设计大吞吐量、实时SoC系统的最佳实践

1、设计大吞吐量、实时soc系统的最佳实践 现代软件通常包括多种应用，从汽车发动机控制等硬件实时应用，到hd视频流等大吞吐量应用。随着现代soc向大吞吐量系统的迅速进展，处理器内核数量不断增强，宽带互联也越来越多，导致混合系统设计成为挑战。在这类系统中实现硬件实时s量级响应，颤动不到1s，需要认真的综合考虑分析和系统划分。随着soc的复杂度越来越高，未来的验证策略也必需纳入考虑范围。这类系统设计主要有三种办法非对称多处理(amp)、管理程序，以及支持内核隔离的对称多处理(smp)(主要的对照见表1)，系统设计人员可以从中挑选一种办法来优化混合soc系统。非对称多处理amp实际是基于物理上不同的处理

2、器内核的多操作系统(os)端口。一个例子是，在第一个内核上运行特地用于处理实时任务的裸金属os，在其他内核上运行等完整的os。无数时候，最初将os导入到内核中十分容易，但是，在启动代码和资源管理上很简单出错，例如，存储器、高速缓存和外设等。当多个os拜访相同的外设时，行为会是不确定的，调试起来可能十分耗时。通常要求认真的庇护 trustzone等体系结构不受影响。更复杂的是，在os之间传递消息要求存储器分享，一起采纳其他庇护手段举行管理。不同的os之间通常不会分享高速缓存。要通过非高速缓存区来传递消息，对于总体性能而言，增强了延时和颤动。从可扩展角度看，随着内核数量的增强，需要举行多次重新导入

3、，使软件体系结构较差。监控程序管理程序是挺直在硬件上运行的底层软件，在其上可管理多个自立的os。最初的导入与amp相像，而其优势在于管理程序躲藏了资源管理和消息传递中不重要的详情。缺点是因为吞吐量和实时性能要求，增强了额外的软件层，导致浮现性能开销。对称多处理支持内核隔离的smp在多个内核上运行一个os，支持在内部划分内核。一个例子是让smp os在第一个内核上分配实时应用程序，在其他的内核上运行非实时应用程序。随着内核数量的增强，smp os可以设计无缝导入，因此，这一办法的可扩展性比较好。全部内核都是由一个os管理的，因此，内核之间可以在l1数据高速缓存级上传递消息，通信速度更快，颤动 更

4、低。通过内核隔离，可以保留一个内核用于硬件实时应用，以屏蔽其他大吞吐量内核的影响，保持了低颤动和实时数据响应。这样，设计人员可以考虑用法哪一个os，而不用重新设计简单出错的底层软件来管理多个os。因此，这普通是很好的软件体系结构打算。假如从多个os开头，最初的导入会需要一些付出。但是，从一个smp体系结构开头会省无数事。通过smp优化大吞吐量、实时soc基于对各种办法的分析，支持内核隔离的smp是最好的体系结构，优化了大吞吐量、实时soc系统。我们考虑的体系结构与图3的系统相像，其中，i/o数据输入到soc中，处理器对其举行计算，送回至i/o，满足低颤动和低延时实时响应要求。此外，soc包括了

5、多个内核，可同时运行其他吞吐量较大的应用程序。首先，需要理解一个实时响应(循环时光)由哪些组成：1.从一个i/o，将新数据传送至系统存储器(dma)。2.处理器探测系统存储器中的新数据 (内核隔离)。3.将数据复制到私有存储器(memcpy)。4.对数据举行计算。5.将结果复制回系统存储器(memcpy)。6.将结果传送回i/o(dma)。颤动和延时是6个步骤的累积，因此，需要优化每一个步骤。采纳支持内核隔离的等rtos，可以在纳秒范围内完成轮询/中断响应(步骤2)。数据计算也是专用的，具有很好的可预测性(步骤4)。因此，我们的重点是综合考虑挺直存储器拜访(dma)和memcpy(步骤1/3/

6、5/6)。主要有两种办法来传送数据：高速缓存延续传送，以及不支持高速缓冲延续的传送。这两种办法在dma和memcpy上的响应有很大的不同。1所示，虽然高速缓存延续传送(用法arm高速缓存延续端口(acp)导致dma需要较长的通路，但处理器只需要拜访l1高速缓存就可以获得所传送的数据。因此，用法高速缓存延续传送的memcpy时光要少无数，但是dma性能会有些劣化。对于设计人员而言，因为是挺直高速缓存拜访，因此，高速缓存延续传送的延时更短，颤动 更小。案例讨论：soc设计最佳实践可以用法cyclone v soc 开发套件，通过参考设计来演示一个完整的系统。器件在一个芯片中包括了一个双核32arm

7、 -a9内核子系统(hps)和一个28nm fpga。下面总结了硬件和软件体系结构，2所示。硬件体系结构·两个dma，将数据从fpga i/o传送至arm处理器，反之亦然。·两个dma都衔接至acp，实现数据在arm处理器高速缓存的挺直传送。·实时控制单元ip，以尽可能快的方式启动arm处理器和dma引擎之间的消息传递。·颤动监视器挺直探测dma信号，采集实时性能和颤动，精度在±6.7ns以内。软件体系结构·在双核arm处理器上的vxworks实时os运行在smp模式下。·内核隔离，用于在第一个内核上分配实时应用程序，在其次

8、个内核上分配其他的非 实时应用程序。·实时应用程序延续从i/o读取数据，计算，然后将结果发送回i/o。·当延续运行ftp传输并对数据加密时，非实时应用程序加重了对arm内核和其它 i/o性能的要求。结果在长度不同的数据上运行试验，长度从32 字节直至2,048字节。为了采集循环时光的直方图，来分析颤动(最大和最小循环时光之间的不同)，每一长度都要运行数百万次。3所示，即使是在其次个内核上运行数据流负载很大的ftp，经过数百万次的测试，延时也在微秒级，而颤动不到300ps。长度不同，会有些颤动摆动，但是可控制在200ps内，并不显然。相同的ftp应用程序也运行在vxworks smp上，用法了两个内核，速度提高了近2倍。因此，这一办法并没有劣化吞吐量，是吞吐量和硬件实时应用程序的折中挑选。但是，因为对内核举行了硬件划分，不能够灵便的增强内核数，因此，amp解决计划也同样有一些劣化。结论设计一个支持大吞吐量和实时应用程序的均衡soc系统需要举行无数综合考虑，例如：·dma数据传送。·延续高速缓存。·处理器内核与dma之间的消息传递。&