最近，多核心系統(tǒng)單晶片(SoC)元件的出現(xiàn)重新劃分了硅元件、電路板和子系統(tǒng)之間的界線。這種趨勢導(dǎo)致晶片-晶片和電路板-電路板的互連要求發(fā)生了重大變化。那么，現(xiàn)有標(biāo)淮已淮備好應(yīng)對這一變革了嗎？

1970年代，由于微處理器的問世，利用分離式處理器、記憶體控制器和I/O介面元件，在單一電路板上就可以建構(gòu)簡單的運(yùn)算系統(tǒng)。由板級匯流排來連接這些元件，而當(dāng)需要更高性能時(shí)，便將多塊電路板組裝在一起，利用系統(tǒng)級匯流排透過背板提供卡間通訊。

 

這些電路板和系統(tǒng)互連協(xié)議都是專用的。但隨后，專用協(xié)議逐漸讓位于標(biāo)淮化協(xié)議，如以太網(wǎng)絡(luò)、PCI Express或RapidIO協(xié)議。

 

與此同時(shí)，積體電路技術(shù)遵循摩爾定律，其包含電晶體的數(shù)目和速度不斷增加。這些趨勢大幅推動了處理器性能的提升。

 

迄今已有數(shù)代硅元件充分利用了這一良性周期。不幸的是，單核心處理器的性能提高速度已開始趨于下滑。造成這種下滑的最重要因素一直是功耗。電晶體越小，開關(guān)速度越快。電晶體尺寸的縮小使泄漏增加，導(dǎo)致靜態(tài)功耗的增大。同時(shí)，隨著電晶體開關(guān)速度的加速，動態(tài)功耗也在增加。

 

這種不斷上升的功耗凸顯了目前硅制程技術(shù)存在的幾個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。首先，單處理器的性能受功率和系統(tǒng)功耗限制。其次，電晶體預(yù)算持續(xù)增加，而可獲得的時(shí)脈速率卻不然。

 

隨著電晶體預(yù)算的持續(xù)增加，業(yè)界已迅速轉(zhuǎn)向具有多個(gè)處理器核心的元件。這些元件還整合記憶體控制器、應(yīng)用加速器和I/O介面的元件，形成多核心SoC。多核心元件可望大幅提高系統(tǒng)性能。

 

SoC元件的問市模糊了單一元件及完整系統(tǒng)架構(gòu)之間的界線。曾經(jīng)在一個(gè)完整的運(yùn)算系統(tǒng)中，需要用到一塊電路板，而現(xiàn)在只需要單顆元件，就能將多個(gè)系統(tǒng)囊括在內(nèi)。

 

向SoC元件的轉(zhuǎn)換改變了SoC和其他元件及網(wǎng)路之間的互連要求。電路板和系統(tǒng)級互連最初基于匯流排共用，而且和以往的處理器一樣，采用一種類似的方式來滿足對更高互連性能的要求：增加時(shí)脈速率，加寬匯流排頻寬。然而，蹈處理器之覆轍，最后同樣因?qū)嶓w效應(yīng)的影響，匯流排上的元件數(shù)目不得不減少，因而催生出了匯流排分割、分層化拓?fù)浜妥罱K的點(diǎn)對點(diǎn)開關(guān)網(wǎng)路。

 

嵌入式系統(tǒng)通常劃分為三種子系統(tǒng)：控制面、資料面和系統(tǒng)管理。當(dāng)系統(tǒng)只包含一個(gè)運(yùn)算系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)級的通訊串流數(shù)目很有限。這是幸運(yùn)的，因?yàn)榘凑斩x，基于匯流排的互連只能容納一個(gè)通訊串流。

 

圖1：當(dāng)系統(tǒng)只包含一個(gè)運(yùn)算系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)級的通訊串流數(shù)目很有限。在多核心SoC中，由于每個(gè)核心分別處理各自的通訊串流，有可能實(shí)現(xiàn)每晶片多個(gè)通訊串流。

 

QoS考量

過去，為了提高系統(tǒng)性能，每一個(gè)功能采用一個(gè)專用處理器。隨著多個(gè)并行通訊通訊串流的出現(xiàn)，這種做法導(dǎo)致服務(wù)品質(zhì)(QoS)問題急劇增加。為了最佳化頻寬并防止各個(gè)通訊串流之間產(chǎn)生干擾，在許多情況下都使用了三種單獨(dú)的互連。在這些系統(tǒng)中，每一個(gè)處理器執(zhí)行一個(gè)功能，并分別負(fù)責(zé)單一或最多很少幾個(gè)通訊串流。

 

然而，多核心SoC的問世使這種局面大為改觀。由于每個(gè)核心均可分別處理各自的通訊串流，故有可能在每顆晶片上實(shí)現(xiàn)多個(gè)通訊串流。

 

平行地執(zhí)行現(xiàn)有程式碼，在單顆多核心SoC上實(shí)現(xiàn)控制、資料和管理面功能融合的這一近期目標(biāo)，預(yù)計(jì)將作為多核心架構(gòu)的權(quán)宜之計(jì)。這種方法可在一個(gè)四核心元件上產(chǎn)生至少三個(gè)以上的通訊串流。長遠(yuǎn)來看，軟件將支援多核心，并回復(fù)到運(yùn)用眾多核心執(zhí)行離散資料或控制面板功能。在任一種情況下，不論何處采用多核心SoC都將出現(xiàn)多個(gè)通訊串流。隨著使用8、16甚至更多核心的下一代SoC問世，未來2-4年間，單顆元件所能支援的通訊串流數(shù)目將大幅增加。

 

目前的互連支援多個(gè)通訊串流嗎？答案是肯定的。透過在單一互連傳輸之前進(jìn)行多工，可支援任何數(shù)目的通訊串流。但仍存在兩大挑戰(zhàn)：在目的節(jié)點(diǎn)如何對通訊串流進(jìn)行多工分離，如何賦予每一個(gè)通訊串流獨(dú)特的服務(wù)參數(shù)，如保證頻寬和平均或最壞延遲？

 

要解決這些問題，協(xié)議需要具備好幾個(gè)功能。首先，這個(gè)協(xié)議必須能夠?qū)Ω鱾€(gè)通訊串流進(jìn)行差異化。換言之，應(yīng)該能夠檢查纜線上的資料封包，并決定其屬于哪一個(gè)通訊串流？其次，當(dāng)資料封包透過互連傳輸時(shí)，必須能夠執(zhí)行服務(wù)參數(shù)。這一點(diǎn)可透過控制仲裁和流量控制來實(shí)現(xiàn)。例如，穩(wěn)健的SoC需要多個(gè)通訊流量控制機(jī)制，以限制互連上的一系列擁塞事件。這些機(jī)制可能包括鏈路到鏈路、端到端和進(jìn)/出流量管理。

 

嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的互連也許是以太網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性已在多年服務(wù)中得到了充分的證實(shí)。基本的Layer 2以太網(wǎng)絡(luò)訊框只支援資料報(bào)類型(datagram-style)的處理，而且沒有已定義的流量差異化頭欄位。但之后，從Layer 2的VLAN標(biāo)簽到更廣泛的Layer 3 IP報(bào)頭中的‘5 Tuples(五元組)’，各種流量差異化方法被放在最高層。其中，‘五元組’方案可支援?dāng)?shù)百萬個(gè)通訊串流。

 

不幸的是，對以太網(wǎng)絡(luò)而言，QoS已證實(shí)是一個(gè)更大的挑戰(zhàn)。這是因?yàn)橹挥幸粋€(gè)有限的鏈路級PAUSE-訊框協(xié)議可被采用，而缺乏廣獲采納的流量控制機(jī)制所致。在鏈路級之外，有少數(shù)可解決此一問題的解決方案正在獲得更多支持，其中包括在Layer 2采用VLAN優(yōu)先順序標(biāo)簽(802.1Q)，或在Layer 2和Layer 3之間采用MPLS報(bào)頭。流量管理也是常用方法。通常，在封閉式嵌入式系統(tǒng)中僅能發(fā)現(xiàn)一部份的這類方案；針對以太網(wǎng)絡(luò)，目前尚未有特定的完整與一貫性的方法。

 

另一個(gè)問題的出現(xiàn)，是由于大部份在以太網(wǎng)絡(luò)上分層的方案往往采用軟件來實(shí)現(xiàn)。由于硬體支援較少，可獲得的QoS參數(shù)受通訊串流通過軟件堆迭時(shí)產(chǎn)生的延遲和延遲抖動所限制。

 

1999年定義的RapidIO互連規(guī)格代表了一種更先進(jìn)的系統(tǒng)互連方案。在該規(guī)格的開發(fā)過程中，QoS曾是一個(gè)重要考慮事項(xiàng)，包含了好幾種流量控制機(jī)制，如重試(retry)和基于信用(credit-based)的鏈路級流量控制、端到端XON/XOFF和流量控制協(xié)議。

 

在嵌入式系統(tǒng)中廣獲采用的另一種互連技術(shù)是PCI Express (PCIe)。PCIe最初瞄淮PC和服務(wù)器市場，支援配置、事件消息發(fā)送和讀寫處理。這種技術(shù)在系統(tǒng)級的QoS支援很有限。在per-VC basis上有穩(wěn)健的基于信用的鏈路級流量控制，足以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通訊。

 

在實(shí)際應(yīng)用中，以太網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的流量差異化，但缺乏穩(wěn)健的QoS特性。大多數(shù)PCIe實(shí)現(xiàn)方案都沒有流量差異化能力。PCIe的流量控制有限，似乎是針對未來多核心元件淮備最不足的元件。三者中RapidIO潛力最大，因?yàn)樗г齻€(gè)具有優(yōu)先順序之通訊串流上的數(shù)百萬個(gè)差異化流量，并支援穩(wěn)健的QoS特性。

 

幸運(yùn)的是，許多新興的多核心SoC都支援多個(gè)外部互連協(xié)議。如飛思卡爾的8核心QorIQ P4080就可針對此處提到的所有協(xié)議進(jìn)行配置。