英特爾推動多核技術在嵌入式系統(tǒng)的應用

　　在過去相當長一段時間，處理器廠商都不遺余力地通過不斷提高主頻來提高處理器的性能。但是隨著處理器的發(fā)展，單處理器核心內(nèi)部晶體管的集成度已超過上億個，主頻提高帶來的功耗及發(fā)熱量呈幾何倍數(shù)增長，傳統(tǒng)處理器體系結構的瓶頸日益顯現(xiàn)。于是，另一種全新的芯片構架誕生了，這就是多核處理器，即在單個芯片上集成多個個處理器內(nèi)核。通過優(yōu)化的核內(nèi)部體系架構，多核處理器能在較低的主頻下實現(xiàn)更加優(yōu)越的性能。
　　
　　對于嵌入式系統(tǒng)而言，多核技術較過去可以提供更高的處理器性能、更有效的電源利用率，并且占用更小的物理空間，因而具有許多單核處理器無法具備的優(yōu)勢。英特爾嵌入式和通信集團總經(jīng)理Doug Davis就曾指出，在高端通信和醫(yī)療成像等計算密集型應用領域，嵌入式系統(tǒng)客戶們已經(jīng)紛紛要求英特爾公司提供具有更長生命周期的多核器件。多核已經(jīng)成為世界半導體發(fā)展的必然趨勢，更是嵌入式設計的未來趨向。

英特爾Core 2 duo架構

　　英特爾最新的基于Core 微架構的多核處理器即是片上多核處理器的典型代表。如圖 1中 Core 2 duo的架構所示，兩個內(nèi)核集成在一個芯片上，共享4MB的二級緩存， 每個內(nèi)核都有獨立的CPU 狀態(tài)，中斷邏輯，執(zhí)行單元和一級緩存。處理器的每個內(nèi)核可以獨立執(zhí)行單獨的線程。由于共享了二級緩存，對于大量數(shù)據(jù)共享的不同線程，可以大大減少線程間通訊開銷，從而提高系統(tǒng)性能，這也是片上多核比多處理器性能優(yōu)越的根本原因。

圖1  Intel Core 2 duo 架構

　　英特爾所有的x86平臺(臺式機、筆記本和服務器平臺)處理器中的每個內(nèi)核都統(tǒng)一采用先進的Core 微架構，如圖 2 所示。每個內(nèi)核由指令緩存/譯碼部件、重命名/地址分配部件、重排序緩沖區(qū)、調(diào)度器、微代碼ROM、緩存部件等功能組成。每個內(nèi)核都采用亂序執(zhí)行，支持EM64T 與SSE4 指令集，具有14 級有效流水線，內(nèi)建32KB一級指令緩存與32KB一級數(shù)據(jù)緩存，并且2 個核心的一級數(shù)據(jù)緩存之間可以傳輸數(shù)據(jù)；同時為每個一級緩存和二級緩存配置多個預取器。

　　這些預取器同時檢測多個數(shù)據(jù)流和大跨度的存取類型，使得在一級緩存中及時準備待執(zhí)行的數(shù)據(jù)。二級緩存的預讀器可以分析內(nèi)核的訪問情況，確保二級緩存擁有潛在需要數(shù)據(jù)。Core具有4 組指令解碼單元，支持微指令融合與宏指令融合技術，每個時鐘周期最多可以解碼5 條X86 指令，生成7 條微指令，并擁有改進的分支預測功能；擁有3 個調(diào)度端口，內(nèi)建5 個執(zhí)行單元，包括3 個64bit 的整數(shù)執(zhí)行單元(ALU)、2 個128bit 的浮點執(zhí)行單元(FPU)和3 個128bit的SSE 執(zhí)行單元；采用新的內(nèi)存相關性預測技術，支持增強的電源管理功能，支持硬件虛擬化技術和硬件防病毒功能。

圖 2. Intel Core 微架構

 多核的挑戰(zhàn)和機遇 

　　“芯片是IT產(chǎn)業(yè)的心臟，軟件是IT產(chǎn)業(yè)的靈魂。”多核的CPU已經(jīng)很普及了，但是經(jīng)常聽到人說并沒有覺得使用了多核性能就加倍了，為什么呢？因為用戶使用的軟件還停留在單核時代，根本就沒有使用到多核的功能。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。利用多核處理器的編程應用是一個巨大的編程挑戰(zhàn)！

　　首先是并行的思考方式，比如要分辨出哪些任務是可以同時執(zhí)行的。其次是線程的創(chuàng)建和管理。開發(fā)人員把任務劃分成多個并行步驟之后，就要通過線程的方式來實現(xiàn)。多線程編程是相當困難的，很多傳統(tǒng)的編程語言都需要一組新的函數(shù)或結構來創(chuàng)建、同步、加解鎖線程，這意味著工作量的增加。與此同時，開發(fā)人員還需要考慮并行代碼段之間哪些資源是不能共享的，比如文件、內(nèi)存、硬件等等，否則會導致資源的沖突和競爭，使得并行線程因等待資源而暫停。此外，如何對復雜的多線程編程進行調(diào)試，以及如何在多核的實時系統(tǒng)中保持確定性，都是值得考慮的問題。

　　在面對多核編程的同時，多核也給我們帶來了無窮的機遇。首先全世界都站在同一起跑線上，美國也遇到了和我們一樣的問題和挑戰(zhàn)，讓中國有機會走到世界前列。其次，以前需要用占幾個房間的每秒千億次計算機現(xiàn)在一個多核芯片就能解決，這個多核芯片可以非常小，小到車載或便攜。這樣就會有很多以前無法做到的新應用被發(fā)明創(chuàng)造出來。例如，東軟公司做的汽車輔助安全駕駛系統(tǒng)，在汽車行駛中，可以自動偵查汽車附近的物體，如有碰撞的危險，會及時報警和剎車。這個過程需要每秒進行幾千億次的運算，過去是沒法實現(xiàn)的，現(xiàn)在有了多核CPU，在一個最新的8核CPU上就可以實現(xiàn)了。這個系統(tǒng)是完全在國內(nèi)設計開發(fā)的，在國際上也是處于領先。

嵌入式多核技術在高校的推廣

　　“2008年英特爾杯大學生電子設計競賽嵌入式系統(tǒng)專題邀請賽”上首次采用基于英特爾雙核處理器的嵌入式系統(tǒng)作為競賽平臺。雙核系統(tǒng)推出市場不到兩年的時間，此次競賽就采用市場上的主流技術作為競賽平臺，旨在鼓勵學生充分發(fā)揮創(chuàng)新精神，在雙核平臺上設計出具有多任務處理能力的作品。為了幫助參賽學生更好地了解英特爾雙核處理器，組委會和英特爾公司在賽前專門組織參賽學生和指導教師代表進行了為期三天的賽前培訓。通過本次培訓，參賽學生和老師代表均反映，培訓幫助他們打下了多核技術的基礎，對更快地進入競賽氛圍有很大的幫助。英特爾也希望提供給中國理工科學子以及未來的工程師更多接觸國際先進技術的機會，由此幫助提升中國技術研發(fā)和自主創(chuàng)新能力。

　　為幫助中國的高校及軟件開發(fā)企業(yè)盡快掌握最新的多核知識，更好地開發(fā)基于多核平臺的并行程序，英特爾軟件學院作為英特爾公司的專業(yè)培訓機構，已經(jīng)并且正在廣泛開展面向高校的多核師資培訓及面向軟件開發(fā)企業(yè)的多核技術培訓。一些重點高校的教師通過培訓及參加英特爾軟件學院的大學項目，已經(jīng)在英特爾多核課程的基礎上開發(fā)出面向學生的多核課程。