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多核|SoC改變|互連要求

時間:2009-06-22 23:01:20來源:網友 作者:admin 點擊:

1970年代,由于微處理器的問世,利用分立式處理器、存儲控制器和I/O接口器件,在單塊電路板上就可以搭建出簡單的計算系統。由板級總線來連接這些器件,而當需要更高性能時,把多塊電路板

組裝在一起,利用系統級總線通過背板提供卡間通信。這些電路板和系統互連協議都是專利性的。但隨后,專用的協議逐漸讓位于標準化協議,比如以太網、PCI Express 或RapidIO協議。

  與此同時,集成電路>集成電路技術遵循摩爾定律,其包含晶體管的數目和速度以一定的代價不斷增加。這些趨勢共同大幅度推動了處理器性能的提高。

  迄今已有數代硅器件充分利用了這一良性周期。不幸的是,單核處理器的性能提高速度已開始趨于下滑。造成這種下滑的最重要因素一直是功耗。晶體管越小,開關速度越快。晶體管尺寸的縮小使

泄漏增加,導致靜態功耗的增大。同時,隨著晶體管開關速度的加快,動態功耗也在增加。

  這種不斷上升的功耗凸顯了目前硅工藝技術存在的幾個現實問題。首先,單個處理器的性能受功率和系統功耗的限制。其次,晶體管預算在繼續增加,而可獲得的時鐘速率卻不然。

  隨著晶體管預算的持續增加,業界已迅速轉向帶有多個處理器內核的器件。這些器件還集成有內存控制器、應用加速器和I/O接口的器件,形成一個多核SoC。多核器件有望大大提高系統性能。

  SoC器件的面世模糊了單個元件及其所實現的系統架構之間的界線。曾經一個完整的計算系統需要一塊電路板來實現,而現在只需單個器件就能夠把多個這類系統囊括在內。

  向SoC器件的轉換改變了SoC和其它器件及網絡之間的互連要求。電路板和系統級互連最初基于總線共享,而且和以往的處理器一樣,采用一種類似的方式來滿足對更高互連性能的要求:增加時鐘速

率,加寬總線帶寬。然而,蹈處理器之覆轍,最后同樣因物理效應的影響,總線上的器件數目不得不減少,從而催生出了總線分割、分層化拓撲和最終的點到點開關網絡。

  嵌入式系統>嵌入式系統常常被劃分為三個子系統功能:控制面板、數據面板和系統管理。當系統只包含一個計算系統時,系統級的通信流數目很有限。這是幸運的,因為按照定義,基于總線的互連只能容納一

個通信流。

  QoS問題

  過去,為了提高系統性能,每一個功能采用一個專用處理器。隨著多個并行通信流的出現,服務質量(QoS)問題急劇增加。為了更好地優化帶寬并防止各個通信流之間產生干擾,在許多情況下都使用

了三種單獨的互連。在這些系統中,每一個處理器執行一個功能,并分別負責單個或最多很少幾個通信流。然而,多核SoC的問世使這種局面大為改觀。由于每個內核分別處理各自的通信流,故有可能實

現每芯片多個通信流。

  并行執行現有代碼,在單個多核SoC上實現控制、數據和管理面板功能的融合,這一近期目標預計將作為多核架構的權宜之計。其將在一個四核器件上產生至少三個以上的通信流。從長遠來看,軟件

將支持多核,并回復到眾多內核執行離散數據或控制面板功能。在任一種情況下,不論何處采用多核SoC都將出現多個通信流。隨著使用8、16甚至更多內核的下一代SoC的問世,未來2~4年間,單個器件

能夠支持的通信流數目將大幅度增加。

  目前的互連支持多個通信流嗎?答案是肯定的。通過在單個互連傳輸之前進行多路復用,可支持任何數目的通信流。但仍存在兩大挑戰:在目的節點如何對通信流進行多路分離,如何賦予每一個通

信流獨特的服務參數,比如保證帶寬以及平均或最差情況下的延時?

  要解決這些問題,協議需要具備好幾個功能。首先,這個協議必須能夠對各個通信流進行差異化。換言之,應該能夠檢查線纜上的數據包,并決定其屬于哪一個通信流?其次,當數據包通過互連傳

輸時,必須能夠執行服務參數。這一點可以通過控制仲裁和流量控制來實現。例如,穩健的SoC需要多個通信流量控制機制,以限制互連上的一系列擁塞事件。這些機制可能包括鏈路到鏈路、端到端和進

/出流量管理。

  嵌入式系統中應用最廣泛的互連也許是以太網。以太網的可擴展性已在多年服務中得到了充分的證實。基本的 Layer 2以太網幀只支持數據報類型(datagram-style)的處理,而且沒有已定義的流量

差異化頭字段。但之后,從Layer 2的VLAN標簽到更廣泛的Layer 3 IP報頭中的“5 Tuples(五元組)”,各種流量差異化方法被放在最高層。其中,“五元組”方案可支持數百萬個通信流。

  不幸的是,對以太網而言,QoS已證實是一個更大的挑戰。這是因為只有一個有限的鏈路級PAUSE-幀協議可被采用,而缺乏廣獲采納的流量控制機制所致。在鏈路級之外,有少量這一問題的解決方案

獲得牽引力,其中包括在Layer 2采用VLAN 優先級標簽(802.1Q),或在Layer 2 和Layer 3之間采用MPLS 報頭。

 

  另一個問題的出現是因為大部分在以太網上分層的方案往往都是采用軟件來實現的。由于硬件支持較少,可獲得的QoS參數受通信流通過軟件堆棧時產生的延時和延時抖動所限制。

  1999年定義的RapidIO互連規范代表了一種更先進的系統互連方案。在該規范的開發過程中,QoS曾是一個重要考慮事項,包含了好幾種流量控制機制,比如重試(retry)和基于信用(credit-based)的

鏈路級流量控制、端到端XON/XOFF和流量控制協議。

  在嵌入式系統中廣獲采用的另一種互連技術是PCI Express (PCIe)。PCIe最初瞄準PC和服務器市場,支持配置、事件消息發送和讀寫處理。這種技術在系統級的QoS支持很有限。在per-VC basis上有

穩健的基于信用的鏈路級流量控制,足以實現點到點通信。

  在實際應用中,以太網可以實現穩健的流量差異化,但缺乏穩健的QoS特性。大多數PCIe實現方案都沒有流量差異化能力。PCIe的流量控制有限,似乎是面向未來多核器件準備最不足的器件。三者中

RapidIO潛力最大,因為它支持三個具有優先級的通信流上的數百萬個差異化流量,并支持穩健的QoS特性。

  幸運的是,許多新興的多核SoC都支持多個外部互連協議。例如,飛思卡爾的8核QorIQ P4080就可以配置為支持這里提到的所有協議。

  當系統只包含一個計算系統時,系統級的通信流數目很有限。在多核SoC中,由于每個內核分別處理各自的通信流,有可能實現每芯片多個通信流。
 

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