作者：

Tom Flanagan  德州儀器多核及無(wú)線基站基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)戰(zhàn)略總監(jiān)

Sanjay Bhal  德州儀器多核及媒體基礎(chǔ)設(shè)施戰(zhàn)略市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理

John Warner  德州儀器多核及媒體基礎(chǔ)設(shè)施總監(jiān)

在當(dāng)今日益復(fù)雜的互連世界里，現(xiàn)有應(yīng)用、不斷發(fā)展的應(yīng)用以及新興應(yīng)用都將為片上系統(tǒng) (SoC) 的性能要求造成影響。為滿足性能與成本目標(biāo)要求，功能不斷演進(jìn)，這為設(shè)計(jì)人員深入探索他們正在思索的多核解決方案架構(gòu)基礎(chǔ)創(chuàng)造了契機(jī)。在理想條件下，多核 SoC 架構(gòu)包含以下特性：

支持多種類型的執(zhí)行引擎（內(nèi)核），包括數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)、矢量信號(hào)處理(VSP) 以及精簡(jiǎn)的指令集計(jì)算 (RISC)；

提供全面的多核優(yōu)勢(shì)，將器件全部功能用于預(yù)期應(yīng)用實(shí)現(xiàn)業(yè)界領(lǐng)先的性能；

使各種器件實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用；

引入軟件產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)以減輕編程工作量，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

本文將介紹 SoC 所需的各種架構(gòu)元素，幫助用戶獲得理想的器件特性，實(shí)現(xiàn)媒體服務(wù)器與無(wú)線基帶基礎(chǔ)設(shè)施等高級(jí)通信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用。

多核、多層 SoC 架構(gòu)

SoC 的概念是指將越來(lái)越多的功能集成到給定器件中，使該器件能夠執(zhí)行目標(biāo)應(yīng)用所需的近乎全部或全部功能的一種基本方法。SoC 體現(xiàn)在硅芯片器件中，而整體解決方案則往往整合了大量的軟件。許多 SoC 設(shè)計(jì)將 DSP 內(nèi)核與 RISC 內(nèi)核配對(duì)來(lái)滿足特定應(yīng)用處理需求，比如媒體網(wǎng)關(guān)中的語(yǔ)音處理及轉(zhuǎn)碼，或者無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施中的無(wú)線電通道及傳輸網(wǎng)絡(luò)處理等。

過(guò)去，性能改善是通過(guò)工藝節(jié)點(diǎn)升級(jí)和提高時(shí)鐘頻率實(shí)現(xiàn)的。在當(dāng)前的小型幾何構(gòu)造工藝節(jié)點(diǎn)中，提高時(shí)鐘頻率和升級(jí)工藝節(jié)點(diǎn)在提高性能的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致成本上升，因而權(quán)衡分析更加復(fù)雜。

作為替代方法，可實(shí)施多重處理內(nèi)核，在較低時(shí)鐘頻率及較低功耗下，滿足所有系統(tǒng)參數(shù)要求的同時(shí)提供所需的高性能。這種方法已作為多核 SoC 嵌入式應(yīng)用的優(yōu)先選擇出現(xiàn)。此外，還可整合專用加速技術(shù)與協(xié)處理器進(jìn)一步提升性能，降低系統(tǒng)功率。在這種情況下，支持處理資源的并行訪問(wèn)非常重要，這樣可全面發(fā)揮器件優(yōu)勢(shì)。在芯片基礎(chǔ)設(shè)施中提供相關(guān)功能對(duì) SoC 架構(gòu)而言至關(guān)重要，這樣互連功能可全面發(fā)揮多核優(yōu)勢(shì)。對(duì)此最直接的方法是大型交叉點(diǎn)矩陣，但這種方法在功耗與成本上不占優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵谌魏螘r(shí)間點(diǎn)上都有一大部分矩陣，即使在沒(méi)有使用的情況下都需要供電。更高級(jí)的片上網(wǎng)絡(luò)方法，可為密切相關(guān)的處理元素提供本地功能，以及供這些本地化功能互連的共用主干網(wǎng)。

推動(dòng)摩爾定律發(fā)展
采用更高級(jí)工藝節(jié)點(diǎn)，一直是跟上摩爾定律發(fā)展的重要推動(dòng)力。升級(jí)到 40 納米 (nm) 工藝帶來(lái)了顯著的性能提升，升級(jí)到 28 nm 也是如此，但當(dāng)今應(yīng)用需求更高。今天，新工藝節(jié)點(diǎn)帶來(lái)的最大優(yōu)勢(shì)是，有可能將更多的應(yīng)用功能集成到單個(gè)器件中。因此，它是一項(xiàng)實(shí)現(xiàn) SoC 的關(guān)鍵使能器。利用這種集成潛力提高性能的最明顯也是最早的方法是，添加可編程內(nèi)核。多核器件可分為同質(zhì)與異質(zhì)兩類。同質(zhì)指所有處理內(nèi)核均相同，而異質(zhì)則指混有各種類型的內(nèi)核。實(shí)際上，幾乎所有的應(yīng)用都要求包括信號(hào)處理與控制代碼在內(nèi)的混合處理功能。DSP 內(nèi)核與 ARM® RISC 內(nèi)核是這種混合處理的理想選擇。德州儀器 (TI) 提供的最新 DSP 內(nèi)核不但可同時(shí)支持定浮點(diǎn)運(yùn)算，而且還可在高時(shí)鐘速率下執(zhí)行 VSP，從而可簡(jiǎn)化算法的開(kāi)發(fā)與部署。所提供的各種 ARM 內(nèi)核可幫助 SoC 提供商根據(jù)處理要求、功耗以及工藝節(jié)點(diǎn)優(yōu)化 RISC 內(nèi)核選擇。從架構(gòu)角度上講，支持同質(zhì)內(nèi)核實(shí)施很重要。同質(zhì)器件（所有的 ARM 或所有的 DSP）可通過(guò)異質(zhì)架構(gòu)創(chuàng)建，但反之如果不嚴(yán)重影響性能，則很難實(shí)現(xiàn)。圖 1 是 TI 最新 KeyStone 多核架構(gòu)的示意圖，這是異構(gòu)多核架構(gòu)的實(shí)例。


Multicore Navigator

圖 1：TI KeyStone 多核架構(gòu)

該架構(gòu)由采用同一方式封裝的多個(gè)功能元素構(gòu)成，可提高應(yīng)用靈活性與可擴(kuò)展性。

高度靈活的架構(gòu)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可便捷地根據(jù)應(yīng)用要求添加或移除元素。無(wú)線基站與雷達(dá)陣列處理等應(yīng)用具有極其相似的處理與 I/O 需求，但具有極為不同的加速與協(xié)同處理需求。1 層 PHY 加速器對(duì)無(wú)線基站而言是必不可少的，但雷達(dá)陣列處理卻并不需要。雖然同一機(jī)構(gòu)既開(kāi)發(fā)雷達(dá)產(chǎn)品又開(kāi)發(fā)基站產(chǎn)品的可能性不大，不過(guò)他們?nèi)钥蓮?SoC 開(kāi)發(fā)商提供的低成本與大容量?jī)?yōu)勢(shì)中獲益。

在提供各種產(chǎn)品時(shí)，SoC 架構(gòu)的可擴(kuò)展性對(duì)添加或移除處理元素，滿足不斷變化的需求非常重要。今天，無(wú)線基站從小型蜂窩毫微微產(chǎn)品，到大型多蜂窩宏基站應(yīng)有盡有。同樣雷達(dá)制造商也需要既有小型產(chǎn)品，也有大型設(shè)備。

簡(jiǎn)化軟件產(chǎn)業(yè)環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)

多核 SoC 開(kāi)發(fā)商通常提供和預(yù)集成大量非差異化軟件，即與任何終端設(shè)備制造商提供的功能相同的基本軟件，包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 端口以及針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用的主要標(biāo)準(zhǔn)化算法等。正確實(shí)施后，這種軟件不但可為應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員充分發(fā)揮硅芯片優(yōu)勢(shì)，而且還可隨時(shí)投入生產(chǎn)。除這種多核 SoC 之外，廠商還創(chuàng)建了開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)，可為應(yīng)用開(kāi)發(fā)、測(cè)試以及電路板設(shè)計(jì)提供幫助。

 

圖 2：綜合多核工具套件示例

對(duì)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，在為多核環(huán)境編寫(xiě)代碼，特別是當(dāng)應(yīng)用代碼需要從小型器件縮放至大型器件時(shí)，多核開(kāi)發(fā)會(huì)變得具有挑戰(zhàn)性。在出現(xiàn)這種情況時(shí)，軟硬件都要在各種器件中縮放。此時(shí)系列間的器件內(nèi)核數(shù)量及硬件加速器，可能存在巨大的差異。

幸運(yùn)的是，由于軟件的復(fù)雜性以及多核 SoC 中處理元素的變化，硬件輔助軟件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。用于簡(jiǎn)化多核軟件開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新新硬件現(xiàn)已嵌入在最新一代多核器件中。該硬件可自動(dòng)輔助軟件縮放，以在源自通用架構(gòu)的各種器件間使用。

使用硬件輔助軟件的前提是軟件以小型任務(wù)而非獨(dú)立功能的形式編寫(xiě)，而且硬件設(shè)計(jì)用于自動(dòng)管理任務(wù)。解決這一問(wèn)題的一個(gè)創(chuàng)新方法是使用與功能描述符相關(guān)的大型硬件隊(duì)列。功能描述符通?？勺R(shí)別所需的處理資源，比如需要 DSP 或 FFT 功能，而不是具體的 DSP 內(nèi)核 2。將任務(wù)與數(shù)據(jù)列隊(duì)，然后硬件可自動(dòng)管理從這里接手的處理工作。這樣即使從雙內(nèi)核過(guò)渡到八內(nèi)核 SoC 也不需要修改軟件。該列隊(duì)和描述符系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)管理這種過(guò)渡。

靈活豐富的軟件方法

現(xiàn)有及新興應(yīng)用將針對(duì)處理元素與內(nèi)核有不同使用需求。一些應(yīng)用可獨(dú)立使用每個(gè)內(nèi)核，而其它應(yīng)用則希望將一個(gè)處理元素用作主控處理器，將其它處理元素指定為從處理器。第三種處理方式則是將所有處理元素當(dāng)作同級(jí)對(duì)待，在它們之間動(dòng)態(tài)分配任務(wù)。部分應(yīng)用可能希望將器件當(dāng)作通過(guò) OpenCL 與 OpenMP 等標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的高性能計(jì)算 (HPC) 引擎使用。

要應(yīng)對(duì)如此多樣化的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)人員需要一種可包含和簡(jiǎn)化使能器軟件、開(kāi)發(fā)工具以及操作系統(tǒng)的、能夠充分滿足各種應(yīng)用需求的開(kāi)發(fā)工具套件。這種工具套件應(yīng)隨硅芯片的發(fā)展而開(kāi)發(fā)，以便能夠順利訪問(wèn)應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員使用的處理內(nèi)核、加速器以及多層連接層。越來(lái)越多的進(jìn)步 SoC 開(kāi)發(fā)人員，采用基于 Eclipse 的工具，其可幫助他們客戶的各個(gè)開(kāi)發(fā)人員，根據(jù)個(gè)人喜好定制開(kāi)發(fā)環(huán)境?；?Eclipse 的工具提供開(kāi)放式開(kāi)發(fā)平臺(tái)的最佳特性，以及硅芯片開(kāi)發(fā)人員可最便捷啟用的優(yōu)化方案。

結(jié)論

多核處理器正處在高速發(fā)展階段。基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)的領(lǐng)先多核廠商在汲取先導(dǎo)產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)之后，正在推出第二代和第三代產(chǎn)品。此外，滿足各種性能及專用需求，并非指定解決方案要求的各產(chǎn)品系列現(xiàn)在也已推出。這些更新穎的產(chǎn)品采用通用架構(gòu)，可為設(shè)備制造商節(jié)省開(kāi)發(fā)成本與開(kāi)發(fā)時(shí)間。多核架構(gòu)已在評(píng)估競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品時(shí)占據(jù)了有利位置，成為主要的差異化因素。通過(guò)發(fā)揮多核性能，開(kāi)發(fā)人員不僅可為今天開(kāi)發(fā)令人振奮的新產(chǎn)品，也能為明天乃至未來(lái)數(shù)年開(kāi)發(fā)出令人振奮的新產(chǎn)品。

關(guān)于作者：

Tom Flanagan 現(xiàn)任德州儀器多核及無(wú)線基站基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)部技術(shù)戰(zhàn)略總監(jiān)。他擁有長(zhǎng)達(dá) 28 年的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，可協(xié)助 TI 決策如何不斷創(chuàng)新，向市場(chǎng)推出基于 DSP 的新產(chǎn)品與新技術(shù)。在擔(dān)任其在 TI 的目前職務(wù)之前，F(xiàn)lanagan 曾任 TI 寬帶通信產(chǎn)品部寬帶戰(zhàn)略總監(jiān)，負(fù)責(zé)把握市場(chǎng)趨勢(shì)，為包括有線、DSL 以及 WLAN 產(chǎn)品在內(nèi)的 TI 寬帶產(chǎn)品組合制定遠(yuǎn)景與戰(zhàn)略方向。

Sanjay Bhal 現(xiàn)任德州儀器多核及媒體基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)部戰(zhàn)略市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理，主要負(fù)責(zé)多核軟件產(chǎn)品管理與市場(chǎng)營(yíng)銷工作。Bhal 在嵌入式處理行業(yè)擁有超過(guò) 11 年的豐富經(jīng)驗(yàn)。

John Warner 現(xiàn)任德州儀器多核及媒體基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù)部總監(jiān)，主要負(fù)責(zé)相關(guān)產(chǎn)品管理、市場(chǎng)營(yíng)銷以及業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)工作。Warner 在電信行業(yè)擁有超過(guò) 20 年的豐富經(jīng)驗(yàn)，可幫助網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品部制定戰(zhàn)略方向。