多核嵌入式系統的節能機遇與策略

　　本文列舉了多核嵌入式系統存在的一些主要局限，并對解決這些局限的可行方案進(jìn)行了探討。將以一些嵌入式系統為例，指出利用現有架構改進(jìn)系統節能效果的機遇。多核處理器與新興的嵌入式平臺的結合能夠滿(mǎn)足現代嵌入式應用所需的高計算能力。但是，此類(lèi)嵌入式應用需要進(jìn)行高頻切換，這將導致功耗較大、芯片溫度過(guò)高，以及電源接地噪聲。開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)本文找出改進(jìn)現代嵌入式系統節能效果的機會(huì )，并了解實(shí)現電源效率最大化的可行方案。

　　多核處理器的自主節能

　　本文以甲骨文(Oracle)/SunMicrosystem公司的UltraSPARC T1處理器為例展開(kāi)論述。選擇UltraSPARC T1的原因是，其設計源代碼、仿真工具及設計驗證套件均為開(kāi)源，而且可以從Oracle公司網(wǎng)站上下載。本文將利用此案例討論從哪方面以及通過(guò)何種方式實(shí)現節能。

　　圖1顯示了與處理器每個(gè)內核相關(guān)的陷阱邏輯單元。陷阱實(shí)現了軟件從低級到高級特權模式(例如從用戶(hù)模式到管理或監督模式)的控制矢量傳遞。就UltraSPARC T1處理器而言，Tcc指令以及因指令引起的異常、復位、異步錯誤或中斷請求均會(huì )導致陷阱的發(fā)生。

　　圖1：陷阱邏輯單元

　　通常，陷阱會(huì )導致SPARC流水線(xiàn)被沖刷(Flush)。處理器狀態(tài)將被存儲在陷阱寄存器堆棧中，而陷阱處理程序代碼則將被執行?？刂频膶?shí)際傳遞是通過(guò)含有每個(gè)陷阱處理程序前八個(gè)指令的陷阱表來(lái)實(shí)現的。用于將陷阱傳遞到特權模式中的表格的虛擬基址在陷阱基址(TBA)寄存器中被指定。表格中的位移則取決于陷阱的類(lèi)型和當前的陷阱級別。當遇到DONE(完成)或RETRY(重試)指令時(shí)，陷阱處理程序代碼執行完畢。陷阱可能與SPARC內核流水線(xiàn)同步或異步。圖2顯示了與SPARC內核其他硬件模塊相關(guān)的TLU中的陷阱控制和數據流。從IFU、EXU、LSU及TLU傳入的陷阱的優(yōu)先級最先被解析，解析的陷阱類(lèi)型被確定。根據陷阱類(lèi)型，以及在隊列中沒(méi)有其他更高優(yōu)先級的中斷或異步陷阱待處理的情況下，系統將向LSU發(fā)送沖刷信號，以提交之前未完成的所有命令。此外，陷阱類(lèi)型也決定了什么樣的處理器狀態(tài)寄存器需要被存儲到陷阱寄存器堆棧中。之后，將選擇陷阱基址并將其發(fā)往流水線(xiàn)做進(jìn)一步執行。

　　圖2：芯片框圖

　　圖2顯示了多核嵌入式處理器的芯片布局。該處理器有可變數量的內核、L2緩存體(bank)、內核外浮點(diǎn)單元(FPU)及輸入輸出邏輯，而且它們通過(guò)芯片上的網(wǎng)絡(luò )互連。在CASPER仿真環(huán)境中，設計師可以對各種架構參數進(jìn)行修改。

　　節能機遇

　　對于上述多核嵌入式處理器，已確定了以下內核級和芯片級節能候選元素(PSC)：

　　1.寄存器文件，即線(xiàn)程專(zhuān)用單元。每個(gè)線(xiàn)程都有一個(gè)160雙字(64位)的寄存器文件，而且當線(xiàn)程的某個(gè)任務(wù)被阻塞或空轉時(shí)可以節省大量功耗。

　　2.數據緩存未命中時(shí)，用以排列數據的加載未命中隊列(LMQ)。線(xiàn)程之間可以共享加載未命中隊列，但通過(guò)這種方法節省的功耗較少。

　　3.分支預測器。分支歷史表可以是線(xiàn)程專(zhuān)用的，因此可以節省大量功耗。

　　4.當內核中所有線(xiàn)程的所有任務(wù)發(fā)生阻塞或空閑時(shí)，或沒(méi)有任務(wù)被調度到內核中的任何線(xiàn)程時(shí)，整個(gè)內核可以節省大量功耗。

　　5.內核中用于硬件和軟件中斷的陷阱單元。研究結果顯示，在UltraSPARC T1處理器中，用于典型SPECJBB網(wǎng)絡(luò )處理應用的陷阱指令在所有指令中所占的百分比還不到1%.這表明，陷阱單元是非常好的潛在節能元素。請注意，雖然在大部分時(shí)間內其余的陷阱邏輯可能處在節能模式下，接收陷阱的輸入接收隊列需一直保持在活躍狀態(tài)，但隊列的功耗可以忽略不計。

　　6.在緩存體和輸入輸出緩沖器之間控制數據流的用于L2緩存的DMA控制器。

　　7.內核和L2緩存體之間的命令和數據隊列。

　　8.當需要訪(fǎng)問(wèn)片外緩存或主存儲器時(shí)，只有在片上L2緩存有緩存未命中時(shí)才會(huì )被激活的緩存未命中路徑邏輯。