對(duì)稱多處理 (SMP) 的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

何謂 SMP?我們?yōu)槭裁葱枰?

　　對(duì)稱多處理 (SMP) 廣泛應(yīng)用于 PC 領(lǐng)域，能夠顯著提升臺(tái)式計(jì)算機(jī)的性能。SMP 能使單芯片上多個(gè)相同的處理子系統(tǒng)運(yùn)行相同的指令集，而且都對(duì)存儲(chǔ)器、I/O 和外部中斷具有同等的訪問(wèn)權(quán)限。操作系統(tǒng) (OS) 的單份拷貝就能控制所有內(nèi)核，使任何處理器都能運(yùn)行所有的線程，而無(wú)需考慮內(nèi)核、應(yīng)用或中斷服務(wù)的區(qū)分。

圖 1：多重因素推動(dòng)移動(dòng)設(shè)備對(duì) SMP 的需求不斷增長(zhǎng)SMP 將推動(dòng)移動(dòng)應(yīng)用和設(shè)備不斷發(fā)展進(jìn)步，而這正是目前單核解決方案所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。SMP 能激活執(zhí)行任務(wù)所需的某個(gè)特定內(nèi)核或多個(gè)內(nèi)核，從而使 OEM 廠商能夠?qū)崿F(xiàn)高度可擴(kuò)展的性能與電源，充分滿足當(dāng)今業(yè)界最流行的應(yīng)用以及未來(lái)潛在的創(chuàng)新應(yīng)用。無(wú)障礙 Web 瀏覽等大量新型應(yīng)用對(duì)移動(dòng)設(shè)備提出了更高的峰值計(jì)算性能要求。目前的單核解決方案無(wú)法滿足這一需求，只有 SMP 才能在移動(dòng)設(shè)備的空間尺寸及電源限制條件下實(shí)現(xiàn)上述性能需求。我們固然可通過(guò)增加單核解決方案的尺寸來(lái)滿足性能需求，但若增加功耗則對(duì)移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)是不可接受的。SMP 正是滿足此類需求的唯一架構(gòu)技術(shù)。可以預(yù)見(jiàn)，高級(jí)移動(dòng)應(yīng)用將像現(xiàn)在的 PC 應(yīng)用一樣復(fù)雜，而 PC 領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的線程技術(shù)也將有望移植到移動(dòng)手持終端上。推動(dòng) PC 處理器不斷發(fā)展的挑戰(zhàn)(例如單內(nèi)核芯片性能略有提高就需要大幅加大硅芯片技術(shù)的復(fù)雜性)也同樣推動(dòng)移動(dòng)手持終端轉(zhuǎn)向多內(nèi)核架構(gòu)。此外，在較大型的單內(nèi)核解決方案上實(shí)現(xiàn)更高性能會(huì)使成本和復(fù)雜性直線上升，從而因更復(fù)雜的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程最終導(dǎo)致產(chǎn)品上市時(shí)間拖延。PC 市場(chǎng)是促進(jìn) SMP 技術(shù)推廣的催化劑，目前許多 PC 都內(nèi)置了雙核乃至四核處理器。ARM Ltd. 一直積極推動(dòng) SMP 技術(shù)向手持終端市場(chǎng)發(fā)展，并推出了 Cortex™-A9 MPCore 架構(gòu)。為了支持最新系列的 SMP 內(nèi)核，諸如 Linux 和 Symbian 等操作系統(tǒng)紛紛增加了對(duì) SMP 的支持。SMP 將為采用一至四核乃至更多內(nèi)核的產(chǎn)品提供高度可擴(kuò)展的產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃，滿足未來(lái)需求。SMP 高度可擴(kuò)展的發(fā)展規(guī)劃可全面滿足從低到高各級(jí)設(shè)備的需求，幫助開(kāi)發(fā)人員充分利用現(xiàn)有的軟件投資，確保推出的產(chǎn)品能夠迎合不同市場(chǎng)對(duì)各種性能級(jí)別的需求。移動(dòng)局限性
 

　　要想獲得成功，SMP 就必須克服眾多移動(dòng)設(shè)備自身存在的局限問(wèn)題，而尺寸、成本以及功耗屬于最顯而易見(jiàn)的問(wèn)題。消費(fèi)者期望獲得可方便地裝入口袋或錢包中的超小型移動(dòng)設(shè)備，而且一次充電就能全天無(wú)憂。此外，移動(dòng)設(shè)備的成本也是市場(chǎng)必須考慮的問(wèn)題。SMP 可全面解決上述移動(dòng)技術(shù)面臨的局限問(wèn)題，確保設(shè)備滿足消費(fèi)者的要求。SMP 將幫助高級(jí)應(yīng)用提高運(yùn)行效率，不過(guò)我們也必須注意，增加的內(nèi)核不能在功耗方面造成消極影響。在 SMP 設(shè)備中采用新技術(shù)必須確保功耗不超過(guò)單內(nèi)核的水平。隨著移動(dòng)手持終端開(kāi)始支持過(guò)去只有 PC 才具備的 Web 瀏覽、多媒體和 WLAN 連接等功能，以及語(yǔ)音和藍(lán)牙等標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)功能，用戶對(duì)性能的需求越來(lái)越高。不過(guò)，在移動(dòng)環(huán)境中，提升性能不僅必須確保高效性，而且還必須根據(jù)實(shí)際需求滿足相應(yīng)的功耗要求。只有根據(jù)不同的使用情況優(yōu)化功耗和性能，才能最大限度地延長(zhǎng)電池工作時(shí)間并實(shí)現(xiàn)最高性能。SMP 使智能電話能夠集成 PC 以及傳統(tǒng)電話的功能，讓單部移動(dòng)設(shè)備滿足用戶對(duì)功耗與性能的需求。ARM 目前在移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位，因而我們既需要支持傳統(tǒng)代碼，又需要支持功能豐富的工具。展望未來(lái)，SMP 將必須確保支持可實(shí)現(xiàn)正常工作的傳統(tǒng)代碼，同時(shí)還要節(jié)約功耗，提高性能。我們必須解決的最后一個(gè)移動(dòng)局限問(wèn)題，就是在盡可能減小芯片尺寸的同時(shí)提供足夠大的存儲(chǔ)器高速緩存，以確保多內(nèi)核工作不會(huì)出現(xiàn)死機(jī)問(wèn)題。如果單內(nèi)內(nèi)核設(shè)備需要的高速緩存量為 N，那么多內(nèi)核設(shè)備保持良好性能所需的緩存量就應(yīng)為 4*N。此外，我們還要考慮數(shù)據(jù)一致性和系統(tǒng)存儲(chǔ)器一致性等其他存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)問(wèn)題，才能確保所有處理器都能在準(zhǔn)確時(shí)間存取當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)。ARM Cortex-A9 MPCore

圖 2：ARM® Cortex™-A9 MPCore™為移動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的功率與性能為了滿足移動(dòng)手持設(shè)備市場(chǎng)對(duì)可擴(kuò)展功率與性能的需求，ARM 推出了 Cortex-A9 MPCore 架構(gòu)。該架構(gòu)與 ARM Cortex-A8 相比，可將處理效率提高 20% (IPC)，從而幫助設(shè)計(jì)人員以更低的頻率完成更多的工作。Cortex-A9 MPCore 可在一個(gè)群集中支持多達(dá) 4 個(gè)內(nèi)核，能夠?yàn)榭蛻粼O(shè)計(jì)產(chǎn)品、滿足特定需求提供高度的靈活性。Cortex-A9 MPCore 包含豐富的特性，如：高效超標(biāo)量管線能夠以低功耗實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的峰值性能; [!--empirenews.page--]
NEON 媒體處理引擎可加速媒體處理功能;

　　比前代 ARM FPU 性能提高一倍的浮點(diǎn)單元;

　　優(yōu)化的 1 級(jí)高速緩存可最大限度地降低時(shí)延與功耗;

　　Thumb®-2 技術(shù)可將存儲(chǔ)器要求降低 30%;

　　TrustZone® 技術(shù)支持可靠的安全應(yīng)用;

　　L2 高速緩存控制器支持低時(shí)延、高帶寬存儲(chǔ)器存取;

　　CoreSight™ 多內(nèi)核調(diào)試與跟蹤架構(gòu)可在開(kāi)發(fā)調(diào)試期間提高可視性。

　　Cortex-A9 MPCore 內(nèi)核比 Cortex-A8 更小，在降低功耗的同時(shí)提高了處理效率?？蓴U(kuò)展峰值性能與高級(jí)電源管理相結(jié)合，使 Cortex-A9 MPCore 性能超過(guò)了同類單內(nèi)核架構(gòu)，并可為多內(nèi)核設(shè)計(jì)提供明顯的優(yōu)勢(shì)。Cortex-A9 MPCore 不但能夠?qū)崿F(xiàn)可擴(kuò)展至多個(gè)市場(chǎng)的統(tǒng)一平臺(tái)，同時(shí)還可充分利用通用軟件開(kāi)發(fā)來(lái)降低研發(fā)成本，加速產(chǎn)品上的市進(jìn)程。

SMP 賦予應(yīng)用與產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)

　　目前，制造商希望投資于一款能夠使其在不同級(jí)別產(chǎn)品中充分利用與擴(kuò)展、并同時(shí)滿足未來(lái)需求的平臺(tái)。SMP 能夠以真正的性能可擴(kuò)展性全面滿足這一需求。與只能提高單個(gè)內(nèi)核速度的前代解決方案不同，SMP 將為整個(gè)多內(nèi)核實(shí)現(xiàn)真正的可擴(kuò)展性，為每一款產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)性能與功耗的最佳組合。SMP 將允許制造商在統(tǒng)一的平臺(tái)上以更高的性能支持如上網(wǎng)本等未來(lái)產(chǎn)品。一旦 SMP 的軟件開(kāi)發(fā)完成，設(shè)計(jì)人員便可根據(jù)未來(lái)需要添加多個(gè)處理器，而且這對(duì)軟件將保持透明。SMP 設(shè)計(jì)可為制造商滿足未來(lái)應(yīng)用需求打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

SMP 軟件的影響

　　SMP 可為各個(gè)層面的軟件大幅提高性能。對(duì)于不支持 SMP 的軟件，我們可使用操作系統(tǒng)任務(wù)管理器在每個(gè)內(nèi)核上啟動(dòng)進(jìn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)并行工作。并行進(jìn)程執(zhí)行自然會(huì)提升性能，雖然其效率不如線程級(jí)處理那么高，但也不會(huì)對(duì)應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員造成更多的設(shè)計(jì)麻煩。

圖 3：SMP 可在軟件的進(jìn)程與線程層面上提高性能隨著移動(dòng)設(shè)備性能的不斷提升，用戶應(yīng)用的復(fù)雜性也在不斷增加，在此情況下，應(yīng)用程序應(yīng)更多地以并行方式進(jìn)行編寫(如采用線程方式)，因此，我們便可充分發(fā)揮 SMP 的真正優(yōu)勢(shì)與增益。線程構(gòu)成進(jìn)程，不必反復(fù)返回操作系統(tǒng)尋求資源。應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員不但要采用并行方式進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，而且還必須注意進(jìn)程中線程的互動(dòng)方式。 某些應(yīng)用本身就是多線程的，從而使 SMP 能夠?qū)崿F(xiàn)更高的性能，更快的響應(yīng)時(shí)間以及更出色的整體用戶體驗(yàn)。如 Google 的 Chrome 等 web 瀏覽器就采用了多線程技術(shù)，因此能夠與 SMP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)高度互補(bǔ)。預(yù)計(jì)這些 PC web 瀏覽器所使用的這種技術(shù)也將用于移動(dòng)領(lǐng)域。 Symbian 和 Linux 移動(dòng)操作系統(tǒng)均全面支持 SMP。這種支持針對(duì)移動(dòng)環(huán)境進(jìn)行了專門優(yōu)化，將使所有處理器內(nèi)核的單一操作系統(tǒng)內(nèi)核映像以及調(diào)度器中的負(fù)載平衡能夠幫助確定在哪個(gè)內(nèi)核上運(yùn)行哪個(gè)任務(wù)或線程。 在處理原有軟件時(shí)，我們必須注意正確的任務(wù)同步，以避免系統(tǒng)鎖死。在 SMP 系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)可在安排低優(yōu)先級(jí)任務(wù)運(yùn)行在一個(gè)不同內(nèi)核上的同時(shí)，讓一個(gè)具有較高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)運(yùn)行在另一個(gè)內(nèi)核上。如果軟件包含不明確的同步，則會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)致鎖死情況的錯(cuò)誤判斷。通過(guò)正確使用信號(hào)量、互斥量以及自旋鎖等軟件技術(shù)，SMP 內(nèi)核的編程軟件將可實(shí)現(xiàn) SMP 的全部?jī)?yōu)勢(shì)。 SMP 系統(tǒng)上的開(kāi)發(fā)與調(diào)試工具至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)一步了解芯片情況才能緊跟軟件處理技術(shù)。在多個(gè)內(nèi)核上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程的情況下，功能強(qiáng)大的新型工具將可幫助制造商快速向市場(chǎng)推出令人驚奇的全新產(chǎn)品。[!--empirenews.page--]
SMP 的高級(jí)電源管理

　　SMP 提供的可擴(kuò)展電源優(yōu)勢(shì)可用來(lái)擴(kuò)展內(nèi)核頻率與工作內(nèi)核的數(shù)量。Cortex-A9 MPCore 能夠分別啟用與關(guān)閉不同的內(nèi)核。如果內(nèi)核處于開(kāi)啟狀態(tài)，則必須運(yùn)行在相同的時(shí)鐘頻率下。因此，為了高效使用 SMP 內(nèi)核的電源管理，必須通過(guò)測(cè)試來(lái)確定以下兩種選項(xiàng)的性能與功耗基準(zhǔn)：一、在關(guān)閉其它內(nèi)核的同時(shí)，以最高時(shí)鐘頻率在單個(gè)內(nèi)核上全速運(yùn)行進(jìn)程;二、多內(nèi)核同時(shí)運(yùn)行進(jìn)程，但運(yùn)行的時(shí)鐘頻率降低。SMP 采用的其它電源管理技術(shù)還包括動(dòng)態(tài)電壓與頻率縮放 (DVFS)，可根據(jù)所需的性能來(lái)調(diào)節(jié)匹配系統(tǒng)的頻率與電壓。操作系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡，這也有助于改善電源管理，并幫助設(shè)計(jì)人員針對(duì)功耗來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)。TI OMAP 4 平臺(tái)是業(yè)界率先推出的、基于 ARM Cortex-A9 MPCore 的雙內(nèi)核架構(gòu)之一。該架構(gòu)與專業(yè)處理引擎進(jìn)行了平衡，可實(shí)現(xiàn)無(wú)與倫比的移動(dòng)多媒體性能。

圖 4：TI 全新 OMAP 4 平臺(tái)為移動(dòng)設(shè)備帶來(lái) SMPOMAP 4 平臺(tái)的主要特性包括：內(nèi)核 ARM Cortex-A9 MPCore SMP 通用處理器，可提高性能與效率;

　　IVA 3 硬件加速器，可實(shí)現(xiàn)真正的 1080p 多標(biāo)準(zhǔn)高清錄制與回放功能;

　　影像信號(hào)處理器 (ISP) 支持高質(zhì)量影像與視頻捕獲，可實(shí)現(xiàn)堪比 SLR 的數(shù)字高性能，捕獲 2000 萬(wàn)像素的靜態(tài)影像;

　　Imagination Technologies POWERVR™ SGX540 3D 影像內(nèi)核支持 3D 用戶界面，可實(shí)現(xiàn)更大的顯示屏、逼真的圖像以及直觀易用的觸摸屏等應(yīng)用;

　　音頻后端 (ABE) 處理器可為顯著降低功耗提供虛擬低功耗音頻芯片;

　　靈活的系統(tǒng)支持：

　　復(fù)合型 TV 輸出

　　HDMI v1.3 輸出可驅(qū)動(dòng)高清顯示屏

　　色彩豐富的更大顯示屏支持

　　外設(shè)接口：MIPI 串行攝像機(jī)和串行顯示屏接口、MIPI® SLIMbusSM、MMC/SD、USB 2.0 移動(dòng)高速、UART 以及 SPI 等

　　支持各大操作系統(tǒng)：Linux(包括 Android 和 LiMo)、Microsoft Windows Mobile 和 Symbian;

　　45 納米移動(dòng)工藝技術(shù)可提高性能與電源效率;

　　優(yōu)化的電源與音頻管理配套芯片：TWL6030 和 TWL6040

　　TI 是唯一一家可為 SMP 提供所有主要移動(dòng)操作系統(tǒng)支持的公司，這些操作系統(tǒng)包括 Symbian、Linux 以及 Microsoft Windows Mobile 等。OMAP 4 平臺(tái)是移動(dòng)產(chǎn)業(yè)有關(guān) SMP 轉(zhuǎn)型的領(lǐng)先解決方案，其架構(gòu)專為優(yōu)化 SMP 性能而精心設(shè)計(jì)。例如，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)對(duì)存儲(chǔ)器架構(gòu)、高速緩存量以及存儲(chǔ)器接口等給予了充分的考慮，能夠以最低的延遲實(shí)現(xiàn)最佳性能。OMAP 4 配套提供的 TI 綜合軟件套件專為 SMP 編寫，可充分發(fā)揮 SMP 架構(gòu)內(nèi)在的處理性能增強(qiáng)與省電優(yōu)勢(shì)。OMAP 4 平臺(tái)采用市場(chǎng)上最先進(jìn)高效的電源管理技術(shù)，可進(jìn)一步節(jié)省電源。該處理器充分利用 TI SmartReflex™ 2 的電源和性能管理技術(shù)，可提供各種智能、自適應(yīng)性軟硬件技術(shù)，能夠根據(jù)器件工作情況、操作模式以及溫度等動(dòng)態(tài)控制電壓、頻率與電源，具體包括：動(dòng)態(tài)電壓與頻率縮放 (DVFS);

　　自適應(yīng)電壓縮放 (AVS);

　　動(dòng)態(tài)電源切換 (DPS);

　　靜態(tài)漏電管理 (SLM);

　　自適應(yīng)體偏壓 (ABB);

　　針對(duì)速度較慢器件的順向偏壓 (FBB)

　　逆向偏壓 (RBB)，可為速度較快的器件減少漏電

　　OMAP 4 平臺(tái)充分利用 TI 在移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)與豐富經(jīng)驗(yàn)，可為當(dāng)前及未來(lái)應(yīng)用提供基于 SMP 的最新處理器解決方案。OMAP 4 SMP 的強(qiáng)大功能

　　OMAP 4 SMP 的強(qiáng)大功能

圖 5：OMAP 4 SMP 可實(shí)現(xiàn)類似 PC 的 Web 瀏覽體驗(yàn)在第二個(gè)使用案例中，一位消費(fèi)者正在使用手機(jī)欣賞 H.264 視頻。這種多媒體應(yīng)用案例通常不適用于多線程處理技術(shù)，因此最好采用單內(nèi)核工作。在本例中，OMAP 4 將兩個(gè)內(nèi)核之中的一個(gè)關(guān)閉，并讓另一個(gè)內(nèi)核在更高頻率下工作，從而可提供出色的多媒體內(nèi)容。由于只有一個(gè)內(nèi)核工作，因而可降低功耗。

圖 6：OMAP 4 實(shí)現(xiàn)出色的多媒體內(nèi)容結(jié)論

　　SMP 對(duì)滿足新一代移動(dòng)設(shè)備的高性能與低功耗需求將至關(guān)重要。SMP 具有可擴(kuò)展的功率與性能，能夠?yàn)閱蝺?nèi)核解決方案提供獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)應(yīng)用將更多地使用多線程技術(shù)，這將推動(dòng) SMP 成為我們的首選平臺(tái)。TI 的 OMAP 4 平臺(tái)是率先提供 SMP 技術(shù)的產(chǎn)品，不但能夠?qū)崿F(xiàn)可擴(kuò)展的通用處理性能，同時(shí)還可提升多媒體處理領(lǐng)域(影像、圖像、音頻與視頻)的功能。我們必須注意，SMP 不會(huì)吸收這些多媒體領(lǐng)域的功能，這些多媒體領(lǐng)域需要可在最低功耗下實(shí)現(xiàn)最高性能的專門引擎。OMAP 4 可提供 SMP 的優(yōu)化組合，能夠與非對(duì)稱多處理技術(shù) (AMP) 配合工作。TI OMAP 4 平臺(tái)是在移動(dòng)設(shè)備中推進(jìn) SMP 技術(shù)的領(lǐng)先解決方案，可支持未來(lái)奇妙的應(yīng)用。當(dāng)前對(duì) SMP 進(jìn)行投資，將來(lái)就可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的軟件重復(fù)使用，OEM 廠商也可在各個(gè)層次的產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)方案的擴(kuò)展，并全面滿足未來(lái)的長(zhǎng)遠(yuǎn)需求。