滿(mǎn)足嵌入式系統應用的多核處理器SoC設計

　　隨著(zhù)嵌入式處理需求的快速增長(cháng)，系統架構正朝著(zhù)多處理器設計的方向發(fā)展，以解決單處理器系統復雜度太高和計算能力不足的問(wèn)題。憑借其高邏輯密度及高性能硬模塊，新一代FPGA已經(jīng)使功能強大的芯片多處理(CMP)解決方案成為現實(shí)。目前的挑戰在于如何在該解決方案的范疇內快速完成設計的開(kāi)發(fā)與創(chuàng )建。

　　賽靈思嵌入式開(kāi)發(fā)套件(EDK)工具和IP具有很大的靈活性，用戶(hù)可以利用它們以FPGA邏輯為基礎設計出獨具特色的定制多處理解決方案，從而同時(shí)滿(mǎn)足價(jià)格和性能目標要求。本文將主要介紹以PowerPC和MicroBlaze嵌入式處理器為基礎的賽靈思解決方案中的多處理概念。

　　應用領(lǐng)域

　　性能和功能劃分是設計多處理器系統的主要動(dòng)力?？偟膩?lái)說(shuō)，多處理在以下這些常見(jiàn)場(chǎng)合中會(huì )發(fā)揮作用：

　　1. 多個(gè)獨立功能。設計可能需要應對多個(gè)獨立的處理任務(wù)。解決這個(gè)問(wèn)題的好方法是為每個(gè)處理任務(wù)創(chuàng )建獨立的專(zhuān)用處理模塊，并為每個(gè)處理模塊分配專(zhuān)用處理器和外設集。

　　2. 控制或數據層面卸載。常見(jiàn)情況是既有實(shí)時(shí)任務(wù)(計算或數據密集型)，也有非實(shí)時(shí)任務(wù)，從而可能導致單處理器解決方案無(wú)法做出及時(shí)的響應。對于這種情況，您可以分配一個(gè)從處理器以便及時(shí)完成實(shí)時(shí)任務(wù)，主處理器則完成其他常規任務(wù)，并且充當到主機系統的接口。主處理器同時(shí)也監控從處理器。從處理器可能包含專(zhuān)用功能或接口，從而能夠滿(mǎn)足計算性能要求。相應的例子包括網(wǎng)絡(luò )負載分擔、媒體處理以及安全算法等。

　　3. 接口處理。對于作為多接口之間的橋梁或開(kāi)關(guān)的系統，您可以分配一個(gè)從處理器用于處理每個(gè)接口上的數據，而用一個(gè)或者多個(gè)主處理器處理更高級的橋接或者開(kāi)關(guān)任務(wù)。

　　4. 數據流處理。對于數據流計算問(wèn)題，您可以安排多個(gè)處理器以流水線(xiàn)的方式處理數據流。多處理器流水線(xiàn)的每一級都要在將數據傳到下一個(gè)處理器之前完成一部分計算任務(wù)。這是提高系統吞吐量的一種有效方式。

　　5. 可靠性和冗余度。您可以多次復制處理系統以提高可靠性和冗余度。

　　6. 對稱(chēng)處理。傳統的對稱(chēng)處理(SMP)是一種十分有用的解決方案，您可以利用它來(lái)提升那些不存在明確劃分邊界的應用性能。一個(gè)具有SMP功能的OS層可以管理并行任務(wù)，并且在多處理器之間自動(dòng)調度這些任務(wù)。然而，SMP使用模型不適用于賽靈思處理器，因為它們缺乏實(shí)現SMP所需的高速緩存相關(guān)性。

　　除了SMP場(chǎng)合，其他的所有應用場(chǎng)合均適合賽靈思公司帶有EDK工具的FPGA的應用。賽靈思處理解決方案的獨特之處在于，它可以針對應用要求來(lái)靈活定制每個(gè)處理子系統。例如，并不是所有的處理器都需要一個(gè)高速緩存或者浮點(diǎn)單元。通過(guò)為特定處理器分配特定的功能，您可以創(chuàng )建一個(gè)能夠實(shí)現所有設計目標的專(zhuān)用解決方案。

　　簡(jiǎn)單且可擴展的系統架構

　　正如您見(jiàn)到的那樣，有許多種使用模型適合多處理器使用。同時(shí)存在多種系統架構的可能性。為某一應用場(chǎng)合明確一種單純且可擴展的拓撲和架構是一件令人頭疼的事情，所以定義一個(gè)可以滿(mǎn)足大部分需求的基線(xiàn)架構會(huì )將有所幫助。

　　圖1給出了一個(gè)雙內核架構。這個(gè)架構展示了簡(jiǎn)單且可擴展的多處理器系統定義。您可以基于這個(gè)定義衍生出新的拓撲來(lái)應對設計約束或挑戰。該架構的主要概念如下：

　　圖1：雙處理器架構