世界各地的設計師都面臨著越來越嚴格的系統(tǒng)成本和功耗方面的限制，同時被要求他們的設計增加更多的性能和功能。 以前的做法是提高處理器的時鐘頻率，但是這種方法通常會增加功耗。此外存儲器性能的提升不能與處理器技術的進步保持一致(圖1)，兩者之間性能上的不匹配限制了系統(tǒng)性能方面的提高。因此提高處理器頻率的方法事倍功半。
還有一種選擇是采用多內(nèi)核系統(tǒng)，但是這要付出更大芯片面積和更高成本的代價。任何性能的提高都會導致相應的芯片成本和系統(tǒng)功耗。 另一種選擇是采用兩個或多個執(zhí)行單元的多發(fā)射處理器，但是它們會爭奪硬件資源，也存在著芯片面積問題。此外很多情況下，為了最好地利用多條流水線不得不對軟件做出修改。 然而多線程解決方案可通過增加處理器的利用率來隱藏存儲器延遲的問題。當一個線程停止時，其他線程就立即饋入流水線，從而顯著增加應用的吞吐能力。 單內(nèi)核上的多線程 最新發(fā)布的mips32 34k內(nèi)核系列可提供單內(nèi)核上的多線程能力，因而具有更高的系統(tǒng)性能、更低的系統(tǒng)成本和功耗，同時保留現(xiàn)有軟件架構上的投資。34k內(nèi)核針對高度并行的應用，如機頂盒、voip、多功能打印機或數(shù)字電視，可通過同時處理軟件的多個線程實現(xiàn)系統(tǒng)級并行。
減少總擁有成本和功耗 更高的效率有助于設計師減少系統(tǒng)中的其他硬件模塊，如專用的數(shù)字信號處理器(dsp)。更高的應用吞吐能力保證了實現(xiàn)同樣的性能所需的頻率比傳統(tǒng)處理器低，從而可降低整體功耗。此外，通過充分利用每個時鐘周期的所有計算能力可提升性能。 34k內(nèi)核系列技術 基于成熟的24ke微架構，34k內(nèi)核系列采用9級執(zhí)行流水線連接少量硬件，可處理虛擬處理單元(vpe)、線程關聯(lián)(tc)和服務質(zhì)量(qos)優(yōu)先級。
如圖2所示，每個線程都擁有其專用硬件，稱做線程關聯(lián)(tc)。這使每個線程都可以擁有自己的具備預取功能的指令緩沖器，因此核心能以逐個時鐘的方式在線程間進行切換，以使流水線盡可能完整。這些做法可以避免開銷高昂的關聯(lián)交換。 每個tc都擁有自己的通用寄存器，一個pc(程序計數(shù)器)可保證tc運行來自于復雜操作系統(tǒng)(如linux)上的一個線程。一個tc還和其它tc共享資源，特別是在操作系統(tǒng)內(nèi)核(os kernel)上的優(yōu)先代碼可使用cp0寄存器。 共享的cp0寄存器組和與其關聯(lián)的tc構成一個vpe。運行一個線程(如利用一個tc)的vpe非常類似于一個獨立的mips cpu，完全符合mip32架構的要求。 所有線程(在任意vpe中)共享同一個高速緩存，所以不會發(fā)生高速緩存一致性的問題。這消除了多核和多處理器系統(tǒng)中存在的問題，在這些系統(tǒng)中要用多個周期和額外的邏輯來管理不同的處理器并保證高速緩存的一致性。 根據(jù)應用的需求，34k核心可以配置多達5個tc，這些tc由最多兩個vpe支持。正是這種vpe和tc的結合提供了最高的芯片面積效率和靈活的解決方案。 服務質(zhì)量(qos) qos引擎從運行的線程中循環(huán)選取指令，逐個周期的交叉執(zhí)行指令，以使總體應用的吞吐能力最大化。這樣就可以使處理器帶寬在不同線程之間很好的共享，從而充分利用各自的處理“間隙”。或者通過向特定線程分配專用的處理帶寬，也可以實現(xiàn)如通信、視頻和音頻處理等實時任務所需要的服務質(zhì)量。 服務質(zhì)量由分級方法處理(如圖3)，這樣用戶就可以將不同等級的處理帶寬編程分配給現(xiàn)有的tc?；诜峙涞膸?，集成的策略管理器(policy manager)可以向單個tc分配優(yōu)先級，持續(xù)監(jiān)控線程進度，在需要時為分發(fā)調(diào)度器(dispatch scheduler)提供重要“提示”。分發(fā)調(diào)度器也可以逐周期的調(diào)度線程到執(zhí)行單元，以保證服務質(zhì)量要求。 軟件應用模型 另一個關鍵點是大多數(shù)配置將運行現(xiàn)有軟件而無需修改，對于系統(tǒng)開發(fā)者來說這是縮短產(chǎn)品上市時間的主要優(yōu)勢。 以最簡單的多線程形式，基于vpe的非對稱多處理(amvp)系統(tǒng)可保證兩個操作系統(tǒng)同時運行，每一個操作系統(tǒng)又在基于自己vpe的tc上(圖4)運行。大多數(shù)情況下這兩個操作系統(tǒng)很可能是兩個已有的操作系統(tǒng)(例如面向控制平面應用的linux和面向數(shù)據(jù)平面應用的rtos)，這些系統(tǒng)以前運行在兩個獨立的mips內(nèi)核上。 將兩個功能結合到一個核心可減少成本、芯片面積和功耗。這個單芯片、單核心soc可以由兩個操作系統(tǒng)用基本相同方式進行控制，正如以前那樣使操作系統(tǒng)、應用程序代碼的改變降到最低，從而提供一條向更高性能soc器件轉(zhuǎn)移的低風險路徑。 34k是高度可配置的內(nèi)核，圖5說明了這一點。用戶可以在一個vpe上運行住宅網(wǎng)關的控制平面功能，而在第二個vpe上使用4個tc支持多通道voip，從而大大的降低了系統(tǒng)成本。 本文小結 盡管嵌入式環(huán)境是高度并