利用MIPS多線程處理器優(yōu)化SoC設計

多線程是一種基于硬件或軟件的處理技術(shù)，它的首要目標是計算型工作中利用并發(fā)來提高性能。多線程也可以用于區(qū)別各種任務，以便可以將優(yōu)先權(quán)分配給更多時間敏感的流量，如語音、視頻或關(guān)鍵數(shù)據(jù)。而公認的基于軟件的多線程技術(shù)，如任務切換和基于軟件的線程調(diào)度已經(jīng)存在了相當一段時間，很少有人知道基于硬件的多線程的歷史?；谟布亩嗑€程技術(shù)其實已經(jīng)存在了相當長一段時間，其實現(xiàn)可以追溯到20世紀60年代的CDC6600。在CDC6600電腦中，10個硬件線程被用來保證從I/O處理器到約16個外圍設備的響應時間。這個例子的處理器運行速度遠遠超過了許多I/O設備，是一個充分利用多線程優(yōu)勢的典型應用，因為空閑處理時間可以被從線程到線程切換的有益工作所取代。在70年代，Denelcor HEP機是在CPU內(nèi)，而不是在I/O實際執(zhí)行線程切換。類似上例，最終結(jié)果是每個周期的指令(IPC)有了顯著改善。之后10年推出的其他幾個系統(tǒng)和學術(shù)研究進一步展示了硬件多線程的好處。

　　今天的市場上有許多多線程處理器。英特爾公司已經(jīng)利用其超線程技術(shù)將該技術(shù)引入高端計算應用領(lǐng)域。此外，其他許多SoC制造商，如Broadcom、Lantiq、Mobileye、NetLogic Microsystems、PMC-Sierra、Ralink Technology和Sigma Designs也交付了上百萬個采用多線程處理器的產(chǎn)品。許多這樣的SoC都采用了基于業(yè)界標準MIPS架構(gòu)的多線程MIPS32 34K系列內(nèi)核或多線程、多處理MIPS32 1004K一致處理系統(tǒng)(CPS)。目前硬件多線程已經(jīng)成為主流應用，并越來越被視為SoC設計中實現(xiàn)最佳性能的有效方法。

　　用多線程提高流水線利用率

　　如前所述，增加一個給定單線程處理器的IPC數(shù)量是一個主要目標。通常情況下，即使是非常高性能的處理器也有大量時間閑置，目的是等待數(shù)據(jù)到達。常見的情況是，帶有共享存儲系統(tǒng)先進處理器需花50%的時間等待數(shù)據(jù)在緩存未中(cache miss)后返回。此數(shù)據(jù)檢索的等待時間可能會持續(xù)幾十個周期，在極端情況下甚至是數(shù)百個周期。無論數(shù)量多少，處理器在此期間做的都是無效工作。多線程處理器可以在多個線程之間切換以利用這些閑置的周期。這些周期現(xiàn)在可以用來自其他線程的有用指令填滿，從而避免未使用的周期白白浪費。這最終將獲得更好的流水線利用率并提升系統(tǒng)的吞吐量。

　　確保線程切換效率的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是怎樣進行線程相關(guān)信息或語境的管理。當映射到一個線程時，每個任務都有相關(guān)的上下文信息，如程序計數(shù)器和寄存器信息子集，這些信息是以硬件加載和更新的。在單線程處理器中，由于處理器在線程之間切換，這些上下文必須導入(swapped in)或?qū)С觥．斣诰€程之間變換時，需要有與保存和恢復操作有關(guān)的額外處理。這種負擔可能會變得非常繁重，尤其是采用高語境(high context)切換。多線程處理器支持由每個硬件支持的線程的完整上下文存儲，無需保存和恢復操作。這種機制支持切換線程或上下文的零周期開銷。

　　圖1顯示了多線程是如何提高流水線利用率的基本機制。在這種情況下，在不同的時間點有三個線程出現(xiàn)了緩存未中。在這些線程暫停(stall)期間，其他線程在同一條流水線上做著有用的工作，從而增加了IPC。

　　MIPS多線程技術(shù)

　　MIPS科技的多線程技術(shù)基于兩個層次框架，涉及虛擬處理單元(VPE)和線程上下文(TC)，支持每個周期的線程切換。每個多線程內(nèi)核多達可支持兩個VPE，它們共享其他硬件資源中的一條流水線。不過，由于每個VPE可以有自己針對高速緩存的轉(zhuǎn)換后備緩沖器(Translation Look-aside Buffer，TLB)，因此它們都可作為針對一個SMP Linux操作系統(tǒng)的兩個獨立處理器出現(xiàn)。對于更細粒度的線程處理應用，每個VPE可以支持多個TC。這些TC共享一個執(zhí)行單元，但各有各的程序計數(shù)器和內(nèi)核寄存器文件，以便每個TC都可以處理來自軟件的線程。34K內(nèi)核多達可以支持分配在兩個VPE上的九個TC，在運行時進行優(yōu)化和分區(qū)。利用最小的芯片面積可執(zhí)行MIPS多線程功能。