超級系統(tǒng)的開發(fā)加速了多處理器的設(shè)計

按照今天的標準，早期的基于微處理器的系統(tǒng)很簡單，尤其是因為它們通常只使用一個處理器（可能只有一些協(xié)處理器，如浮點協(xié)處理器），而且指令集相對較簡單，運行速度很低時鐘頻率。該處理器通過一個簡單的讀/寫和信令協(xié)議，通過一個8位或16位數(shù)據(jù)總線與少量相對簡單的存儲器和外圍設(shè)備進行通信。

那些日子早已過去。目前，在緊密耦合或網(wǎng)絡(luò)拓撲中涉及數(shù)十或數(shù)百個復(fù)雜處理器和硬件加速器的系統(tǒng)的開發(fā)有了巨大的增長。除了分層存儲器結(jié)構(gòu)和多層總線結(jié)構(gòu)，這些超級系統(tǒng)＆＃151;這可能每秒執(zhí)行數(shù)億到數(shù)百億的指令＆＃151;功能極其復(fù)雜的軟件組件，目前這種軟件內(nèi)容幾乎呈指數(shù)級增長。

激烈的競爭使今天的電子市場對上市時間壓力極為敏感。在手機等消費市場尤其如此，新產(chǎn)品產(chǎn)生影響的機會有時可能只有兩到四個月。然而，最近的一份報告顯示，超過50％的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)運行較晚，而20％的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)未能滿足其要求規(guī)范或被完全取消。 1

問題在于，在傳統(tǒng)的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境中，硬件設(shè)計先于軟件開發(fā)。這個順序過程根本無法支持當今超級系統(tǒng)的開發(fā)。本文首先介紹超系統(tǒng)的示例，并概述了增加系統(tǒng)大小和復(fù)雜性所帶來的問題。

然后討論基于使用虛擬系統(tǒng)原型（VSP）的體系結(jié)構(gòu)驅(qū)動設(shè)計的概念作為潛在的解決方案。最后，在與傳統(tǒng)環(huán)境相關(guān)的后端工程資源負載與由體系結(jié)構(gòu)驅(qū)動的基于VSP的方法產(chǎn)生的前端負載之間進行生產(chǎn)力，開發(fā)時間和風險比較。

今天的超級系統(tǒng)

在某些方面，術(shù)語“超系統(tǒng)”可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)，因為它可能會讓一些讀者想象一個物理上很大的實現(xiàn)。實際上，超級系統(tǒng)通常在單個片上系統(tǒng)（SoC）器件上實現(xiàn)。

例如，現(xiàn)代手機可能包含一個SoC，包括幾??個通用中央處理單元（CPU），以及一個或兩個數(shù)字信號處理（DSP）單元，控制40個或更多外圍設(shè)備提供控制功能，多媒體功能，2D和3D圖形功能，加密功能，相機接口以及各種其他接口，如WiFi和USB。

具有相關(guān)加速器設(shè)備的DSP提供各種基帶處理，濾波，調(diào)制和解碼功能。擁有多個內(nèi)核可以實時處理更廣泛的處理流量，這是當今許多應(yīng)用程序的關(guān)鍵要求。

遠離無線網(wǎng)絡(luò)的手持部分，控制無線通信系統(tǒng)的基站本身是緊密耦合的多處理器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。例如，一個能夠每秒執(zhí)行數(shù)十億條指令的典型基站可以包含5到20個主要子系統(tǒng)和100多個單獨的處理器。

除了多處理器實現(xiàn)之外，今天的超級系統(tǒng)采用分層存儲器結(jié)構(gòu)。一些存儲器元件將通過專用總線緊密耦合到各個處理引擎，其他存儲器子系統(tǒng)可以是處理引擎集群的本地，并且其他存儲器單元可以在多組處理引擎之間共享。每個存儲器子系統(tǒng)可能具有不同的速度要求，不同的總線寬度，并使用不同的時鐘域。

在今天的超級系統(tǒng)中，不同的處理引擎可以有單獨的總線用于控制，指令和數(shù)據(jù)，每個這些復(fù)雜的總線可以具有各種結(jié)構(gòu)和協(xié)議。除通用處理器總線外，還可能有各種專用外設(shè)總線，緊耦合存儲器總線，外部存儲器總線和共享存儲器總線。

其中許多公交車都將采用流水線結(jié)構(gòu)，并在管道中安排多個交易請求和響應(yīng)?？偩€系統(tǒng)還可以采用復(fù)雜的交叉開關(guān)，可以同時嘗試多個讀寫操作。

即使是普通的現(xiàn)代汽車也包含20到80個處理器，執(zhí)行大量任務(wù)并執(zhí)行數(shù)億個任務(wù)每秒幾十億條指令（圖1）。

圖1＆＃151;汽車的電子產(chǎn)品含量正以不斷增長的速度增長 2 。