如何選擇合適的處理器內(nèi)核

處理器內(nèi)核越復(fù)雜，面積和功耗就越大。但是，隨著處理器處理數(shù)據(jù)的方式變得更加復(fù)雜，復(fù)雜性并不是一個單一的衡量維度。在選擇處理器IP內(nèi)核時，為您的項目選擇正確的復(fù)雜性很重要。

思考復(fù)雜性的一些方法包括：

字節(jié)長

執(zhí)行單元

特權(quán)/保護

虛擬內(nèi)存

安全功能

通常，字節(jié)越短，內(nèi)核越小，功率越低，但是，并非總是如此。8位內(nèi)核（例如8051）的門數(shù)可與最小的32位內(nèi)核相比，但功耗通常更差。8位內(nèi)核需要更多的存儲器訪問權(quán)限，這是因為每個時鐘周期需要較少的計算量，需要更多的周期。最終的影響是它需要更多功能來完成計算。

處理器內(nèi)核在其執(zhí)行單元的復(fù)雜性方面差異很大。最簡單的是基本的單個ALU，它們需要通過簡單的指令來實現(xiàn)許多通用操作。例如，使用shift和add來實現(xiàn)乘法。因此，內(nèi)核具有硬件乘法器和除法器是普遍的。如果需要良好的浮點性能，則添加硬件浮點單元將提供明顯更好的性能。此選項可用于Codasip的Bk3和Bk5RISC-V內(nèi)核，但價格更貴。

到目前為止，我們已經(jīng)假設(shè)單個計算線程和標量處理單元可以一次執(zhí)行一條指令。超標量體系結(jié)構(gòu)具有指令級并行性，能夠提取多個指令并將其發(fā)送到不同的執(zhí)行單元。例如，Western Digital EH1和EH2 SweRV內(nèi)核有兩個執(zhí)行單元。理論上，單線程雙核處理器可以具有單核兩倍的性能。但是，線程可能會掛起，這會使兩個執(zhí)行單元暫時處于非活動狀態(tài)。如果有兩個硬件線程，一個線程掛起后，另一個線程可以繼續(xù)執(zhí)行。

處理器的流水線深度可能有很大差異，并且深度與延遲之間存在直接關(guān)系。一些應(yīng)用程序可以忍受高延遲，結(jié)果是對中斷的響應(yīng)變慢，以換取較高的時鐘頻率和吞吐量。其他應(yīng)用程序需要對中斷的快速響應(yīng)，因此需要更短的流水線。

復(fù)雜性的另一個方面是特權(quán)模式。模式越多，核心邏輯就越復(fù)雜。許多嵌入式應(yīng)用程序以機器模式運行，這意味著代碼具有對內(nèi)核的完全訪問權(quán)限。例如Linux中的root特權(quán)。必須完全信任此類代碼，以避免產(chǎn)生負面后果。在更復(fù)雜的應(yīng)用程序中，可以提供一系列特權(quán)，例如機器，管理員和用戶。普通應(yīng)用程序?qū)⒃诰哂凶畲蟊Ｗo程度的用戶模式下運行，而一些需要更高權(quán)限的軟件將使用管理員模式。Linux需要這三種模式，這就是Codasip開發(fā)具有Linux功能的Bk7內(nèi)核的原因。

虛擬內(nèi)存還需要其他處理器資源，例如內(nèi)存管理單元（MUU）和轉(zhuǎn)換后備緩沖器（TLB），以處理將虛擬內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換為物理地址的操作。這在面積和功耗方面帶來了額外的成本，而沒有提高處理器的吞吐量。但是，虛擬內(nèi)存對于使用豐富的操作系統(tǒng)（例如Linux）是必不可少的，該操作系統(tǒng)可以使用更復(fù)雜的軟件。

因此，在選擇處理器內(nèi)核時，請確定所需的執(zhí)行單元，內(nèi)存管理，特權(quán)和安全性。這種結(jié)合將決定內(nèi)核的復(fù)雜性。

審核編輯：湯梓紅