多處理器內(nèi)核的三種設計方案分析介紹

下面是對采用當前開發(fā)工具和硬件直接實現(xiàn)多內(nèi)核系統(tǒng)的三個簡單模型的概述。這些多內(nèi)核設計模式不是一個為了嚴格定義一個系統(tǒng)的剛性模型，而是針對思考和探討關于系統(tǒng)實現(xiàn)宏偉藍圖的初始點，以及規(guī)定了一套通用術語以便軟、硬件團隊都能設計出一個多內(nèi)核系統(tǒng)結構。

　　三種設計模式

　　1． 平面模式

　　第一種模式是平面模式(Planar Pattern)，這個名稱源于劃分一個通信系統(tǒng)的處理任務的“控制平面”和“數(shù)據(jù)平面”。它是一個廣泛的和不同類型的多內(nèi)核設計實例，這種多內(nèi)核設計統(tǒng)稱為非對稱多處理技術(簡稱“AMP”或“ASMP”)。

　　如果采用平面模式，系統(tǒng)需要劃分成具有顯著不同處理要求的多個自包含模塊。在其標準的通信和媒體處理形式中，該模式的優(yōu)點是在一個專用的DSP或網(wǎng)絡處理器上運行需要進行大量數(shù)據(jù)處理的算法，同時在一個通用的CPU上保持其它系統(tǒng)軟件的正常運行。這種特殊性意味著平面模式系統(tǒng)通常在專門構件的硬件上實現(xiàn)。由于許多平面硬件設備僅有一個通用CPU內(nèi)核，因此傳統(tǒng)的單內(nèi)核工具、操作系統(tǒng)和設計方法都可用來設計和調(diào)試系統(tǒng)的通用部分。

　　2． 片上柵格模式

　　片上柵格(Grid-on-Chip，或簡稱“柵格”)模式是平面模式的演繹，包含由許多完全獨立的和網(wǎng)絡互連的節(jié)點組成的任意多處理器系統(tǒng)。柵格是辦公計算機網(wǎng)絡的片上版本，它是共享相鄰物理鏈路但彼此獨立的許多網(wǎng)絡處理節(jié)點。一些文獻將該類型系統(tǒng)稱之為分布式多處理系統(tǒng)，且仍將其歸類到AMP/ASMP系統(tǒng)總類別當中。

　　使用柵格模式的關鍵要求是首先要分割系統(tǒng)，然后找到一個合適的節(jié)點間通信系統(tǒng)。(盡管更高級的柵格系統(tǒng)能夠在運行期間對其自身進行重新配置，但柵格模式系統(tǒng)的設計者需要認真思考系統(tǒng)功能到處理節(jié)點的分配問題。)除分割之外，柵格系統(tǒng)具有三種設計模式中最少的高級設計約束。一旦系統(tǒng)被分割，每個獨立節(jié)點的設計與實現(xiàn)就會如同一個獨立系統(tǒng)一樣進行。柵格系統(tǒng)可在專用硬件上實現(xiàn)，但另一個普遍的選擇是通過采用SMP硬件以及將共享的存儲空間劃分成針對每個內(nèi)核的片段來建立柵格節(jié)點。

　　柵格模式系統(tǒng)與其它設計相比具有幾個突出的優(yōu)點。首先，它們可以很容易與過去的軟件整合在一起，過去的系統(tǒng)甚至可以在柵格范圍內(nèi)它們自己的節(jié)點上繼續(xù)完整地運行。此外，柵格系統(tǒng)在判決能力(determinism)和調(diào)試能力方面具有明顯的優(yōu)勢。柵格模式系統(tǒng)設計的松散聯(lián)結意味著在資源競爭方面不會有多少意外情況，由于熟悉的單內(nèi)核調(diào)試方法可以用于每個孤立的系統(tǒng)節(jié)點，所以調(diào)試相對簡單。柵格模式系統(tǒng)的分割特性使其更為強大，但這也是其缺陷的根源所在，因為分割使得它難于再分配資源，這將導致柵格系統(tǒng)在適應將來的和不可預期的要求方面缺乏靈活性。

　圖1：針對圖像處理的平面模式。

圖2：柵格模式系統(tǒng)。

　　3． SMP模式

　　在一個對稱多處理(簡稱“SMP”)系統(tǒng)中，單一映像(single-image)操作系統(tǒng)是運行在兩個或多個共享存儲空間的處理內(nèi)核的頂層，這些處理器內(nèi)核實質(zhì)上是相同的。正如一臺多內(nèi)核桌面計算機一樣，SMP模式系統(tǒng)可以在一個處理器內(nèi)核組基礎上動態(tài)地均衡任務。重新分配處理能力以匹配當前任務的這種能力是SMP系統(tǒng)的一大主要優(yōu)點，這也使得SMP系統(tǒng)成為了三種模式中最靈活和適應性最強的模式。利用當今SMP實時操作系統(tǒng)，這種靈活性可以不需要在犧牲任何性能的條件下實現(xiàn)判決或?qū)崟r響應。

圖3：SMP系統(tǒng)實例。