利用工具和技巧應對多核設計領(lǐng)域的挑戰

　　多處理器電腦已存在一段時(shí)間了，但工程師們只是在最近幾年才有機會(huì )買(mǎi)到具有多個(gè)處理器或“核心”的芯片現貨。這些器件分為兩類(lèi)：對稱(chēng)型和非對稱(chēng)型。第一類(lèi)器件提供同一CPU內核的多個(gè)“克隆”，因此稱(chēng)作對稱(chēng)型。第二類(lèi)是將不同類(lèi)型的CPU、DSP、加速器都放在一個(gè)單片系統中。本文將專(zhuān)門(mén)介紹第一類(lèi)多核技術(shù)。

　　據Extreme Engineering Solutions公司首席執行官Rob Scidmore表示，單核處理器與多核處理器使用的硬件僅存在很少幾項區別?！疤魬饡?huì )出現在，當你必須把軟件從單核遷移到雙核時(shí)。當兩個(gè)處理器內核必須通信時(shí)，性能可能會(huì )降低很多。系統的等待時(shí)間變得更長(cháng)，但吞吐率依然很高。當工程師們?yōu)槊總€(gè)內核把應用代碼分解成片段時(shí)，就必須應對上述局面。他們必須平衡等待時(shí)間和吞吐率?！?/P>

　　但是，工程師們經(jīng)常會(huì )把代碼分解成片段。Scidmore解釋說(shuō)：“他們也許通過(guò)以太網(wǎng)端口接收圖像，用算法處理圖像，然后顯示它們。你可以在一個(gè)處理器上運行TCP/IP堆棧，在第二個(gè)處理器上運行算法，并把第三個(gè)處理器專(zhuān)門(mén)用于顯示。但是如果你有數千個(gè)匯編語(yǔ)言文件，那么你別無(wú)選擇，只能回到框圖并從頭開(kāi)始，并花時(shí)間把某個(gè)應用劃分成幾個(gè)線(xiàn)程?！?/P>

　　一些為對稱(chēng)多處理(SMP)提供支持的操作系統(OS)可以提供某種方式來(lái)集成舊代碼和新代碼。例如，QNX公司的Neutrino OS提供混合多處理(bound multiprocessing)，它使開(kāi)發(fā)人員能使多個(gè)進(jìn)程始終位于某個(gè)核心，或稱(chēng)“鎖定”。QNX公司產(chǎn)品經(jīng)理Kerry Johnson說(shuō)：“假設你有一些舊軟件，它們在多核芯片或多處理環(huán)境中也許不能恰當運行。代碼可能會(huì )假定它擁有對I/O設備等的獨占控制權，這可能會(huì )在多核系統中造成一些問(wèn)題。這種情況下，你可以把軟件‘鎖’在某個(gè)內核里，不必修改代碼。然后你可以添加新應用軟件，它將利用剩余內核。舊軟件和新軟件并存于某個(gè)多核芯片上的相同OS中?！?/P>

　　Johnson說(shuō)：“要讓開(kāi)發(fā)人員理解多核芯片不需要每一個(gè)內核都擁有自己的OS，這是一個(gè)挑戰。具備SMP能力的單一OS可立即監督多個(gè)內核的運行情況。隨著(zhù)更多OS廠(chǎng)商開(kāi)始支持SMP，開(kāi)發(fā)人員將會(huì )更好地理解，他們可以使用一種編程風(fēng)格，并讓他們的代碼工作在單核、雙核、四核處理器。一套軟件工具可工作在所有這些環(huán)境中?！?/P>

　　當然，這些工具必須包含源代碼級調試器。 Johnson解釋說(shuō)：“設計人員需要一個(gè)調試器處理所有這些內核，希望在一個(gè)窗口里看到一切，而不是每個(gè)內核都有一個(gè)調試窗口。在特定時(shí)間，無(wú)論哪個(gè)處理器運行代碼，調試器都必須在斷點(diǎn)停止，追蹤程序執行情況，并在所有內核收集數據，就像它對單核芯片做的那樣?！?/P>

　　作為 Neutrino操作系統的一部分，QNX公司在其中提供了一個(gè)帶有調試工具的內核，它使開(kāi)發(fā)人員能用日志記錄低級的狀態(tài)變化、中斷等事件。因此人們能看到所有內核的互動(dòng)。Johnson說(shuō)：“當內核共享存儲器和I/O設備時(shí)，你可能會(huì )遇到必須詳細檢查的問(wèn)題。這個(gè)配備了儀器的內核把數據記錄在日志里，并且Momentics系統剖析器可以讓你分析日志記錄的信息?！盦NX公司提供帶有調試工具的內核以及未配備調試工具的內核。前者提供一種方法來(lái)檢查和測試現場(chǎng)的操作，而后者則略微減少了內核開(kāi)發(fā)成本，并略微增加了內核的代碼空間。

　　在把應用軟件放到多核系統中以前，需要多次測試這些軟件。但是，如果原型硬件在代碼準備就緒時(shí)就已存在的話(huà)，則測試會(huì )占用這些昂貴并且難以部署的原型硬件。并且如果把代碼鎖定到多核硬件，就會(huì )很快減少在硬件和軟件之間折衷的機會(huì )。作為替代辦法，可以考慮在虛擬系統上運行軟件，該系統模仿處理器核心和其它硬件設備。Virtutech公司營(yíng)銷(xiāo)副總裁 Michel Genard說(shuō)：“硬件虛擬化使你能做許多探索。你可以看到應用代碼在一個(gè)或幾個(gè)核心內如何工作。并且你可以觀(guān)察為每個(gè)內核改變時(shí)鐘頻率后造成的影響，但不必改變硬件。無(wú)需占用硬件，可以運行自己的應用代碼?！?/P>

　　由于虛擬系統控制了時(shí)間，因此可以停止所有內核和設備，并且可以向后或向前運行代碼。還可以用檢查點(diǎn)在特定時(shí)間訪(fǎng)問(wèn)來(lái)自“內部”核心和所有其它設備的信息。Genard指出：“開(kāi)發(fā)人員告訴我們一些噩夢(mèng)，比如多核系統中的 SMP競態(tài)條件。他們發(fā)現幾乎無(wú)法在硬件上調試多核應用代碼。另一方面，虛擬環(huán)境使他們能再現系統行為。他們可以根據需要‘備份’、檢驗、改變數據，或觀(guān)察和改變行為?！?

　　虛擬化還有一個(gè)好處：開(kāi)發(fā)人員可以確定自己的軟件將如何利用多個(gè)內核以及系統的其它硬件，因此他們可以做出設計決定。他們也許會(huì )發(fā)現，兩個(gè)內核將提供與四個(gè)內核相同的性能。

　　工程師們經(jīng)常把飛思卡爾、英特爾、博通等公司看作多核芯片廠(chǎng)商，而XMOS Semiconductor和Parallax等其它公司也提供多核器件，但面向不同市場(chǎng)。

　　據 XMOS公司首席技術(shù)官及創(chuàng )始人之一David May表示，該公司把它的XS1-G多核IC家族定位為“軟件定義芯片”。他說(shuō)：“XCores也許有些不同尋常，這是因為它們看起來(lái)像通用處理器以及與 I/O接口緊密集成的可編程狀態(tài)機。它們能做許多你分配給專(zhuān)用硬件做的事情?！泵總€(gè)XCore均位于一個(gè)XCore Tile中，后者有自己的寄存器、存儲器、I/O端口以及XLink，XLink與相同或不同IC上的其它Xcore通信。一個(gè)XCore能同時(shí)執行8個(gè)線(xiàn)程。

　　開(kāi)發(fā)人員使用XC語(yǔ)言，它是C語(yǔ)言的衍生品，包括輸入與輸出命令以及多種功能，用于將在不同核心上運行的軟件組件。 David May表示，“在盡可能的情況下，程序員擁有與ANSI C相同的操作符和數據類(lèi)型。軟件開(kāi)發(fā)人員熟悉順序型C程序，他們很快就可領(lǐng)會(huì )新的I/O操作?！?/P>

　　XC語(yǔ)言的I/O命令控制著(zhù)I /O端口，并經(jīng)由XLink通道在XCore之間發(fā)送消息。據David May介紹，“XLink連接相同芯片上的各個(gè)內核，并且我們可以提供外部鏈路，因此可將兩塊XMOS芯片連接。產(chǎn)品應用多半將使用我們的多個(gè)IC。這種情況下，你可簡(jiǎn)單地創(chuàng )建IC之間的信號連接。PCB上無(wú)需復雜的高速總線(xiàn)或接口。你不必擔心同步操作和操作系統。我們的OS在硬件里面。在我們的處理器上，對多數系統的OS調用就是一兩條指令?！?/P>

　　雖然多核應用乍一看也許很復雜，但有許多工具可以幫助開(kāi)發(fā)人員對可用內核加以利用。本文提及的公司提供了一種具有代表性的方式，來(lái)幫助人們在產(chǎn)品中輕松使用多核芯片。