片上嵌入式多處理器的一致性機制設(shè)計

目前，大多數(shù)高端嵌入式SoC都屬于異質(zhì)芯片在單純地提高時鐘速度的方法退出主流之后，保持這種單線程的編程抽象，迫使通用的單處理器設(shè)計工程師采用雙處理器或四處理器的一致性系統(tǒng)(coherent system)。具有豐富軟件的高性能嵌入式系統(tǒng)也是如此，只是情況稍有不同。

　　這些SoC中的處理器通過非一致性(noncoherent)共享內(nèi)存，以某種形式的消息傳遞進行通訊。在第三代蜂窩電話中，通過雙端口SRAM和中斷進行通訊的經(jīng)典RISC/DSP組合，就是這些簡單機制的一個很好例子。 未來的高性能SoC將是處理器的分層和異質(zhì)系統(tǒng)，即在層次結(jié)構(gòu)中嵌入由同質(zhì)多處理器組成的一致性處理器集群。這種轉(zhuǎn)變已經(jīng)出現(xiàn)在一個特定的高性能嵌入式市場中，即以一致性網(wǎng)絡(luò)多處理器實現(xiàn)的聯(lián)網(wǎng)市場。

　　目前，對于未來嵌入式芯片多處理器(CMP)的準(zhǔn)確特性仍存在爭議。CMP是屬于異質(zhì)型，還是用同質(zhì)處理器以分層方式實現(xiàn)的異質(zhì)型還不明確。但對于許多CMP而言，使共享內(nèi)存保持一致性至關(guān)重要。

　　定義和基本概念

　　對于一個帶有緩存的多內(nèi)核共享內(nèi)存系統(tǒng)而言，如果由任何處理器發(fā)布的任何“載入”操作所返回的值總是在該內(nèi)存位置最新“存儲”的值，則認(rèn)為該系統(tǒng)是緩存一致的。為了明確術(shù)語“最新存儲 (latest Store) ”的定義，我們需要探討一下內(nèi)存模型。

　　借助于順序一致性(SC)模型這個常用的內(nèi)存模型進行闡述。在SC系統(tǒng)中，可以根據(jù)一個并行程序的任何一次執(zhí)行的結(jié)果，對在一個位置完成的所有操作(主要是“載入”和“存儲”)建立全局串行順序。因此，“一致性”意味著：(1)每個處理器發(fā)出的“載入”和“存儲”操作順序，以同樣的方式出現(xiàn)在該系統(tǒng)的全局串行順序中，該處理器按照全局串行順序把這些操作傳給內(nèi)存系統(tǒng);(2)在該系統(tǒng)中，處理器每次所讀取的操作所返回的值，就是在全局串行順序中上次寫入到該位置的值。

　　因此，術(shù)語“全局串行順序”是由系統(tǒng)實現(xiàn)的內(nèi)存一致性模型(簡稱內(nèi)存模型)的結(jié)果，在非正式場合中以“強”和“弱”來定義。內(nèi)存模型與單處理器的指令集架構(gòu)(ISA)有關(guān)，ISA定義了編譯器和硬件之間的操作約定。

　　ISA為多處理器系統(tǒng)(一般稱為多線程系統(tǒng))定義了程序員和內(nèi)存系統(tǒng)之間的操作約定。因此，Java等多線程語言也明確給出了內(nèi)存模型。在本文，大多數(shù)的“多處理”都可以用“多線程”代替。

　　順序一致性(SC)、總體存儲順序(TSO)和處理器一致性(PC)是一些常用的機器級內(nèi)存模型(從強到弱)。模型更強，意味著在并行內(nèi)存系統(tǒng)的實現(xiàn)器中加入了更多約束，從而簡化了由并行中間件或系統(tǒng)庫寫入器執(zhí)行的任務(wù)。

　　但從單處理器的角度來看，SC卻是內(nèi)存一致性最弱的方式，因為它只提供合理的內(nèi)存系統(tǒng)所必需的約束，而不再對內(nèi)存操作進行限制。簡言之，強的內(nèi)存模型確保并行內(nèi)存系統(tǒng)在“讀出最新存儲操作返回的值”的約束基礎(chǔ)上，還提供其它約束，從而更有利于程序員編程。這些附加的約束通?？捎糜谠诰€程或處理器之間形成高效的同步機制。

　　為實現(xiàn)一致性，系統(tǒng)必須具備幾個基本特點。首先，在系統(tǒng)中的某一點處，向某個特定的內(nèi)存位置寫入信息的操作必須是串行化的。請注意，串行化是一個邏輯概念。對于一些探索性的高性能實現(xiàn)，串行化只是對于在提交(commit)階段應(yīng)如何返回事務(wù)給出了一個指導(dǎo)性方針，它類似于“無序”處理器，這種處理器保持一個臨時狀態(tài)和一個由提交點(commit point)分隔的“架構(gòu)狀態(tài)”。

　　一致性系統(tǒng)的另一個特點是“寫入”傳播，它表示“寫入”操作需要最終傳播到需要這個新值的所有代理程序(agent)。第三個重要特點是“寫入”原子性，它是內(nèi)存模型而不是一致性的結(jié)果，它表示在所有處理器被串行化后，需要將寫入操作全部傳播至系統(tǒng)中的所有處理器。

　　這里將只討論一致性協(xié)議的常見分類方法。這種分類方式基于系統(tǒng)中緩存的穩(wěn)定狀態(tài)，常見的狀態(tài)被稱為“MOESI”，即修改、自有、互斥且干凈、共享且干凈，以及無效。這些術(shù)語的意義是自我解釋的，詳細解釋很容易在教科書中找到。

　　基于狀態(tài)的協(xié)議分類主要區(qū)分協(xié)議是基于“更新”還是基于“無效(invalidate)”。在基于“無效”的一致性協(xié)議中，系統(tǒng)中的一條緩存線僅有一個所有者，而在基于更新的系統(tǒng)中，所有緩存線的副本都是根據(jù)“寫入”操作來更新的。串行化

　　許多較老的對稱式多處理(SMP或非CMP)系統(tǒng)，以總線廣播方式將事務(wù)廣播給系統(tǒng)中所有的代理程序。因此，這些代理程序可以“窺探”它們的狀態(tài)，然后采取適當(dāng)?shù)膭幼魇箶?shù)據(jù)項副本無效并對其進行更新。這種方式在一個事務(wù)的不同階段之間的重疊是最小的，并被限制為有序串行化(管道化)。

　　由于受到帶寬可擴展性、速度和總線可擴展性的限制，這些嚴(yán)格的監(jiān)聽總線機制逐漸演變成一些新的一致性機制。高端系統(tǒng)(仍與嵌入式CMP有關(guān)，盡管原因并不相同)常采用基于目錄的機制。當(dāng)已經(jīng)存在低級別的多處理時，通常優(yōu)先采納監(jiān)聽“虛擬總線”機制。

　　監(jiān)聽虛擬總線串行化使用樹型開關(guān)或?qū)哟苇h(huán)等專用的更高性能互連架構(gòu)，特別是在事務(wù)的請求階段。在這些系統(tǒng)中，互連負(fù)責(zé)建立全局串行順序，同時從受限的、基于物理總線的互連轉(zhuǎn)換到更高性能(如串行)的點到點信令鏈路。

　　另一方面，基于目錄的機制在一個稱為目錄的新結(jié)構(gòu)上完成串行化。這個目錄通常駐留在內(nèi)存模塊中，用來存儲系統(tǒng)中各種緩存行的狀態(tài)。一般而言，這些系統(tǒng)與監(jiān)聽總線機制(虛擬或其它形式)相比，其在串行化和有序化方面對網(wǎng)絡(luò)的依賴程度大大降低。由于目錄機制不廣播消息的數(shù)目，所以它們可用在非常大的系統(tǒng)中。

　　影響片上嵌入式多處理器一致性的另一個趨勢是，為降低復(fù)雜性，帶有多個處理器的下一代SoC將把通訊與計算分開。這種趨勢已經(jīng)促使了基于網(wǎng)絡(luò)級芯片(NoC)的設(shè)計方法學(xué)的誕生，以及從電路交換NoC向分組交換NoC的轉(zhuǎn)移。任何一種片上嵌入式多處理器的一致性機制都需要關(guān)注深亞微米SoC中的這個重要變化，并在分組交換網(wǎng)絡(luò)底層上對一致性協(xié)議進行分層。

　　嵌入式SoC帶來了成本、功耗、實時操作、知識產(chǎn)權(quán)(IP)所有權(quán)以及異質(zhì)處理器等一系列問題，因此，選擇嵌入式SoC的一致性機制與通用SoC有所不同。系統(tǒng)功耗低，系統(tǒng)成本就低，而系統(tǒng)成本是SoC的一個敏感因素。此外，如果SoC用于移動應(yīng)用，低功耗要求的確是必需的。

　　正像緩存進入DSP領(lǐng)域需要一個過程一樣(周期準(zhǔn)確的處理器和系統(tǒng)仿真器是加快這個轉(zhuǎn)變過程的關(guān)鍵工具)，一致性設(shè)計也是如此。為將軟件移植到實時系統(tǒng)中，一致性/SoC設(shè)計工程師必須確保有周期足夠準(zhǔn)確且快速的仿真器可用于應(yīng)用程序/中間件端口。這個問題在高性能嵌入式SoC中更加嚴(yán)重，因為與通用多處理器相比，程序員需要更多地接觸硬件。對于通用多處理器，僅是有限的“系統(tǒng)”(中間件、庫和操作系統(tǒng))程序員需要接觸到這個接口。

　　IP所有權(quán)是嵌入式SoC的一個特點。大多數(shù)通用CMP供應(yīng)商的設(shè)計，在內(nèi)存級(與一致性相關(guān)的級別)未采用任何外部IP。但對嵌入式SoC的積分器來說，外部IP的使用非常普遍。甚至連許多高性能嵌入式SoC中的互連(如OCP-IP)，也是外部IP供應(yīng)商提供的一個IP模塊。此外，高性能嵌入式SoC有時也會受益于以一致性方式共享相同內(nèi)存的異質(zhì)ISA內(nèi)核，例如一個RISC內(nèi)核和一個DSP。

　　從這些趨勢來看，監(jiān)聽虛擬總線一致性機制與CMP的相關(guān)性是顯而易見的：有限的可擴展性、大量的片上帶寬、點到點信令、更低開銷和更低延遲。但有趣的是，通常認(rèn)為僅適用于大型服務(wù)器級機器的目錄機制，經(jīng)過適當(dāng)修改后也適用于嵌入式SoC，這是因為目錄機制可以與無序互連、異質(zhì)ISA、低功率單播事務(wù)等協(xié)同工作。

　　第一代嵌入式CMP或許只能采用監(jiān)聽虛擬總線機制，但預(yù)計混合型監(jiān)聽目錄機制可能成為實現(xiàn)嵌入式一致性的新趨勢，這是因為設(shè)計工程師將開始意識到目錄機制的模塊化所帶來的好處。

　　死鎖/活鎖

　　除了選擇串行化方法和一致性協(xié)議的類型之外，在給定的有限資源/緩存情況下，緩存一致性協(xié)議設(shè)計工程師必須保證該協(xié)議是無死鎖和無活鎖的。對于基于互連的分組交換型一致性協(xié)議，這點尤其重要。

　　這里存在兩類死鎖，即互連死鎖和協(xié)議死鎖。這兩種死鎖通常都是由于分組交換互連中的緩沖區(qū)限制引起的。在設(shè)計一致性協(xié)議時，應(yīng)該仔細考慮協(xié)議死鎖(圖3a)。防止死鎖的常用機制包括：將事務(wù)的請求路徑與回復(fù)/響應(yīng)路徑分開(圖3b);保證在任何狀態(tài)下緩存或內(nèi)存代理程序都對請求給出響應(yīng)。

　　如圖3b所示，設(shè)計工程師通常使用虛擬通道來完成上述第一個機制。在任何虛擬通道中流動的事務(wù)都遵循先進先出(FIFO)順序，而且信息流中的阻塞事件可引起一個能一直追溯到阻塞根源的背壓(backpressure)流控。因此，只要(事務(wù))接收器(sink)在向前移動(forward progress)，系統(tǒng)就不會阻塞。