如何構成理想的CPU內核

在不斷發展的許多重要市場中都可見到多CPU設計。網絡路由是率先廣泛應用多CPU設計的領域之一。大多數新一代網絡處理器都是基于多CPU設計的。除了標準NPU，目標ASSP也在利用多處理器建立更加優化、更有應用針對性的路由解決方案。許多情況下，特殊ASSP是比標準NPU更為有效率的解決方案。ASSP可以集成恰當的物理接口或考慮片上存儲器的大小，亦或提供最佳的處理器配置。

　　相關的應用如DSLAM和基站或高性能網絡存儲設備也在利用分治法建立高性能的可編程解決方案。出于成本和/或功耗的原因，甚至終端用戶設備也在開始利用多CPU實現最高的性能密度。機頂盒、住宅網關，甚至智能移動設備也都在采用多CPU——不僅再是一個RISC處理器和一個DSP，而是多個RISC處理器和DSP。

　　如何構成理想CPU內核

　　用于多CPU設計的理想處理器內核必須具有以下一些重要特性。

　　首先最重要的是，它必須可提供出色的性能密度。多CPU設計的目的是在每平方毫米或每瓦特擁有盡量多的性能集合。能夠以最小空間或最低功耗實現最高MIPS的解決方案才是最佳選擇。

　　另一個需求是處理器間有效的通信。即使許多多CPU設計是軟件關聯的，仍然需要大量的處理器間的通信。如果沒有用來支持處理器之間通信的結構，那么SoC設計師就必須進行開發。這些工作不僅要耗費大量時間，同時也給設計帶來了另一方面的復雜性。對于處理器間通信的支持可簡化SoC設計師的工作量，也可以縮短開發時間，還可以將分區邊界的低效率降到最低。

　　多CPU設計的另一個挑戰的是調試。內核之間是相互影響和彼此依靠的，因此在調試SoC時了解這些交互行為十分重要。CPU需要具備內置能力，在進行調試時能夠完全互動。如果沒有這種能力，SoC調試可能會迅速變成一場災難，也許更糟——變得完全不可調試。優秀的多CPU調試工具對于CUP的支持也十分關鍵，這樣才可以保證SoC設計師發揮嵌入CPU的調試能力。

　　另外需要考慮的是配置和執行CPU內核的靈活性水平。在多CPU設計中，重要的是在最大限度地降低面積和功耗的同時使性能最大化，而一個高度可配置、可合成的CPU有助于設計師考慮特定應用的面積、功率和頻率。利用硬內核或不能配置的內核是不可能做的這一點的，它將嚴重限制執行的選擇。

　　考慮到上述因素，MIPS科技發布了專門針對多CPU設計的CPU內核。MIPS32 M4K內核具有高性能，不過或許令人驚奇的是，它也是小型的低功耗內核，而且還是可合成的，具備低延遲存儲器系統。

　　讓我們來看看M4K內核的映射是否滿足上述要求。

　　性能密度

　　性能密度的定義是，以最小的面積提供最高的性能，或是在最小面積上實現最低的功耗。M4K內核可用緊湊的面積和功率限制來提供高性能。該產品可提供大約1.35Dhrystone(整數和邏輯運算性能測試)MIPS/MHz(無需使用其他內核使用的受到置疑的編譯器竅門)，采用普通0.13μm工藝的產品可在240MHz(最差情況下)條件下運行，采用更高性能的0.13μm工藝的產品可在300MHz條件下運行。

　　作為性能密度公式的分母部分，M4K內核是一個非常小和功耗極低的處理器。該產品可配置成像32K門電路，也就是小于0.3mm2的尺寸，而且仍然可以保持整個MIPS32架構的兼容性。該產品的功耗極低，采用0.13μm工藝時可低至0.10mW/MHz。

　　該內核還具有新的增強型MIPS架構，可改善重要應用功能的性能。這些功能包括優先化、矢量中斷及多達4個寄存器上下文，以減少中斷延遲和開銷。位域和字節級指令可提供高效率的信息包處理。

　　該產品包括自定義指令集擴展，SoC設計師可利用該功能執行所需的專用的、高度集中的應用優化，并利用定制指令擴展M4K中業界標準的MIPS32指令集。任何寄存器到寄存器或立即存取寄存器指令都可以進行添加。定制指令可為單周期或多周期，也可支持新用戶狀態。這些自定義指令是由內核RTL、合成腳本和仿真模式支持的，并可使用GreenHills、Cygnus和Mentor等公司的業界標準開發工具。

　　此外，可能最為重要的是，M4K內核具有上述所有特性，同時可保持MIPS32的完全兼容性，并可使用MIPS CPU廣泛的軟件和工具。事實上，該內核是惟一具有定制指令擴展和業界標準架構的有效的可配置處理器。

　　處理器間的通信

　　在多CPU設計中，處理器間必須進行通信以控制共享資源的使用。在今天的大多數多CPU設計中，存儲器關聯完全由軟件控制，所以通信所需的普通高速緩存關聯是不能使用的。

　　M4K內核通過外部化MIPS架構中的加載關聯(LL)行為和條件存儲(SC)來支持多CPU信標，以保證對系統邏輯進行必要的監控。此外，SYNC指令的行為可提供存儲器排序壁壘，以保證正確的排序語義，也可以提供信號接口，為系統設計提供最大的控制和靈活性。

　　如圖2所示，當執行典型的信標存取碼序列時，LL和SC指令可提供原子型讀-改-寫序列，而無需鎖定整個系統。

　　例如，在測試和設置安全自旋鎖定時，LL指令可在信號接口產生一個讀指令，它作為LL由系統進行確認。然后系統按照該地址設置監控。如果另一個處理器寫入這個受到監控的地址，監控的通過/失敗標記就會被清除。當CPU執行SC指令時，系統邏輯根據監控狀態有條件執行對存儲器的存儲。通過/失敗指令會返回處理器，而軟件通常會重復失敗序列，直到成功為止。

　　同樣，SYNC指令的語義外化可保證系統存儲器壁壘的正確行為。

　　如圖3的例子所示，SYNC被放置在一個共享緩沖器的最后的存儲與可釋放一個控制語義的存儲之間。當執行SYNC指令時，CPU向系統邏輯發送信號，通知CPU等待同步響應。一旦系統確認指令可以執行，就將信號發回CPU，允許其后的任務或存儲繼續執行。一個簡單的系統可能會等待所有未完成處理事務的完成，而一個更為復雜的系統可在其列隊中保持順序，而緩沖器可以更快地做出響應。這兩種系統中，CPU軟件和硬件機制是相同的。

　　M4K處理器間的通信功能是一種優異的解決方案，得到了業界標準開發工具的全面支持。計劃利用M4K內核實現多CPU的設計師，可以利用這些功能快速而容易地實現內核之間的通信，縮短設計時間并降低實現風險。