- 利用MIPS多线程处理器优化SoC设计

　　

 

　　图2b：1004K顶层架构。

　　多线程应用实例

　　当决定多线程系统是否适用于一个特定应用时，设计人员必须考虑几个因素。首先，设计人员必须考虑软件和所需的功能集，包括不同的任务、可能分割这些任务的方式、每个任务的性能需求、不同任务的总线互动、多媒体等任务的特殊需求，以及其他考虑因素。其他主要考虑因素包括任务、安全性，当然还有功耗和成本的协调程度。

　　的确，分析起来往往不太简单，因此很好地理解重点至关重要。例如，如果目标是以最低的成本实现最高的IPC，设计人员就可以创建多线程系统来利用单个内核中不同的线程，并运行在最高频率下。在另一个设计中，功率可能是一个关键问题，所以设计人员可以选择将任务分布于多个内核的多个线程，并降低频率以减少功耗。MIPS-Based多线程系统的关键是可扩展性，在需要时帮助设计人员达到尽可能高的性能，而当性能并不是最优先考虑时，则可以缩减可扩展性。另一个例子是，一个系统可能需要运行2个操作系统，同时要满足非常严格的QoS和成本限制。设计人员可以利用两个VPE运行软件，其中一个运行RTOS，另一个运行bare iron，同时完全隔离语音或视频等QoS敏感的应用。这些都可以在不运行第二个内核的情况下实现。以下例子的使用模型已经部署在用于汽车和网络的MIPS-Based多线程SoC中，证明了广泛的应用都可以受益于多线程。

　　1.汽车驾驶辅助系统

　　多线程系统设计实际部署的第一个例子来自一家基于视觉的驾驶辅助系统(DAS)的SoC领先供应商。图像和视频分析在性能和成本方面的进步使这些技术开始进入消费市场。但是，对这类技术的不断改进是一个非常艰巨的任务。例如，该SoC供应商使用了34K处理器的多线程功能，大幅提高了其视觉系统(原本基于单线程内核)的性能和效率，系统接收来自摄像头的数据，查找图像中的元素，生成车道偏离、前向碰撞、视觉/雷达融合及行人侦测等警告。

　　该SoC系统采用一系列图像处理引擎作为外围设备到主CPU总线的连接，以提供和接收实时数据。在这个系统中，大量的数据和指令从CPU传输到图像处理引擎。伴随着典型的指令缓存未中，这导致了单线程CPU无法解决的极具挑战性的瓶颈。事实上，供应商的原始系统具有一个仅为0.3的IPC。新系统采用一个单线程架构，由于其性能要求很高，这意味着要么放慢整个系统，要么跳过数据处理，因而有可能导致错误。增加CPU时钟速度更加剧了这一问题，因为这只是增加了处理器暂停的频率。此外，增加的额外内核增加了总线竞争数量，从而影响了实时带宽。

　　通过仿真，设计人员的结论是，一个多线程系统将通过管理整个系统包括8个图像处理引擎的多个操作来性能提升。他们采用了一个4线程34Kf内核与8的图像处理引擎互动。一个QoS管理器起到了调整和优化关键线程的重要作用。实际上，这种架构有助于将IPC从0.3提高到0.9。使用QoS管理器对IPC从0.6到0.9非常关键。此外，有了如此高的IPC，增加的CPU时钟实现了显著的改善。事实上，由于利用了其多线程和其他架构的改进，供应商只需将频率从110MHz适度地增加至166MHz，同时维持3W的功耗(这是前一代产品的功耗)，就能够实现其性能目标。此外，第二个34Kf内核的实例可以支持一个用户的专有算法。在这两个处理器线程之间的通信是通过对一个线程间通信块的修改来实现的，这实际上有助于提高系统一致性。对于未来的系统，将要求更高的性能和更低的成本。该SoC供应商将会采用一个4内核1004Kf CPS，以确保设计能够满足这些目标。

　　2.宽带CPE/住宅网关

　　住宅网关是另一个面临日益集成的系统。宽带客户端设备已经发展到不仅是提供DSL、有线或PON等宽带服务等基本接入的调制解调器设备。它们已成为集成式住宅网关或集成式接入设备，其中包括路由/交换、双绞线/同轴/电源线/WiFi网络功能、安全、USB和VoIP支持等，以及基本的调制解调器功能。某些架构还集成了存储功能，其中的网关可作为媒体服务器使用。这种集成使网关系统的设计极具挑战性，而多线程可以提高性能和/或改进这些设备的整体架构。

　　无线家庭网络和宽带接入半导体市场的全球技术领导厂商Ralink Technology已在网关中成功部署了多线程MIPS-Based SoC。ADSL IAD是Ralink的首个基于34K内核的芯片，目前已批量生产，并已成功部署在欧洲电信运营商的网络中。多线程已被证明非常适合这个三网融合系统，因为它有助于更有效地运行多个应用。此外，通过使用VPE对时间敏感流量进行隔离是保证确定性响应的关键。该SoC采用一个34K内核和在两个VPE上的四个线程。第一个VPE即VPE0执行三个线程，支持WLAN、以太网和USB处理，而第二个VPE即VPE1执行一个线程，支持ATM和VoIP。凭借这个架构，Ralink能够以单个器件有效地提供确定性VoIP响应，支持多个应用。

　　本文小结

　　硬件多线程是一种已经成为主流的技术，今天有许多芯片供应商在为各种应用提供MIPS-Based多线程SoC。本文讨论了网络和汽车应用，而多线程可以用于任何具有很多并发任务，或者是QoS非常重要的系统。其他厂商已经实现了用于机顶盒、高端存储和网络基础设施设备的MIPS多线程SoC。而一些评估已开始用于移动应用中使用的多线程，如智能手机和平板电脑。作为集成的通信、生产力和多媒体娱乐设备，这些设备的复杂性还在不断增长。多线程将是有效处理多个移动应用(其中一些是延迟敏感的应用)的理想解决方案。当然，可以采用使用多个内核同时处理线程的强制方法，但是采用多线程是迄今为止实现IPC和/或QoS性能要求的一个更完美和成本更低的方法。通过提供支持硬件多线程的单内核和多内核产品，MIPS科技具备独特的优势，可帮助设计人员以非常具有成本效益的方式开发高性能和低功耗的SoC。