引言

　　多內核處理器給編程人員帶來了新的挑戰。在多內核項目中，半數以上的成本來自軟件開發。多內核編程的具體挑戰是非對稱多內核處理器 (AMP)，因為其中相同的器件中駐留著 RISC 與 DSP 內核等不同類型的處理單元。這主要是因為操作系統 (OS) 對資源管理與負載均衡的支持非常薄弱甚至根本沒有，導致可擴展性差與資源利用率低。德州儀器 (TI) 創新型 KeyStone II 多內核架構提供專用硬件幫助實現調度與負載均衡功能，可簡化多內核可編程性。KeyStone II通過這些措施實現了多內核編程的性能突破。

　　AMP 編程挑戰

　　隨著多內核技術的演進，越來越多的 SoC 提供對稱多內核架構實現低成本以及更高的性能。典型的 AMP 具有運行在不同操作系統上的異構內核、硬件加速器以及非所有內核共享的分布式存儲器。在對稱多內核處理器 (SMP) 應用中，內核完全相同并運行支持相同共享存儲器架構的相同操作系統，因此使用操作系統帶來的內核間通信、調度以及負載均衡功能相對而言更為直接。AMP 器件的編程需要更高的并行編程技能，才能通過控制和協調不同的內核及操作系統實現可滿足單內核或 SMP 編程需求的高穩定性及高性能。

　　傳統非對稱多內核處理要求在編譯時對多內核資源進行靜態分區。這樣做難度往往較大，因為運行時的軟件加載不能提前判別，尤其是 4G LTE、LTE Advanced 以及云計算等尖端技術。一般解決辦法是預留額外的空間，以確保系統在最惡劣應用條件下也能正確運行。資源過度分配的不利影響是資源利用不足，最終會導致產品成本上升。另一方面，首次使用時或者引入新功能、需要現場強化或需求改更時，手動重新分區及軟件優化會帶來大量的軟件工作。

　　同步性及處理器間通信 (IPC) 的效率在多內核編程過程中至關重要。缺乏對各種同步性與 IPC 機制的適當硬件支持，會因過多的軟件開銷而導致多內核利用低下，降低系統性能。

　　這對 AMP 多內核系統而言尤為如此，因為難以實現軟件可擴展性與靈活性。

　　多內核導航器助力實現創新

　　多內核導航器是一種基于數據包的創新基礎設施，支持數據傳輸與多內核控制。TI 異構 KeyStone 架構完美整合了 DSP Core-Pac、ARM? CorePac、硬件 AccelerationPac 以及 I/O 外設。它們不但可通過 TeraNet 進行物理互連，而且可通過多內核導航器進行邏輯互連。在 TI KeyStone II 架構中，多內核導航器不但包含可容納 1.6 萬個硬件隊列的隊列管理器，通常存放指向各種數據包(由描述符及數據有效負載組成)的指針，而且還包含 8 個 3,200 MIPS uRISC、用于傳輸數據的數據包 DMA 以及支持 100 萬個描述符的硬件數據結構。此外，還可在 AccelerationPac 與 I/O 子系統中構建數據包 DMA，這樣多內核導航器無需內核干預，便可將數據從任何單元傳輸至任何端點。

　　多內核導航器為 CorePac、AccelerationPac 以及 I/O 提供統一接口，可將硬件隊列用于圖 1 所示的不同系統端點。這可為所有 IP 塊提供支持通用通信方式的 AMP 系統。多內核導航器可充分利用內建在隊列管理器中的 uRISC 內核來管理流量路由、IPC、資源管理、調度以及負載均衡，從而可優化和加速數據流。各種任務可由隊列管理器按需派送和分配給負載最輕的內核或 IP 子系統。

　　圖 1：多內核導航器子系統

　　多內核導航器可提供高效率內核間通信機制。硬件隊列與數據包 DMA 是 IPC 的基本構建塊。某些隊列經過精心設計，可對 IPC 內核產生中斷。多內核導航器內部的 uRISC 內核使用可編程中斷通知功能實現自動隊列監控與管理。多內核導航器可充分限制軟件開銷，降低同步時延，并可提高 IPC 吞吐量。此外，它還支持無鎖編程模型。圖 2 是使用多內核導航器的 IPC 示意圖。

　　圖 2：使用多內核導航器實現處理器間的通信

　　雖然采用 TI KeyStone II 硅芯片架構已經解決了多內核挑戰，但只有應用軟件開發人員充分發揮多內核性能，才能真正實現這種硬件架構的各種優勢。在軟件方面，TI 正在投資標準編程方法，讓支持多內核導航器的 KeyStone II 的各項優勢充分體現在應用中。行業中及學術界已經涌現出大量有望成為標準的多內核編程趨勢。所有這些方法的共同之處在于應用軟件開發人員先通過語言表達，采用特定手段描述其應用的并行性，然后再映射至底層運行時。該運行時可掌控將過程映射至底層硬件架構。

　　Navigator Runtime 是一個可擴展薄軟件層，可幫助多內核導航器實現更高水平的并行編程性能，提高可擴展性、移植性及效率。對 AMP 編程挑戰而言，多內核導航器和 Navigator Runtime 的完美結合是一款功能強大的獨特解決方案。

　　Navigator Runtime 的主要功能是將工作任務分配給多個內核。先將工作任務放入待執行的虛擬隊列，然后由嵌入在多內核導航器硬件中的 uRISC 內核執行中央調度。調度器根據優先級、原子性以及本地性選擇工作任務，然后分配給軟件分配器。軟件分配器是駐留在每一個內核中的 Navigator Runtime 的必備部件。分配器隨即將每項工作任務發送至處理元件執行，處理元件可能是內核、AccelerationPac 或 I/O 端點中的線程。

　　充分發揮多內核導航器的作用，工作任務制定者及使用者的抽象可由 Navigator Runtime 完成。將嵌入式 uRISC 內核用于集中調度工作(無需消耗主 DSP 或 ARM? 內核的 MIPS)，可實現低開銷、低時延以及每個內核 25 萬個任務的高吞吐量，實現無與倫比的并行編程性能。
圖 3 主要展示 Navigator Runtime 概念及其與多內核導航器的互動。