SMP模式 - 多內(nèi)核設(shè)計(jì)的三種設(shè)計(jì)模式概述

3． SMP模式

在一個(gè)對(duì)稱多處理(簡(jiǎn)稱“SMP”)系統(tǒng)中，單一映像(single-image)操作系統(tǒng)是運(yùn)行在兩個(gè)或多個(gè)共享存儲(chǔ)空間的處理內(nèi)核的頂層，這些處理器內(nèi)核實(shí)質(zhì)上是相同的。正如一臺(tái)多內(nèi)核桌面計(jì)算機(jī)一樣，SMP模式系統(tǒng)可以在一個(gè)處理器內(nèi)核組基礎(chǔ)上動(dòng)態(tài)地均衡任務(wù)。重新分配處理能力以匹配當(dāng)前任務(wù)的這種能力是SMP系統(tǒng)的一大主要優(yōu)點(diǎn)，這也使得SMP系統(tǒng)成為了三種模式中最靈活和適應(yīng)性最強(qiáng)的模式。利用當(dāng)今SMP實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這種靈活性可以不需要在犧牲任何性能的條件下實(shí)現(xiàn)判決或?qū)崟r(shí)響應(yīng)。

圖3：SMP系統(tǒng)實(shí)例。

一個(gè)SMP模式系統(tǒng)要求具備兩樣條件：一個(gè)是對(duì)稱的共享存儲(chǔ)器的多內(nèi)核處理器平臺(tái)，另一個(gè)是具有SMP功能的操作系統(tǒng)。今天眾多的處理器系列都支持SMP功能，也有多種渠道可以得到SMP操作系統(tǒng)。SMP系統(tǒng)的兩個(gè)更為突出的優(yōu)點(diǎn)是開發(fā)人員比較熟悉，以及可以快速啟動(dòng)。理論上來說，開發(fā)人員可以較為容易地啟動(dòng)具有SMP功能的操作系統(tǒng)，并將現(xiàn)有的應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)行移植，開發(fā)人員可以快速地利用多內(nèi)核硬件的性能。

現(xiàn)實(shí)的情況基本如此，但是有幾個(gè)問題需要牢記。第一個(gè)值得關(guān)注的問題是硬實(shí)時(shí)性要求，一個(gè)支持SMP功能的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)不會(huì)犧牲實(shí)時(shí)性能，但是，當(dāng)使用SMP時(shí)，不具有硬實(shí)時(shí)性功能的操作系統(tǒng)將缺少判決性以及缺少更高級(jí)的和更可變的中斷反應(yīng)時(shí)間。對(duì)一個(gè)良好的SMP RTOS而言無需擔(dān)心此點(diǎn)，但需牢記的是，通用的操作系統(tǒng)在SMP硬件上和它運(yùn)行在單處理器系統(tǒng)上比較也許會(huì)有不同的表現(xiàn)。

第二個(gè)潛在問題是資源競(jìng)爭(zhēng)。SMP系統(tǒng)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是很多資源都是共享的，這使得SMP系統(tǒng)更具有靈活性和適應(yīng)性。然而，該優(yōu)點(diǎn)也是一個(gè)缺點(diǎn)，由于所有的資源是共享的，將會(huì)由于資源競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生無法預(yù)期的性能改變。在每個(gè)系統(tǒng)中這是不會(huì)發(fā)生的，但如果開發(fā)人員想要系統(tǒng)按其設(shè)計(jì)的性能運(yùn)行的話，還是要將此點(diǎn)牢記于心。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與調(diào)試

正如嵌入式開發(fā)一樣，在硬件設(shè)計(jì)的過程中需要首先考慮軟件的開發(fā)和調(diào)試。確保設(shè)計(jì)具有片上調(diào)試(OCD)的功能將會(huì)極大地加快系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)程，而且為編程和分析系統(tǒng)提供了一套可靠的工具。在平面設(shè)計(jì)模式和柵格設(shè)計(jì)模式中，單個(gè)OCD端口可讓開發(fā)人員對(duì)系統(tǒng)的單個(gè)內(nèi)核進(jìn)行調(diào)試，就好像他們擁有一個(gè)更為傳統(tǒng)的單內(nèi)核系統(tǒng)一樣。

實(shí)時(shí)跟蹤端口是另外一個(gè)調(diào)試特性，這一特性隨著系統(tǒng)中內(nèi)核數(shù)目的不斷增長(zhǎng)而變得越來越重要。實(shí)時(shí)跟蹤提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方法去觀察內(nèi)核之間的相互作用，而不會(huì)破壞對(duì)再現(xiàn)問題起關(guān)鍵作用的敏感時(shí)序。如果多內(nèi)核設(shè)備包含有一個(gè)或多個(gè)實(shí)時(shí)跟蹤端口，這將會(huì)使的系統(tǒng)開發(fā)更容易。

有一個(gè)常常被提及但并不符合實(shí)際的說法：盡管許多開發(fā)人員成功采用了這三種設(shè)計(jì)模式，但是軟件開發(fā)工具并不是針對(duì)多內(nèi)核應(yīng)用設(shè)計(jì)的?，F(xiàn)在，已經(jīng)有支持SMP功能的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供，且可以為開發(fā)人員提供不損耗實(shí)時(shí)判決的靈活的SMP模式。對(duì)于使用平面模式和柵格模式的設(shè)計(jì)來說，開發(fā)人員可以充分利用現(xiàn)有熟悉的、經(jīng)過驗(yàn)證的單內(nèi)核設(shè)計(jì)工具和方法。多內(nèi)核設(shè)計(jì)可使系統(tǒng)變得更為復(fù)雜，但是已開發(fā)出來的工具和方法可以為開發(fā)人員在管理多內(nèi)核硬件的復(fù)雜性、實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大的功能及成本等方面助上一臂之力。

總結(jié)

合并是嵌入式領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的一個(gè)趨勢(shì)，它使得性能更優(yōu)良的嵌入式設(shè)備采用更少的元器件，從而降低了成本及功耗預(yù)算。這一趨勢(shì)的最新進(jìn)展是在單個(gè)封裝內(nèi)提供多個(gè)處理器內(nèi)核的多內(nèi)核嵌入式微處理器的增加，而且與同等的單內(nèi)核處理器相比具有低功耗和低成本的優(yōu)點(diǎn)。