一種基于硬件的虛擬化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化多核處理器的方案

引言

今天的SoC（系統(tǒng)單芯片）處理器都集成了一系列的核心、加速器和其它處理單元。這些異質(zhì)的多核架構(gòu)提供了更多的計(jì)算能力，但其復(fù)雜性也為各種應(yīng)用中嵌入系統(tǒng)的開發(fā)人員帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，這些應(yīng)用包括控制層處理器、視頻服務(wù)器、無(wú)線基站，以及寬帶網(wǎng)關(guān)等。如果是分立的核心，每個(gè)核心都能完全地訪問(wèn)和控制自己的資源。這種可預(yù)測(cè)的訪問(wèn)能夠做直接的管理，而有實(shí)時(shí)約束的應(yīng)用也具備了確定的性能。然而，在一個(gè)多核架構(gòu)中，各個(gè)核心共享資源，潛在的競(jìng)爭(zhēng)使很多設(shè)計(jì)因素復(fù)雜化，例如處理延時(shí)以及可靠地中斷處理。

為了提供與單核器件相當(dāng)?shù)拇_定性能，多核架構(gòu)開始采用已經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信驗(yàn)證的資源共享與管理技術(shù)。這些架構(gòu)使用已有的隊(duì)列與流量管理技術(shù)，在多個(gè)核心之間有效地分配資源、使吞吐量最大化、盡可能減小響應(yīng)延時(shí)，并且避免了不必要的擁擠。

1 資源虛擬化

從架構(gòu)的角度看，SoC是多核心的復(fù)雜系統(tǒng)，它通過(guò)一個(gè)高速結(jié)構(gòu)，將各種控制與資源連接起來(lái)（圖1）。在很多方式上，一片SoC內(nèi)部的無(wú)數(shù)交互操作都很像一個(gè)有很多資源（或核心）的通信網(wǎng)絡(luò)，這些資源與相同目的地做交互操作，包括內(nèi)存、外設(shè)與總線。顯然，設(shè)計(jì)人員用于提高網(wǎng)絡(luò)效率的帶寬管理技術(shù)（如虛擬化）也能用于管理多處理器核心以及共享外設(shè)之間的流量。

圖1.下一代SOC是多核心訪問(wèn)相同的共同資源的復(fù)雜系統(tǒng)

片上資源的虛擬化使各個(gè)核心能夠共享訪問(wèn)權(quán)；這種共享的訪問(wèn)權(quán)對(duì)應(yīng)用是透明的。每個(gè)應(yīng)用都可以把一個(gè)資源看作像自己獨(dú)有一樣，而一個(gè)虛擬化管理器用于匯總共享的所有權(quán)（由所分配的帶寬量所測(cè)定）。對(duì)資源的虛擬訪問(wèn)和共享訪問(wèn)都需要一個(gè)隊(duì)列管理器和一個(gè)流量管理器。各應(yīng)用使用一個(gè)或多個(gè)隊(duì)列，緩存對(duì)某個(gè)資源的訪問(wèn)。虛擬化為隊(duì)列增加事件或事務(wù)，當(dāng)資源可用時(shí)將它們從隊(duì)列中拉出。隊(duì)列包含了一個(gè)指向緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的緩存描述符（buffer descriptor），并且實(shí)現(xiàn)隊(duì)列可以有多種方式，具體取決于應(yīng)用的需求。一只SoC所支持的隊(duì)列數(shù)是不定的，從數(shù)百個(gè)到數(shù)萬(wàn)個(gè)，可滿足各種應(yīng)用的需求。

隊(duì)列管理器可刷新隊(duì)列的狀態(tài)，即：隊(duì)列大小、頭指針、尾指針，以及起始地址，并且維護(hù)填充水平與閾值，包括全滿（full）、將滿（almoST full）、將空（almost empty）和全空（empty）。隊(duì)列管理器還為每個(gè)隊(duì)列提供完全的內(nèi)存管理，包括空閑池的緩沖分配與回收，以及當(dāng)某個(gè)隊(duì)列中增加事件時(shí)的訪問(wèn)權(quán)檢查（圖2）。多個(gè)請(qǐng)求者可以同時(shí)為一個(gè)或多個(gè)隊(duì)列增加描述符，也能在等待某項(xiàng)服務(wù)的多個(gè)隊(duì)列中做出選擇。

對(duì)于指向相同資源的多個(gè)隊(duì)列，管理器作為可用帶寬的仲裁器。此任務(wù)不僅是在共享某個(gè)資源的各應(yīng)用之間，也包括一個(gè)應(yīng)用可能必須使能QoS（服務(wù)質(zhì)量）的多個(gè)隊(duì)列之間。

流量管理采用監(jiān)管與整形機(jī)制，測(cè)量并控制指定給某個(gè)流或一組流的帶寬數(shù)。監(jiān)管機(jī)制用于控制流量管理器為某個(gè)隊(duì)列增加事件的速率，而整形機(jī)制則是流量管理器從隊(duì)列中去除事件的速率。為了獲得最佳的控制，以及管理隊(duì)列優(yōu)先權(quán)的能力，必須在每個(gè)隊(duì)列基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)監(jiān)管與整形。流量管理器亦根據(jù)一個(gè)預(yù)設(shè)的服務(wù)算法，將多個(gè)隊(duì)列映射到單一的共享資源。

有了隊(duì)列和流量管理，就可以提供可靠的端至端QoS。這種方案允許多個(gè)路徑共享一個(gè)資源，而不會(huì)對(duì)帶寬的預(yù)訂產(chǎn)生負(fù)面影響。精細(xì)粒度QoS支持SLA（服務(wù)水平協(xié)議），保證了在每個(gè)流量基礎(chǔ)上的最小、平均和最大帶寬。開發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)隊(duì)列水平的流量標(biāo)記與度量，以防止出現(xiàn)擁塞。擁塞的早期通知使隊(duì)列管理器能夠采用正確的措施，通過(guò)向流量資源的反饋，去除對(duì)可能丟棄數(shù)據(jù)包的不必要處理，或理想情況下，能完全避免擁塞。

舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)基于隊(duì)列與流量管理的以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序能防止任何一個(gè)處理器不公平地獨(dú)占端口帶寬。它還能確保帶寬分配以及最大的延時(shí)約束，而與其它隊(duì)列狀態(tài)無(wú)關(guān)。驅(qū)動(dòng)程序支持對(duì)仲裁方法的選擇（例如：嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)或帶權(quán)重的輪叫），有助于實(shí)現(xiàn)可靠的實(shí)時(shí)服務(wù)，如視頻流。最后，多個(gè)資源還可以共享以太網(wǎng)端口，而不會(huì)對(duì)帶寬預(yù)訂產(chǎn)生負(fù)面影響。像IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）轉(zhuǎn)發(fā)這類任務(wù)很容易可靠地實(shí)現(xiàn)，而對(duì)延時(shí)敏感的應(yīng)用（如音視頻的發(fā)送）則受益于確定且可靠的端口管理。另外，當(dāng)用硬件實(shí)現(xiàn)了隊(duì)列和流量管理時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序幾乎無(wú)需軟件開銷，就可以維持端至端的QoS。

2 虛擬化層

早期的多核SoC與初期的網(wǎng)絡(luò)處理器類似，都將虛擬化資源的全部工作留給了開發(fā)人員。應(yīng)用在某種程度上必須判斷出自己在與其它應(yīng)用共享某個(gè)資源。當(dāng)一個(gè)應(yīng)用使用某個(gè)共享資源時(shí)，它必須以某種與其它應(yīng)用共存的方式這樣做。操作系統(tǒng)也需要支持虛擬化。

圖2.基于硬件的虛擬化卸下了應(yīng)用處理器的隊(duì)列管理負(fù)擔(dān)，包括刷新隊(duì)列狀態(tài)，維持填充水平和閾值，分配與重新分配緩沖區(qū)，以及當(dāng)應(yīng)用要訪問(wèn)某隊(duì)列時(shí)，確認(rèn)其訪問(wèn)權(quán)限。

在一個(gè)傳統(tǒng)架構(gòu)中，處理器通過(guò)一個(gè)軟件層，管理著自己對(duì)共享資源的訪問(wèn)（圖3a）。處理器必須知道哪個(gè)資源是可用的，以及自己可以使用它們的頻率。隨著處理數(shù)量的增加，資源共享的復(fù)雜性也在增長(zhǎng)?；谲浖摂M化的一個(gè)缺點(diǎn)在于，它為數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)以及接下來(lái)數(shù)據(jù)包獲取的每個(gè)事務(wù)都引入了一個(gè)開銷。這種開銷消耗了處理器周期，為代碼處理帶來(lái)了復(fù)雜性。它還給虛擬化軟件帶來(lái)了帶寬管理和滿足預(yù)訂保證的負(fù)擔(dān)。即使通過(guò)工具實(shí)現(xiàn)了虛擬化代碼的自動(dòng)化創(chuàng)建，開發(fā)者仍然必須在應(yīng)用交互通過(guò)虛擬化代碼時(shí)，進(jìn)行查錯(cuò)調(diào)試。[!--empirenews.page--]

圖3.（a）隨著處理器數(shù)量的增長(zhǎng)，資源共享的復(fù)雜性與開銷也在增加

（b）除卸載了隊(duì)列與流量管理工作以外，資源共享變得對(duì)應(yīng)用透明

2.1 虛擬化增加了開銷和復(fù)雜性，限制了多核SoC的使用

不過(guò)，隊(duì)列和流量管理是一個(gè)相當(dāng)確定性的過(guò)程，可以采用硬件實(shí)現(xiàn)。開發(fā)人員為某個(gè)應(yīng)用配置一次隊(duì)列，然后硬件機(jī)制就可以完整地卸下隊(duì)列管理負(fù)載，因此將相當(dāng)多的計(jì)算周期還給了應(yīng)用處理器。動(dòng)態(tài)改變分配的能力使得可以在運(yùn)行時(shí)修改配置，以適應(yīng)不斷變化的工作負(fù)載。

在一個(gè)采用基于硬件的隊(duì)列與同步機(jī)制的架構(gòu)中，每個(gè)處理器都獨(dú)立于其它處理器而運(yùn)行（圖3b）。通過(guò)資源的虛擬化，共享就對(duì)應(yīng)用透明了。機(jī)制會(huì)分配每個(gè)處理器和每個(gè)任務(wù)的資源帶寬，而每個(gè)處理器和任務(wù)運(yùn)行時(shí)則像是資源唯一控制方。盡管不同應(yīng)用實(shí)現(xiàn)隊(duì)列和流量管理的粒度并不相同，但基于硬件的資源虛擬化與共享能顯著提高系統(tǒng)的效率。

2.2 基于硬件的虛擬化層去除或加快了軟件虛擬化層

虛擬化的卸載顯著增加了處理器的效率。在某些情況下，基于硬件的虛擬化完全不需要基于軟件的虛擬化，除了在初始配置期間。還有一些情況下，基于硬件的隊(duì)列與流量管理大大加快了數(shù)據(jù)路徑中虛擬化軟件的速度。

2.3 基于硬件的虛擬化層還降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，加快了開發(fā)進(jìn)度

因?yàn)樗恍枰_發(fā)人員圍繞虛擬化層作實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)。這種方案簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，加快了上市時(shí)間。

2.4 基于硬件的虛擬化層還提高了確定性

由于沒有了虛擬化開銷，就減少了系統(tǒng)中斷的重要來(lái)源。于是降低了處理延時(shí)，增加了系統(tǒng)的響應(yīng)能力。

這種方案的另一個(gè)好處是簡(jiǎn)化了調(diào)試工作。由于虛擬化和資源共享都是硬件功能，虛擬化層本身就不是開發(fā)過(guò)程的一部分。但如調(diào)試有要求，開發(fā)人員仍然擁有對(duì)隊(duì)列的完全訪問(wèn)和控制能力。基于硬件的虛擬化層還增加了可靠性，因?yàn)橛布?shí)現(xiàn)的隊(duì)列和流量管理不易受很多在軟件實(shí)現(xiàn)中容易出現(xiàn)的問(wèn)題的影響。例如，如果基于軟件的代碼處理虛擬化有所折衷，則整個(gè)系統(tǒng)就很脆弱。采用基于硬件的實(shí)現(xiàn)時(shí)，就不存在有受損危險(xiǎn)的中心化控制例程。

3 處理器卸載

所支持的隊(duì)列卸載水平與實(shí)現(xiàn)有關(guān)。例如，有些SoC可能提供鎖定機(jī)制，但并不管理隊(duì)列的全部狀態(tài)。理想情況下，開發(fā)人員想要一個(gè)支持不同配置的靈活系統(tǒng)，能直接與軟件整合，并盡可能減少為適應(yīng)SoC而做的軟件修改。一個(gè)虛擬化機(jī)制可能很有效；但是，如果要與傳統(tǒng)編程模型有大的變化，則移植應(yīng)用代碼會(huì)增加系統(tǒng)成本，延遲上市時(shí)間。

實(shí)現(xiàn)隊(duì)列的方式也會(huì)影響到系統(tǒng)的性能。例如，隊(duì)列的位置影響著哪些處理器可以訪問(wèn)這些隊(duì)列。有些隊(duì)列必須以內(nèi)存類型存在，在整個(gè)芯片上分布，或者被捆綁到某個(gè)資源上。動(dòng)態(tài)分配的隊(duì)列使開發(fā)人員擁有某種靈活性，能恰當(dāng)?shù)貙㈥?duì)列劃分給應(yīng)用和資源。對(duì)于采用多只多核SoC的系統(tǒng)，如擁有通過(guò)一個(gè)系統(tǒng)總線（如PCIe）管理隊(duì)列的能力，則資源的共享不僅能在同一SoC的不同核心之間，而且能在不同SoC之間。例如，一個(gè)處理簇可以共享單個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)。另外，一個(gè)多SoC系統(tǒng)可能擁有一個(gè)單一的深層數(shù)據(jù)包檢查引擎，而運(yùn)行在不同SoC上的應(yīng)用必須訪問(wèn)該引擎。這種多芯片的資源共享能夠?qū)崿F(xiàn)更進(jìn)一步的系統(tǒng)資源虛擬化。

多芯片架構(gòu)中最大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一是用某種方式的分區(qū)工作，以將資源需求平均地分配給所有處理器。在基于軟件的虛擬化中，這個(gè)過(guò)程可能非常耗時(shí)，為設(shè)計(jì)人員增加了負(fù)擔(dān)，包括高效管理空閑內(nèi)存池的挑戰(zhàn)。另外，軟件的任何修改都可能為資源需求帶來(lái)變化，這就需要開發(fā)人員重新劃分系統(tǒng)分區(qū)。非對(duì)稱和對(duì)稱多處理器架構(gòu)都有很多這類問(wèn)題。

采用基于硬件的虛擬化時(shí)，大多數(shù)分區(qū)管理任務(wù)放在硬件上，而操作系統(tǒng)則處理少量剩余任務(wù)。由于采用這種抽象分區(qū)，開發(fā)人員于做系統(tǒng)修改時(shí)，無(wú)需對(duì)系統(tǒng)做手工的重新分區(qū)。這種方案亦卸載了應(yīng)用與操作系統(tǒng)的一些任務(wù)，如管理空閑的內(nèi)存池。

4 帶寬保證

對(duì)一個(gè)資源的控制亦擴(kuò)展了一只處理器可以接受的最大分配限度，解決了接收端的處理瓶頸問(wèn)題。例如，對(duì)于很多通信、音視頻、數(shù)據(jù)采集以及測(cè)試與測(cè)量應(yīng)用，接收處理器都有預(yù)期或可以處理的最大傳輸數(shù)據(jù)速率。在這些情況下，即使外設(shè)擁有更多的能力（因?yàn)槠渌幚砥鳟?dāng)前未使用它們的分配額），應(yīng)用也不希望隊(duì)列以更快的速率刷新，因?yàn)檫@種刷新可能超出接收處理器的能力，造成數(shù)據(jù)損失。

很多開發(fā)人員在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)采用最差情況方法；他們要確認(rèn)有足夠的容量支持最差情況的負(fù)載。但是，在典型工作條件下，這種方法無(wú)法用到全部的資源容量。例如，一個(gè)典型的輪轉(zhuǎn)仲裁算法僅支持最低的配額。如果系統(tǒng)對(duì)某個(gè)資源有多達(dá)10個(gè)請(qǐng)求方，則每個(gè)請(qǐng)求方總是可以期望擁有至少10%的帶寬。然而，如果僅有一個(gè)請(qǐng)求方活動(dòng)，則該請(qǐng)求方可以獲得100%的帶寬。

虛擬與透明的資源分配方法意味著一個(gè)應(yīng)用并不知道自己可能獲得多少帶寬。對(duì)于接收端存在瓶頸的應(yīng)用，為某個(gè)資源設(shè)定最大配額的能力對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定非常重要。這個(gè)最大值使開發(fā)人員能夠控制每個(gè)應(yīng)用的資源帶寬（無(wú)論采用了何種分配算法），以防止淹沒接收端的處理器，并且防止了數(shù)據(jù)損失。開發(fā)人員還擁有用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制去管理?yè)砣倪x擇，如IEEE 802.1Qav或802.1Qau。

5 系統(tǒng)穩(wěn)定性

一個(gè)應(yīng)用有時(shí)可能會(huì)嘗試使用某個(gè)并不具備訪問(wèn)權(quán)的資源。程序中的錯(cuò)誤可能造成這種情況的出現(xiàn)，此時(shí)只有部分刷新的應(yīng)用在使用中，或者當(dāng)代碼或數(shù)據(jù)內(nèi)存出現(xiàn)被覆蓋情況時(shí)。必須防止一個(gè)應(yīng)用干擾到其它應(yīng)用，即：寫入到其它應(yīng)用的內(nèi)存空間；或?qū)π阅墚a(chǎn)生負(fù)面影響，例如，獲取對(duì)某個(gè)共享資源的控制。在基于軟件的資源共享實(shí)現(xiàn)中，一個(gè)損壞的應(yīng)用可能忽視自己的帶寬配額，而去獨(dú)占一個(gè)共享資源。同樣，如果掌控虛擬化的處理器損壞，則隊(duì)列機(jī)制就會(huì)失效，使整個(gè)系統(tǒng)宕機(jī)。[!--empirenews.page--]

基于硬件的隊(duì)列管理能在系統(tǒng)的各個(gè)部件之間提供保護(hù)。最基本的故障隔離方式是阻止對(duì)分配給其它應(yīng)用的內(nèi)存與資源帶寬的訪問(wèn)。為了使虛擬化資源對(duì)應(yīng)用完全透明，隊(duì)列和流量管理器必須只對(duì)損壞的應(yīng)用采取行動(dòng)。換句話說(shuō)，必須要將應(yīng)用與其它應(yīng)用的活動(dòng)屏蔽開來(lái)，并且要適應(yīng)其它應(yīng)用的故障，以維持穩(wěn)定性。就其特性而言，專用隊(duì)列可隔離故障，防止其它處理器和應(yīng)用受到影響。這類隊(duì)列還有利于有效的錯(cuò)誤恢復(fù)；專用隊(duì)列可以完全地清除錯(cuò)誤，而不會(huì)使其它應(yīng)用的數(shù)據(jù)受到損失。

一個(gè)隊(duì)列與流量管理控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)非法資源訪問(wèn)的多級(jí)響應(yīng)。最簡(jiǎn)單的響應(yīng)是阻止訪問(wèn)，并給應(yīng)用生成一個(gè)警報(bào)，通常是通過(guò)一個(gè)中斷。這個(gè)警報(bào)告訴應(yīng)用，它試圖做了一些不應(yīng)做的事。第二種方法是由開發(fā)人員記錄下使用的違背情況，幫助在現(xiàn)場(chǎng)查錯(cuò)。隊(duì)列與流量控制器亦必須能夠通過(guò)觸發(fā)一個(gè)復(fù)位，并重新初始化一個(gè)可能損壞的應(yīng)用，逐步升級(jí)其響應(yīng)。理想情況下，開發(fā)人員可以創(chuàng)建一個(gè)控制此響應(yīng)的策略。例如，開發(fā)人員可以設(shè)定一個(gè)閾值，如果某個(gè)應(yīng)用做了三次非法訪問(wèn)，就認(rèn)為它是一個(gè)已損壞的應(yīng)用，必須重新啟動(dòng)。

6 部分虛擬化

當(dāng)一系列事務(wù)必須依次發(fā)生時(shí)，這種要求就成為了一個(gè)阻塞實(shí)例，因?yàn)槠渌?qǐng)求方必須等待此事務(wù)的完成，然后才能獲得資源的控制權(quán)?？紤]一個(gè)典型的SATA（串行先進(jìn)技術(shù)連接）事務(wù)，此時(shí)首先要配置SATA端口，然后執(zhí)行一個(gè)指令序列。與數(shù)據(jù)包都是單個(gè)事件的以太網(wǎng)端口不同，SATA端口必須鎖定給某個(gè)應(yīng)用，直到事務(wù)完成時(shí)為止；否則，兩個(gè)應(yīng)用會(huì)相互覆蓋，致使誰(shuí)也無(wú)法完成自己的任務(wù)。

圖4.（a）硬件實(shí)施的虛擬化在有完全寬帶管理的SOC中也能實(shí)現(xiàn)資源分配

（b）這種方案能夠在整個(gè)系統(tǒng)上高效地共享資源

盡管各個(gè)應(yīng)用無(wú)法完全共享支持這種事務(wù)特性的資源，但對(duì)配額可以做部分虛擬化。首先，等待使用資源的應(yīng)用必須確認(rèn)端口空閑可用，然后在使用期間鎖定端口。對(duì)鎖定的支持要求在操作系統(tǒng)中有一個(gè)薄的軟件層，這樣就能相互通信，看哪個(gè)應(yīng)用擁有對(duì)鎖的控制權(quán)。不過(guò)，硬件的使用可以管理鎖，并加快鎖的獲得速度。必須用硬件實(shí)現(xiàn)鎖的獲取，從而為資源提供一種失效恢復(fù)機(jī)制；或者，也可以用一個(gè)加鎖處理器去鎖定資源。

根據(jù)應(yīng)用情況，系統(tǒng)必須支持可以完全虛擬化的共享資源，以及需要鎖定的共享資源。例如，一片SoC可以提供一個(gè)不共享的SATA端口，但只有一個(gè)處理器可以使用它，而資源的共享必須在軟件中實(shí)現(xiàn)。另外通過(guò)對(duì)可鎖定資源的支持，SoC中的核心仍能夠以一種對(duì)所有應(yīng)用透明的方式，共享資源，具有失效恢復(fù)的可靠性。

多核架構(gòu)的一個(gè)重要方面是易于集成。將多個(gè)處理器做到一只芯片上的能力，需要應(yīng)用軟件的直接遷移；否則，開發(fā)人員還不如去設(shè)計(jì)一個(gè)新的系統(tǒng)。

在確定遷移到虛擬化架構(gòu)是否方便時(shí)，必須考慮一系列因素。例如，架構(gòu)必須支持多操作系統(tǒng)，因?yàn)楦鶕?jù)需要支持的應(yīng)用情況，多處理器經(jīng)常會(huì)在多個(gè)核心上使用多個(gè)操作系統(tǒng)。僅支持一個(gè)操作系統(tǒng)的多核架構(gòu)會(huì)使開發(fā)人員被迫采用該操作系統(tǒng)，然后將所有代碼移植到它上面。而支持多個(gè)操作系統(tǒng)時(shí)，一片多核SoC就簡(jiǎn)化了代碼遷移工作。

另外，還需要考慮到QoS問(wèn)題，因?yàn)楦鱾€(gè)應(yīng)用有不同的帶寬需求。延時(shí)敏感型應(yīng)用（如視頻流）需要實(shí)時(shí)訪問(wèn)共享資源，而數(shù)據(jù)型的應(yīng)用（如內(nèi)容下載）可以容忍延遲，充分利用未使用的帶寬。為不同帶寬需求提供服務(wù)的能力使開發(fā)人員能夠在相同的處理簇下整合異質(zhì)的應(yīng)用。

還要考慮架構(gòu)是否包含了透明的資源共享，因?yàn)橥该餍阅茏岄_發(fā)人員同時(shí)遷移支持虛擬化的應(yīng)用以及不支持虛擬化的應(yīng)用。另外一個(gè)方面是去除軟件虛擬化層。雖然在做SoC之間的移植時(shí)，某些代碼的重寫是必要的，但對(duì)很多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，當(dāng)轉(zhuǎn)向采用硬件資源共享的SoC時(shí)，大多數(shù)的變動(dòng)并不是修改軟件，而是消除軟件虛擬化層。去掉這一層可簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與查錯(cuò)工作，增加了系統(tǒng)的效率。對(duì)于制造商已取得虛擬化代碼許可的情況，去掉此層還可以降低系統(tǒng)成本。

還有一個(gè)要考慮的因素，即架構(gòu)是否整合了系統(tǒng)資源。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)采用多只芯片和操作系統(tǒng)時(shí)，每個(gè)都有自己的存儲(chǔ)資源。通過(guò)資源的硬件管理，所有任務(wù)都可以共享對(duì)資源的訪問(wèn)。例如，一塊硬盤或一個(gè)以太網(wǎng)端口可以服務(wù)于整個(gè)系統(tǒng)（甚至跨各個(gè)SoC），而不是像傳統(tǒng)架構(gòu)那樣需要多塊硬盤。這種方案可節(jié)省設(shè)備成本，降低系統(tǒng)部件的總數(shù)。

SoC之間的通信也很重要。各個(gè)應(yīng)用可以通過(guò)一個(gè)大帶寬系統(tǒng)總線（如PCIe）共享資源，從而實(shí)現(xiàn)了SoC之間的共享。傳統(tǒng)架構(gòu)會(huì)給每個(gè)處理器分配一個(gè)固定帶寬，這種方法限制了各核之間的有效QoS管理，難以超額申請(qǐng)（圖4a）。采用基于硬件的虛擬化時(shí)，即使在SoC之間，資源的分配也是靈活的（圖4b）。通過(guò)速率監(jiān)管、流量整形，以及隊(duì)列仲裁，反映并平衡著每個(gè)處理器與應(yīng)用的需求，從而能夠?qū)崿F(xiàn)全帶寬管理。同樣，這種方案還能夠獲得資源（如一塊硬盤或一個(gè)安全引擎）在整個(gè)系統(tǒng)上的有效共享，而不僅是一只處理器。

另外還應(yīng)考慮的是處理器之間的通信，因?yàn)槎嗵幚砥飨到y(tǒng)經(jīng)常要在各處理器之間傳輸相當(dāng)多的數(shù)據(jù)。隊(duì)列管理機(jī)制為SoC上各處理器之間以及多個(gè)SoC之間的通信提供了一種簡(jiǎn)單而有效的加速方法。

7 結(jié)語(yǔ)

今天的下一代SoC是復(fù)雜的多處理器環(huán)境，它必須共享片上資源，而不會(huì)帶來(lái)額外開銷，降低系統(tǒng)的效率。隊(duì)列管理有助于芯片資源的虛擬化，通過(guò)一種可靠的機(jī)制，分配帶寬、隔離故障，以及促進(jìn)可靠的錯(cuò)誤恢復(fù)，簡(jiǎn)化了資源共享工作。流量管理通過(guò)一種滿足不同應(yīng)用對(duì)延時(shí)和流量需求的方式，控制流量進(jìn)出隊(duì)列的速率，從而確保了系統(tǒng)公平地共享資源。通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)的虛擬化，開發(fā)人員可以卸載隊(duì)列與流量管理工作，從而增強(qiáng)應(yīng)用的效率、獲得最大的資源吞吐量、減少延時(shí)，增加系統(tǒng)的可靠性。[!--empirenews.page--]