单芯片的一致多处理(2)

实现SMP

一个SMP系统范例要求所有处理器在同一个地址看到所有的存储器。对于简单而低性能的处理器，这不是太难完成的事情。人们只要在一个共用存储器和I/O总线上放置所有处理器的指令提取和装载/存储流量就可以了。随着总线很快成为了一个性能瓶颈，这个非常简单的模型利用增加的处理器迅速而漂亮地解决了这个问题。甚至在单处理器系统中，高性能的嵌入式内核指令和数据的带宽需求要求在主存储器及处理器之间使用高速缓存。

采用独立每个处理器高速缓存的系统不再只是一个自然而然的SMP。当一个处理器的高速缓存包含了存储器中某一位置的最近保持值（most recent value）的唯一备份时，就会出现一种基本而危险的不对称。系统必须增加高速缓存一致协议以恢复这种对称性。在一个非常简单的系统中，所有处理器都连接到一条共用总线，它足以使所有高速缓存控制器监控总线，以发现哪个高速缓存拥有给定存储器位置的最新版本。在更先进的系统中，如MIPS32 1004K CPS，处理器与存储器的连接是采用点对点方式连接一个交换结构，而不是连接到一条总线。因此，高速缓存一致性需要更加复杂的支持。1004K一致管理器在存储器处理上加入了一个全局顺序（global order），并生成必要的干预信号，以保持多个1004K处理器内核的高速缓存的一致性。

因此，1004K处理器可以看到一个对称的存储器。像Linux的SMP操作系统可以自由地迁移任务并动态地平衡处理器负载。

在一个嵌入式SoC中，整个计算的大部分时间可能花在中断服务方面。这意味着需要控制良好的负载均衡和性能调节，这不仅有助于控制程序任务的运行地点，而且还可以控制执行中断服务的地点。Linux操作系统有一个“IRQ亲合力”控制界面，这个界面允许用户和程序指定哪个处理器用来服务一个给定的中断。为了便于使用，这个界面需要底层的系统硬件提供一种方法将中断有选择地发送给处理器。1004K全局中断控制器为1004K CPS提供了这种能力。

高速缓存一致基础架构非常有用，不仅是在对称多处理的处理器之间，而且在处理器和I/O DMA通道之间也是如此。虽然如MIPS32的RISC架构有支持基于软件的I/O一致的特性，但还是需要CPU在每个I/O DMA操作之前或之后对DMA缓冲器进行处理。该处理功能对I/O密集应用的性能有着显著的影响。在1004K CPS中，通过一个I/O一致单元将I/O DMA连接到存储器，有助于DMA流量的条理化和与一致装载/存储流的整合，从而消除了软件开销。

采用管道，得到回报

由于1004K处理器VPE对于软件来说看起来像成熟的处理器，大到有独立的中断输入，所以，管理多个内核的同一个SMP操作系统逻辑可以用来管理其构成VPE。在最高水平的系统管理方面，全部VPE功能都在运行的双核1004K系统是一个4路SMP系统的样子。为了利用SMP而编写或配置的软件能够自然而然地利用多线程，反之亦然。

虽然系统资源的想法仍然是对称的，但事实上，双线程争用一条处理器流水线将比双线程运行于独立的内核实现的性能更低。这种情况在服务器系统中已经存在了许多年，其多线程CPU的一致集群十分常见，而1004K的SMP Linux核的配备可以实现必要的负载平衡的优化。如果要优化功耗，调度程序可以每次在一个内核的虚拟处理器上加载运行（load work），从而使其他内核能够停留在一种低功耗状态。
如果是为了优化性能，可以首先在不同的内核上展开运行（spread work），一旦所有内核都有一个要运行的动态任务，只需在每个内核上加载多个VPE就可以了。

结语

片上多处理可以多种方式进行开发，从而实现高性能的SoC。通过输入数据或处理功能，可以实现非常高效的工作静态分解，但这也是非常不灵活的。SMP平台和软件可以提供一个非常灵活的高性能计算平台，以实现比单处理器更加显著的加速，通常这需要很少的甚至不需任何应用代码的修改。多线程是对SMP并行性的最好补充，可以最大限度地利用每个处理器中的流水线资源。MIPS32 1004K一致处理系统在一个单IP块中整合了MIPS多线程和一致SMP，以提供可扩展、高密度的嵌入式计算能力。