多核嵌入式系統(tǒng)的節(jié)能機遇與策略

　　本文列舉了多核嵌入式系統(tǒng)存在的一些主要局限，并對解決這些局限的可行方案進行了探討。將以一些嵌入式系統(tǒng)為例，指出利用現(xiàn)有架構(gòu)改進系統(tǒng)節(jié)能效果的機遇。多核處理器與新興的嵌入式平臺的結(jié)合能夠滿足現(xiàn)代嵌入式應用所需的高計算能力。但是，此類嵌入式應用需要進行高頻切換，這將導致功耗較大、芯片溫度過高，以及電源接地噪聲。開發(fā)人員可以通過本文找出改進現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)節(jié)能效果的機會，并了解實現(xiàn)電源效率最大化的可行方案。

　　多核處理器的自主節(jié)能

　　本文以甲骨文(Oracle)/SunMicrosystem公司的UltraSPARC T1處理器為例展開論述。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何種方式實現(xiàn)節(jié)能。

　　圖1顯示了與處理器每個內(nèi)核相關的陷阱邏輯單元。陷阱實現(xiàn)了軟件從低級到高級特權(quán)模式(例如從用戶模式到管理或監(jiān)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導致陷阱的發(fā)生。

　　圖1：陷阱邏輯單元

　　通常，陷阱會導致SPARC流水線被沖刷(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(zhí)行?？刂频膶嶋H傳遞是通過含有每個陷阱處理程序前八個指令的陷阱表來實現(xiàn)的。用于將陷阱傳遞到特權(quán)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型和當前的陷阱級別。當遇到DONE(完成)或RETRY(重試)指令時，陷阱處理程序代碼執(zhí)行完畢。陷阱可能與SPARC內(nèi)核流水線同步或異步。圖2顯示了與SPARC內(nèi)核其他硬件模塊相關的TLU中的陷阱控制和數(shù)據(jù)流。從IFU、EXU、LSU及TLU傳入的陷阱的優(yōu)先級最先被解析，解析的陷阱類型被確定。根據(jù)陷阱類型，以及在隊列中沒有其他更高優(yōu)先級的中斷或異步陷阱待處理的情況下，系統(tǒng)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)往流水線做進一步執(zhí)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(shù)量的內(nèi)核、L2緩存體(bank)、內(nèi)核外浮點單元(FPU)及輸入輸出邏輯，而且它們通過芯片上的網(wǎng)絡互連。在CASPER仿真環(huán)境中，設計師可以對各種架構(gòu)參數(shù)進行修改。

　　節(jié)能機遇

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

　　1.寄存器文件，即線程專用單元。每個線程都有一個160雙字(64位)的寄存器文件，而且當線程的某個任務被阻塞或空轉(zhuǎn)時可以節(jié)省大量功耗。

　　2.數(shù)據(jù)緩存未命中時，用以排列數(shù)據(jù)的加載未命中隊列(LMQ)。線程之間可以共享加載未命中隊列，但通過這種方法節(jié)省的功耗較少。

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

　　4.當內(nèi)核中所有線程的所有任務發(fā)生阻塞或空閑時，或沒有任務被調(diào)度到內(nèi)核中的任何線程時，整個內(nèi)核可以節(jié)省大量功耗。

　　5.內(nèi)核中用于硬件和軟件中斷的陷阱單元。研究結(jié)果顯示，在UltraSPARC T1處理器中，用于典型SPECJBB網(wǎng)絡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(jié)能元素。請注意，雖然在大部分時間內(nèi)其余的陷阱邏輯可能處在節(jié)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(shù)據(jù)流的用于L2緩存的DMA控制器。

　　7.內(nèi)核和L2緩存體之間的命令和數(shù)據(jù)隊列。

　　8.當需要訪問片外緩存或主存儲器時，只有在片上L2緩存有緩存未命中時才會被激活的緩存未命中路徑邏輯。