滿足嵌入式系統應用的多核處理器SoC設計

　　隨著嵌入式處理需求的快速增長，系統架構正朝著多處理器設計的方向發展，以解決單處理器系統復雜度太高和計算能力不足的問題。憑借其高邏輯密度及高性能硬模塊，新一代FPGA已經使功能強大的芯片多處理(CMP)解決方案成為現實。目前的挑戰在于如何在該解決方案的范疇內快速完成設計的開發與創建。

　　賽靈思嵌入式開發套件(EDK)工具和IP具有很大的靈活性，用戶可以利用它們以FPGA邏輯為基礎設計出獨具特色的定制多處理解決方案，從而同時滿足價格和性能目標要求。本文將主要介紹以PowerPC和MicroBlaze嵌入式處理器為基礎的賽靈思解決方案中的多處理概念。

　　應用領域

　　性能和功能劃分是設計多處理器系統的主要動力。總的來說，多處理在以下這些常見場合中會發揮作用：

　　1. 多個獨立功能。設計可能需要應對多個獨立的處理任務。解決這個問題的好方法是為每個處理任務創建獨立的專用處理模塊，并為每個處理模塊分配專用處理器和外設集。

　　2. 控制或數據層面卸載。常見情況是既有實時任務(計算或數據密集型)，也有非實時任務，從而可能導致單處理器解決方案無法做出及時的響應。對于這種情況，您可以分配一個從處理器以便及時完成實時任務，主處理器則完成其他常規任務，并且充當到主機系統的接口。主處理器同時也監控從處理器。從處理器可能包含專用功能或接口，從而能夠滿足計算性能要求。相應的例子包括網絡負載分擔、媒體處理以及安全算法等。

　　3. 接口處理。對于作為多接口之間的橋梁或開關的系統，您可以分配一個從處理器用于處理每個接口上的數據，而用一個或者多個主處理器處理更高級的橋接或者開關任務。

　　4. 數據流處理。對于數據流計算問題，您可以安排多個處理器以流水線的方式處理數據流。多處理器流水線的每一級都要在將數據傳到下一個處理器之前完成一部分計算任務。這是提高系統吞吐量的一種有效方式。

　　5. 可靠性和冗余度。您可以多次復制處理系統以提高可靠性和冗余度。

　　6. 對稱處理。傳統的對稱處理(SMP)是一種十分有用的解決方案，您可以利用它來提升那些不存在明確劃分邊界的應用性能。一個具有SMP功能的OS層可以管理并行任務，并且在多處理器之間自動調度這些任務。然而，SMP使用模型不適用于賽靈思處理器，因為它們缺乏實現SMP所需的高速緩存相關性。

　　除了SMP場合，其他的所有應用場合均適合賽靈思公司帶有EDK工具的FPGA的應用。賽靈思處理解決方案的獨特之處在于，它可以針對應用要求來靈活定制每個處理子系統。例如，并不是所有的處理器都需要一個高速緩存或者浮點單元。通過為特定處理器分配特定的功能，您可以創建一個能夠實現所有設計目標的專用解決方案。

　　簡單且可擴展的系統架構

　　正如您見到的那樣，有許多種使用模型適合多處理器使用。同時存在多種系統架構的可能性。為某一應用場合明確一種單純且可擴展的拓撲和架構是一件令人頭疼的事情，所以定義一個可以滿足大部分需求的基線架構會將有所幫助。

　　圖1給出了一個雙內核架構。這個架構展示了簡單且可擴展的多處理器系統定義。您可以基于這個定義衍生出新的拓撲來應對設計約束或挑戰。該架構的主要概念如下：

　　圖1：雙處理器架構