ARM多核和MIPS多執(zhí)行緒嵌入式處理器技術(shù)剖析

         在嵌入式裝置中建置多核心（包含同質(zhì)或異質(zhì)）以及多執(zhí)行緒技術(shù)，的確能帶來諸多效益，尤其是改進(jìn)系統(tǒng)效能方面最為明顯。

         盡管RISC嵌入式技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)越來越多，但是在維持以往嵌入式軟件資源兼容性的前提之下，能夠改善其未來適用性，并且有效提升新系統(tǒng)的效能表現(xiàn)，使其不失為良好的解決方案。

       應(yīng)用決定多核或多緒

       多核心與多執(zhí)行緒在效能表現(xiàn)上有其幫助，但是效能與這些技術(shù)的內(nèi)建其實(shí)并沒有絕對(duì)關(guān)系，會(huì)造成這樣的原因主要是應(yīng)用環(huán)境的需求。以手機(jī)為例，整合于手機(jī)內(nèi)的SoC芯片雖然是屬于多核心架構(gòu)的一環(huán)，但是手機(jī)采用的SoC芯片多為應(yīng)用處理器，其整合的核心并非完全屬于同性質(zhì)架構(gòu)，同質(zhì)多核心在嵌入式系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用上的案例其實(shí)非常少。

       而多執(zhí)行緒處理器在汽車電子或者是嵌入式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中扮演著重要的角色，但是也有廠商利用數(shù)顆多執(zhí)行緒芯片組成多核心與多執(zhí)行緒兼?zhèn)涞倪\(yùn)算架構(gòu)，換句話說，兩者并不是單純選邊站而已，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，自行搭配或開發(fā)最終解決方案也成了許多廠商面對(duì)問題時(shí)的態(tài)度。這也代表著，在選擇嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)時(shí)，處理器本身只是應(yīng)用的1個(gè)環(huán)節(jié)，如何能夠針對(duì)應(yīng)用將所需的效能最大化，必須依照產(chǎn)品的不同而有各種考慮。

       不只是意氣的技術(shù)之爭(zhēng)

       真正的同質(zhì)多核心架構(gòu)－ARM11 MPCore

       在嵌入式多核心應(yīng)用處理器這方面的領(lǐng)域，目前以ARM為技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，雖然該公司本身并無晶圓廠，而純粹以IP的形式出售處理器架構(gòu)，由于定位正確，在短短的數(shù)年間取得了極大的市場(chǎng)地位，全世界絕大多數(shù)的手持式裝置都嵌入了ARM的處理器技術(shù)。

       以其技術(shù)的發(fā)展歷程來看，早期的ARM7架構(gòu)本身能夠滿足一些音效編譯碼應(yīng)用。而在增加16位飽和運(yùn)算指令和提高ARM9核心速度后，不僅能完成音效編譯碼工作，以及以大約80 MHz、15 畫格/秒速度下的MPEG-4 QCIF（4分之1 CIF分辨率）編碼。在ARM11 V6指令集架構(gòu)上增加速度和SIMD指令后，就可以實(shí)現(xiàn)VGA分辨率的 H.264 編碼。再進(jìn)一步到最新的Cortex A8與其基于64位SIMD架構(gòu)的Neon加速器搭配工作之下，就可以完成 30 畫格/秒的 MPEG-4 VGA 編碼，所花周期只有 ARM11 的一半。在實(shí)際情況下，該工作需要大約 300 MHz。為了使這些選項(xiàng)對(duì)使用者更加可行，ARM 正在開發(fā)一個(gè)并行編譯器原型，它可以提取資料并行機(jī)制，并用 SIMD 硬件來使用它。

△圖說：ARM11 MPCore的結(jié)構(gòu)示意圖。（www.inuxdevices.com）

       ARM11 MPCore乃是在ARM11核心的基礎(chǔ)組成，架構(gòu)上屬于V6指令體系。根據(jù)不同應(yīng)用的需要，MPCore可以被配置為1∼4個(gè)處理器的組合方式，根據(jù)官方表示，其最高性能約可達(dá)到2600 Dhrystone MIPS的程度。MPCore是標(biāo)準(zhǔn)的同質(zhì)多核心處理器，，組成MPCore的是4個(gè)基于ARM11架構(gòu)的處理器核心，由于多核心設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是在頻率不變的情況下讓處理器的性能獲得明顯提升，因此可望在多任務(wù)應(yīng)用中擁有良好的表現(xiàn)，這一點(diǎn)很適合未來家庭消費(fèi)電子的需要。例如，機(jī)上盒在錄制多個(gè)頻道電視節(jié)目的同時(shí)，還可通過因特網(wǎng)收看數(shù)字視訊點(diǎn)播節(jié)目、車內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)在提供導(dǎo)航功能的同時(shí)，仍然有余力可以向后座乘客播放各類視訊娛樂串流等。

       在這類應(yīng)用環(huán)境下，多核心結(jié)構(gòu)的嵌入式處理器能夠表現(xiàn)出極強(qiáng)的性能優(yōu)勢(shì)。根據(jù)原廠數(shù)據(jù)，MPCore多處理器可支持高達(dá)4路共享快取結(jié)構(gòu)的對(duì)稱多處理器 （four-way cache coherent symmetric multiprocessing，SMP）、或者是4路不對(duì)稱多處理器（four-way asymmetric multiprocessing，AMP）以及4路兼有對(duì)稱/不對(duì)稱的混合式多處理器系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)的高靈活設(shè)計(jì)在理論上可以滿足各種跨領(lǐng)域應(yīng)用對(duì)運(yùn)算性能的彈性需求，確保系統(tǒng)可獲得一流的響應(yīng)能力或數(shù)據(jù)吞吐量。

       不過ARM11 MPCore早在2004年就已經(jīng)發(fā)布，2005年正式加入授權(quán)業(yè)務(wù)，截至目前為止，采用該處理器的產(chǎn)品集中于家電與汽車電子方面，但是數(shù)量并不算多，是業(yè)界對(duì)于處理器運(yùn)算能量的需求尚未顯現(xiàn)？據(jù)了解，在汽車電子方面，汽車應(yīng)用的微處理器要求越來越高，但是過去的單核心基本上還能滿足一般汽車的使用，而隨著越來越多的電子輔助裝置整合進(jìn)汽車中，其間所需處理的工作也越來越繁雜，已經(jīng)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)汽車用微控制器所能負(fù)擔(dān)的程度，因此可預(yù)期的是，未來數(shù)年應(yīng)該會(huì)有越來越多汽車廠商采用類似的多核心架構(gòu)來取得合理的系統(tǒng)反應(yīng)速度。

       至于在家電應(yīng)用方面，其實(shí)需要用到如此復(fù)雜核心的產(chǎn)品不多，在應(yīng)用最多的影音產(chǎn)品方面，其實(shí)大部分的廠商都采用專用的硬件譯碼電路或者是DSP來進(jìn)行編譯碼的動(dòng)作，直接采用多核心處理器來進(jìn)行編譯碼動(dòng)作其實(shí)效益不明顯。而在移動(dòng)應(yīng)用方面，其實(shí)功耗依然是移動(dòng)產(chǎn)品廠商所最注重的，即便ARM11 MPCore能夠達(dá)到極低的多核心同時(shí)工作功耗，但是依然無法與單核心版本相比，因此在移動(dòng)應(yīng)用上能見度不高。但是隨著Intel推行MID（Mobile Internet Device），類似的產(chǎn)品可望成為ARM11 MPCore架構(gòu)的極大機(jī)會(huì)，因?yàn)榧幢闶荢tealey的下一代45nm產(chǎn)品Silverthorne，其功耗依然比MPCore高了5倍以上（加上芯片組的總功耗），且僅為單核心架構(gòu)，在應(yīng)用靈活度上明顯不如MPCore架構(gòu)，不過有1點(diǎn)值得注意的是，Silverthorne挾帶了龐大的X86軟件資源，ARM等基于RISC體系處理器在這方面要明顯屈居于下風(fēng)。

       在RISC架構(gòu)的類MID產(chǎn)品上，也可以考慮ARM最新的處理器架構(gòu)，也就是Cortex-A8，該處理器基于最新的ARM v7體系，并且整合了1個(gè)64位DSP處理單元，對(duì)串流應(yīng)用具備有極佳的加速能力，因此非常適用于類MID掌上型裝置的多媒體、甚至是游戲應(yīng)用。嚴(yán)格上來說，Cortex-A8也能算是多核心體系之一，但是其架構(gòu)與MPCore之類的同質(zhì)核心不同，而是采用1個(gè)通用處理器核心，并搭配個(gè)DSP核心而成的異質(zhì)多核心處理器，相信這方面ARM向德州儀器公司借鑒了不少應(yīng)用處理器的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

△圖說：Cortex-A8的結(jié)構(gòu)示意圖。（www.arm.com）

       事實(shí)上，NOKIA的N770/N800便已經(jīng)具備了MID的所有功能，而且更為輕薄短小，但遺憾的是，搭配原廠的1500mAh充電電池，其持續(xù)使用時(shí)間僅能達(dá)到3.5個(gè)小時(shí)，與一般市面上的UMPC產(chǎn)品相去不遠(yuǎn)，稍遜于Intel的MID產(chǎn)品，采用ARM體系處理器（N800采用基于ARM1136J(F)-S核心的i.MX31應(yīng)用處理器）的省電優(yōu)勢(shì)在此并沒有被凸顯出來，不過待機(jī)時(shí)間比之MID要略長(zhǎng)。

       堅(jiān)持多執(zhí)行緒路線的MIPS

        或許可以視為意氣之爭(zhēng)，MIPS堅(jiān)持與ARM實(shí)行不同的技術(shù)發(fā)展策略，ARM發(fā)展Multi Processor（MP，多處理器核心），而MIPS則往Multi Thread（MT，多執(zhí)行緒）發(fā)展，就應(yīng)用概念上來看，MP與MT技術(shù)兩者均致力于提高處理器的整體性能，兩者都可以減少任何應(yīng)用當(dāng)前軟件執(zhí)行緒的處理時(shí)間。但這兩種技術(shù)采用了不同的硬件結(jié)構(gòu)來減少處理時(shí)間，因此對(duì)于任意的特定軟件程序代碼來說，MP與MT對(duì)處理器性能的提升著程度上的不同。

       但是會(huì)造成這樣的結(jié)果，其實(shí)2家IP廠商的研發(fā)概念上有很大的關(guān)連。由于MT技術(shù)著重于處理單元、內(nèi)存控制器的有效利用，在最大程度上節(jié)省晶體管的使用，并且在此前提之下往上提升效能表現(xiàn)，這與MP架構(gòu)中，系統(tǒng)效能需求有多少，就復(fù)制多少個(gè)核心塞進(jìn)芯片中的浪費(fèi)作法完全不同，MP可以取得較為全面的應(yīng)用廣度，但是稍嫌鋪張浪費(fèi)，相較之下，MT在成本與效能方面的平衡性表現(xiàn)要來得高明些。

       許多人將MP與MT相提并論，而在某種程度上，這樣的比較其實(shí)并沒有太大意義，因?yàn)榛驹O(shè)計(jì)概念已經(jīng)天差地遠(yuǎn)，架構(gòu)上的采用自然無法一概而論。在技術(shù)上，為了實(shí)現(xiàn)硬件多重處理，兩者對(duì)于軟件最佳化的復(fù)雜度方面其實(shí)都同樣比單核心架構(gòu)要來得復(fù)雜許多，而為了要盡量避免處理單元與內(nèi)存控制器在資源分配上的沖突，MT架構(gòu)或許會(huì)來得更為復(fù)雜一些，但MP架構(gòu)其實(shí)在某些程度上也會(huì)面臨同樣的問題（特別是共享高速緩存與內(nèi)存控制器的多核心架構(gòu)）。不論是在指令層級(jí)，或是執(zhí)行緒層級(jí)的多任務(wù)，都與傳統(tǒng)單核心單執(zhí)行緒的程序?qū)懽鞣绞脚c最佳化方法大異其趣。

       一般的MT架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，單一處理器核心在運(yùn)算的過程中，常會(huì)有內(nèi)存存取速度跟不上處理器頻率增加的問題，進(jìn)而導(dǎo)致高速緩存錯(cuò)失（miss）時(shí)，形成執(zhí)行管線長(zhǎng)時(shí)間閑置的狀況，我們都了解，1個(gè)系統(tǒng)中的儲(chǔ)存單元，最快速的要屬處理器中的緩存器，其次是L1高速緩存、L2快取記體，最后則是主存儲(chǔ)器，其速度的差別可達(dá)數(shù)千倍以上，處理器要取得指令或數(shù)據(jù)時(shí)，必先從高速緩存中提取，儲(chǔ)存于緩存器中進(jìn)行運(yùn)算，最終結(jié)果再回存到高速緩存，并在空閑時(shí)填回主存儲(chǔ)器，當(dāng)處理器向高速緩存發(fā)出存取需求，卻發(fā)現(xiàn)所需要的數(shù)據(jù)不在高速緩存中，這是就必須花費(fèi)大筆的時(shí)間前往主存儲(chǔ)器尋找并讀取，這其間所浪費(fèi)的時(shí)間可能會(huì)高達(dá)數(shù)十個(gè)頻率周期，處理管線在等待數(shù)據(jù)填補(bǔ)的時(shí)間，就形成了閑置狀態(tài)。

       如果利用多執(zhí)行緒處理概念，適時(shí)的將其它執(zhí)行緒拉過來填補(bǔ)已經(jīng)造成的閑置狀態(tài)，其速度的增長(zhǎng)甚至可以達(dá)到非常明顯的地步，雖不至于倍增，但是由20％到40％都有可能。而要達(dá)成這樣的目的，在晶體管數(shù)目方面只需增加約15％的程度即可，若以一般同樣架構(gòu)的單核心處理器在變更為雙核心的效能增長(zhǎng)程度約為40％到70％左右的程度，而晶體管數(shù)目幾乎要倍增的情況，就可看出MIPS的MT技術(shù)的效率有多高了。但是MT技術(shù)有個(gè)嚴(yán)重的缺陷，那就是多執(zhí)行緒工作處理過程中，過于頻繁的上下文切換（context switch）將有可能會(huì)造成極大的效能耗損。

△圖說：MIPS 74K處理器結(jié)構(gòu)示意圖。（www.mips.com）

       MIPS公司有大產(chǎn)品線，分別是單執(zhí)行緒的24K與74K系列，以及多執(zhí)行緒的34K系列。74K甫于今年六月發(fā)表，在65nm工藝下，其運(yùn)作頻率已經(jīng)超越1GHz，采用通用處理器搭配DSP核心的設(shè)計(jì)，不過總體效能與功耗表現(xiàn)略遜于類似架構(gòu)的ARM Cortex-A8。多執(zhí)行緒處理器的主角—34K系列，該處理器核心能設(shè)定1或2個(gè)虛擬處理組件（VPE）以及最多5個(gè)執(zhí)行緒內(nèi)容（TC），提供充分的可配置彈性。但是講白了，其實(shí)兩個(gè)VPE的作法就是將單顆核心模擬為2個(gè)核心，使34K核心能同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)獨(dú)立的操作系統(tǒng)，或是一個(gè)雙路的對(duì)稱式多重處理器操作系統(tǒng)。

       MIPS32 34Kc核心采用90nm工藝，最差操作狀態(tài)下頻率為500MHz。核心尺寸為2.1mm2，而核心部分耗電量為0.56mW/MHz@1.0V。目前該 系列核心共包含34Kc、34Kf、34Kc Pro以及34Kf Pro。這些核心具備完全兼容于IEEE 754規(guī)格的硬件浮點(diǎn)運(yùn)算處理器。其中34Kc Pro與34Kf Pro核心具備CorExtend功能，能讓SoC研發(fā)業(yè)者自行擴(kuò)增指令。

△圖說：MIPS 34K處理器結(jié)構(gòu)示意圖。（www.mips.com）

       根據(jù)MIPS自家的估算，與同家族的24K系列產(chǎn)品相較起來，34K在2個(gè)VPE以及2個(gè)TC的組態(tài)設(shè)定之下，可以將效能提升到超越24K處理器60％的程度，芯片面積大略增加14％，而因?yàn)槎鄨?zhí)行緒作業(yè)所導(dǎo)致的高速緩存失誤比率則是由4.41％增加到5.16％，算是在可接受的范圍之內(nèi)。

       不過與單核心74K相較起來，34K反而更不適用于網(wǎng)絡(luò)或多媒體串流的密集計(jì)算環(huán)境，而VPE和TC單元的增加，同樣也會(huì)加大芯片的面積。雖說MT技術(shù)的局限性，使其不適合用于多媒體編譯碼應(yīng)用上，但是在汽車電子方面，已經(jīng)有廠商成功利用2顆34K處理器組成雙核多執(zhí)行緒處理器，并提供的相當(dāng)優(yōu)秀的執(zhí)行效能，有此成功的前例可循，我們也可以預(yù)測(cè)，未來MIPS將會(huì)有更多結(jié)合多核與多執(zhí)行緒的解決方案出現(xiàn)，不過這么一來，在成本調(diào)配方面的優(yōu)勢(shì)還能剩下多少，就由方案提供廠商去傷腦筋吧。