中的同構(gòu)和異構(gòu)多核，進而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)試;

有效地利用JTAG與基于代理的調(diào)試方法，確保不同調(diào)試工具之間的順暢協(xié)同;

確保多核環(huán)境中應用調(diào)試的同步機制。

對于多核JTAG調(diào)試來說，有三種主要的技術(shù)選擇：第一，以單一JTAG接口支持所有內(nèi)核的調(diào)試器;第二，在單一JTAG調(diào)試接口中采用獨 立調(diào)試器的 JTAG多路(Muxing)技術(shù);第三，JTAG鏈接器或者可編址掃描端口(Addressable Scan Port)。

在多核調(diào)試中，上述三個技術(shù)途徑都是在處理同一個核心問題——由SoC廠商所提供的JTAG接口所造成的局限性。 為了節(jié)省成本，許多SoC廠商都只為芯片提供單一的JTAG接口，而不理會其中包含了多少個內(nèi)核。對于開發(fā)者來說，最大的挑戰(zhàn)就是經(jīng)濟有效地使用這些接口 來同步多核以及多處理的調(diào)試工作。其中，單一調(diào)試器方式采用IEEE 1149.1標準daisy-chain方法。

認識多核調(diào)試方法

對于多核架構(gòu)來說，單一調(diào)試器的主流選項仍然是JTAG多路技術(shù)。這種技術(shù)對IEEE JTAG技術(shù)規(guī)范進行了拓展，以便為通過共享JTAG接口連接起來的每個內(nèi)核提供獨立的調(diào)試器。在多路技術(shù)的支持下，通過對希望調(diào)試的內(nèi)核進行注冊登記 (Registering)，開發(fā)人員可經(jīng)由單一JTAG接口訪問多個離散狀態(tài)的內(nèi)核。這種解決方案的最大優(yōu)勢在于它的連接和調(diào)試性能。因為多路技術(shù)單獨 連接到每個內(nèi)核，因而避免了daisy-chaining方法中所遇到的比特位移(bit shifting)方面的麻煩，因而在單芯片中的多核系統(tǒng)中具有更高的性能。這種方式的另一個好處是不需要對開發(fā)工具進行修改，從而可以順暢地應用在多個 開發(fā)項目之中。

多路技術(shù)(Muxing)方法所存在的主要問題是在多內(nèi)核調(diào)試過程中無法同時啟動和停止內(nèi)核來同步應用。如果要停止全部內(nèi)核，開發(fā)人員只能 順序地逐個進行，這就導致了調(diào)用延遲問題。在調(diào)試過程中的延遲問題,會導致很難在內(nèi)核之間的操作系統(tǒng)、中間件和應用中找到發(fā)生問題的確切位置，特別是當運 行在不同內(nèi)核之中的應用存在相互依賴性的時候，這個問題就更為突出。例如，某個產(chǎn)品包含DSP功能和 ARM 9內(nèi)核，其中DSP用來處理視頻流，ARM 9內(nèi)核提供文件系統(tǒng)，那么內(nèi)核的啟動與停止同步將會十分關(guān)鍵。如果調(diào)試過程中在ARM內(nèi)核的啟動和 DSP的停止之間出現(xiàn)過多的延遲，DSP視頻流數(shù)據(jù)很快 就會溢滿ARM文件緩沖區(qū)，而視頻流也將會中止。如果出現(xiàn)這種情況，就很難判斷系統(tǒng)中的問題出在哪里。而且，多路進程也給開發(fā)人員在故障排除時帶來了許多 新的問題，將會大幅度增加調(diào)試時間。

另外，如果在有多個廠商產(chǎn)品組成的異構(gòu)多核環(huán)境中進行調(diào)試工作，例如處理器來自一個廠商，而DSP器件來自另一個廠商，還會有更復雜的問題 需要處理。因為這種情況下的多路(Muxing)機制更為復雜，如果各部分之間的兼容性沒有得到保證，也就很難保證系統(tǒng)正常運行。此時，僅僅依靠多路技術(shù) 是無法解決問題的，開發(fā)人員就需要采用可編址掃描端口(addressable scan port)，這也可能是最后僅有的方法了。這種架構(gòu)需要用到非常特殊的組件，這些組件可以讓開發(fā)人員把 JTAG掃描鏈分割成多個功能組，并通過唯一的地址 來訪問每個功能組。這是一種多支路(multi-drop)架構(gòu)，經(jīng)常被用于底板(Backplane)環(huán)境之中。在這里，有一個分別可編址的掃描鏈在底 板內(nèi)實現(xiàn)路由(Routed),從而使機箱中的每個底板都擁有自己專屬的掃描鏈。這種架構(gòu)的運行速度受限于可編址掃描端口的速度，最典型的情況是 25MHz。

擁有先進多核調(diào)試工具

Wind River 擁有的JTAG加速器和服務器技術(shù)可以顯著降低JTAG序列包之間的空閑時間，完全充分地利用了可用的JTAG帶寬。與JTAG有關(guān)的另一個問 題涉及到調(diào)試能力，例如用停止請求信號來立即停止某個內(nèi)核，或者用停止指示信號來停止某個內(nèi)核并同步其他的內(nèi)核的停止。與其他所有的局限性一樣，這類問題 也依賴于廠商的實現(xiàn)方法。

Wind River on-chip debugging(片上調(diào)試)解決方案可以同時啟動和停止多個內(nèi)核。實際上，Wind River提供的JTAG解決方案，也就是Workbench On-Chip Debugging，是以集中化的方式來實現(xiàn)多核和多處理的調(diào)試功能。這個解決方案可以在單一掃描鏈(Scan Chain)中同時調(diào)試多達8個內(nèi)核。而且，不管這些內(nèi)核處于同一個芯片之中、分布在線路板中的多個芯片或者分布在復雜系統(tǒng)中的多個線路板之中， Workbench On-Chip Debugging都能夠應付自如。