在嵌入式多核集群中利用OCP處理高速緩沖器一致流量

摘要：隨著(zhù)處理性能的提升超出了單核系統的頻率和功率范圍，導致了多核集群的出現。MIPS科技的MIPS32 1004K一致處理系統(CPS)采用開(kāi)放內核協(xié)議(OCP)點(diǎn)對點(diǎn)連接，可在整個(gè)集群中建立基于偵聽(tīng)的一致性。本文詳細介紹這種通信模型的原理。

關(guān)鍵詞：1004K；OCP；一致處理；高速緩沖器一致；多核

　　Matthias Knoth：設計工程師，負責低功耗、微架構和1004K處理器方案。

源于一種基于消息的存儲一致模型

　　傳統上，多處理器系統中的存儲器一致性都是通過(guò)總線(xiàn)偵聽(tīng)實(shí)現的，每個(gè)內核都與一個(gè)通用多層總線(xiàn)連接，能夠偵聽(tīng)同級處理器的存儲器存取流量，以調節每個(gè)高速緩沖器行的一致?tīng)顟B(tài)。這樣，每個(gè)內核都在本地保持了L1高速緩沖器行的一致?tīng)顟B(tài)，并通過(guò)通用總線(xiàn)將狀態(tài)的改變通知同級處理器。

　　SoC不斷增加的面積和復雜性導致了多層總線(xiàn)基本哲學(xué)的改變，以利于采用集中流量路由的本地點(diǎn)對點(diǎn)連接。由于負載的減少和段長(cháng)的縮短，這將有助于顯著(zhù)加速和推動(dòng)現在的本地化總線(xiàn)段的改善。同時(shí)，也可以緩解總線(xiàn)爭用問(wèn)題，同時(shí)增加了本地化數據交換吞吐量。為了滿(mǎn)足這一系統架構趨勢，出現了OCP(開(kāi)放內核協(xié)議)標準，進(jìn)一步鞏固了這一設計哲學(xué)。另外，IP供應商業(yè)務(wù)模式的出現催化了IP互連和設計方法的標準化，有利于在一個(gè)開(kāi)放標準基礎上實(shí)現設計的復用。

　　然而，與通過(guò)OCP互連段操控一樣，本地化總線(xiàn)執行將整個(gè)多核集群上的處理器分拆開(kāi)。一致方案不能直接基于總線(xiàn)偵聽(tīng)和依賴(lài)總線(xiàn)仲裁來(lái)確保存取排序，需要不同的通信方法來(lái)確保數據存取的一致性。在爭用L1行數據請求排序的過(guò)程中，其他挑戰也浮現出來(lái)。應對這些挑戰的一種方法是給每個(gè)處理單元增加一致消息通信，如圖1所示。這些消息提供了偵聽(tīng)型緩沖器一致的方法。

圖 1  一致處理系統

　　一致消息包含了OCP協(xié)議中的一個(gè)新命令。處理器系統中的成員向一個(gè)集中一致管理器發(fā)送一致消息。該管理器提供存取排序(順序化)和消息路由，為同級成員提供偵聽(tīng)型存取。這些同級成員將以其單獨的L1行狀態(tài)進(jìn)行響應，并發(fā)出一個(gè)消息響應。根據這些響應，一致管理器發(fā)起對內核間一致數據的數據移動(dòng)，將存取集中在更高級別的存儲器層，如L2和L3高速緩沖器。I/O一致單元還可提供一種方式逐漸采用/逐漸淘汰數據進(jìn)/出一致地址空間的數據，它是一致消息交換的一部分。

　　除了OCP協(xié)議中的新消息類(lèi)命令外，還需要具體的處理器響應一致?tīng)顟B(tài)請求，因此它們不只是總線(xiàn)處理的發(fā)動(dòng)者(主控)。一致處理系統滿(mǎn)足這一要求的方法可能是通過(guò)提供一個(gè)OCP從端口來(lái)接收和響應一致管理器發(fā)送的消息。處理器的一致請求將利用OCP主端口。在處理集群內，內核間和一致管理器之間的一致消息交換被稱(chēng)為“干預”。處理器的OCP從端口接收干預，因此稱(chēng)為“干預端口”。

　　如圖1所示，1004K系統的每個(gè)獨立處理器都是基于我們多線(xiàn)程處理器架構的，可以在單標量、9級流水線(xiàn)范圍內提供兩個(gè)獨立線(xiàn)程并處理上下文。復制的1級數據高速緩沖器標記陣列可同時(shí)用于存取CPU操作和干預查尋。一致處理系統可支持MESI型高速緩沖器行一致性。

　　處理系統一致管理器通過(guò)其請求單元—OCP從端口，在每個(gè)CPU和I/O一致單元的推動(dòng)下，接收進(jìn)入的消息并對其進(jìn)行串化。串化的消息按照其地址空間和上下文，或使用“存儲器接口單元”發(fā)送到更高級別的高速緩沖器層，或使用“偵聽(tīng)代理”發(fā)送至同級處理器和I/O一致單元。偵聽(tīng)代理發(fā)起OCP主處理(干預)來(lái)查尋每個(gè)處理器的一致L1高速緩沖器行狀態(tài)。干預返回到消息發(fā)起者，稱(chēng)為自我干預，有助于發(fā)起者提供存取排序。對 CPU 發(fā)起的一致消息響應和數據響應是在“響應單元”內確立的，并發(fā)送到每個(gè) CPU。

一致OCP命令

　　在1004K CPS中使用的OCP命令可以分成三類(lèi)。

　　第一類(lèi)是保持MESI型高速緩沖器行狀態(tài)的一致消息。它們是CPU負載/存儲操作的結果，能夠發(fā)起CPU和/或存儲器子系統之間的數據移動(dòng)。CPS(一致處理系統)的所有同級CPU將接收由一個(gè)發(fā)起者發(fā)送的一致消息，并根據它們的高速緩沖器行一致?tīng)顟B(tài)做出響應。一致管理器將根據需要發(fā)起數據移動(dòng)。

　　一致高速緩沖器操作指令用于一致地址空間內高速緩沖器行的維護。I/O流量將新的一致行帶入該域，或將一致上下文從高速緩沖器行中移除。另外，還要進(jìn)行存儲器層的同步化操作。

　　第三類(lèi)是非一致命令，在一致地址空間外的存儲區中執行OCP主端口處理。它們代表了OCP讀寫(xiě)命令。