S698P4 SoC芯片多時鐘及多核調度機制的研究

陳炳成，唐芳福，蔣曉華，顏 軍

(珠海歐比特控制工程股份有限公司，廣東 珠海 519080)

由于性能上的需求，當前嵌入式系統已經不滿足于使用單核處理器系統，許多設計者開始考慮多核處理。但多核處理系統在帶來性能提升的同時，也面臨著一系列需要考慮的問題，如數據一致性問題[1]、多時鐘控制問題和多核調度問題等。如果一個多核、多任務系統無法合理處理多任務需求，無法合理分配各核間的資源及工作，多核處理的優勢將得不到很好的體現，嚴重時甚至會出現災難性的后果。

本文以S698P4 SoC處理器為例，介紹在多核處理器系統中，多時鐘機制及多核調度機制對芯片性能的影響。

1 S698P4 SoC簡介

S698P4 SoC是基于 SPARCV8架構[2]的高性能的32 bit RISC嵌入式 4核處理器，采用 SMP[3]“對稱多處理”技術，在一個內核里集成4個功能一樣的處理器核心，各CPU之間共享內存子系統及總線結構?？偩€競爭核仲裁由硬件自動完成，不需要用戶進行設置。該處理器專為嵌入式應用而設計，具有高性能、低復雜度和低功耗的特點。

S698P4支持多核并行處理機制[4-5]，采用eCos實時嵌入式操作系統。eCos將任務隊列對稱地分布于多個CPU之上，從而極大地提高了整個系統的數據處理能力。所有的處理器都可以平等地訪問內存[6]、I/O口和外部中斷。系統資源被系統中所有CPU共享，工作負載能夠均勻地分配到所有可用處理器之上，運算速度快，數據處理量大、功耗低，性能和可靠性遠高于單核處理器。

圖1為S698P4結構圖，S698P4處理器內部集成了CPU0、CPU1、CPU2和 CPU3 4個 S698P核， 每個 S698P CPU內部又分別集成32 bit整形數處理單元、32 bit/64 bit浮點數處理單元及8 KB數據緩存(data cache)和指令緩存 (instruction cache)。針對實時應用的嵌入式領域，S698P4提供了內部看門狗、定時器、中斷控制器、通用I/O口以及串行通信接口；針對航空航天領域，S698P4提供了CAN總線接口、以太網接口以及1553B總線。同時，為了芯片調試，芯片內部還集成了硬件調試專用接口DSU。用戶通過DSU可以訪問CPU內部所有寄存器和存儲器資源，也可訪問外部所有存儲器和I/O外設，為基于S698P4的硬件/軟件調試提供方便[7]。

圖1 S698P4結構圖

S698P4處理器可廣泛應用于航空航天的高端電子設備、海量數據處理、大規模網絡應用、復雜科學計算及大型圖形建模為特征的企業或行業等領域。

2 多時鐘機制

S698P4單核最高運行速度可達到400 MHz，如果整個芯片都采用同一個時鐘，則所有外設和板級設備都要求運行在400 MHz的頻率上，這會增大系統設計的難度，并增加系統功耗，降低系統的穩定性。

S698P4采用多時鐘機制來平衡高速CPU內核和低速的外部設備之間的矛盾，在提高芯片性能的同時，避免對板級設備提出過高的要求。

S698P4的時鐘電路產生高速的 CPU時鐘CPU_CLK，CPU_CLK除了供給4個 CPU內核使用外，還經過4分頻電路，產生HCLK供給AMBA總線和外設使用。

S698P4 4個內核采用同樣的時鐘，它們全部從CPU_CLK得來，并且與CPU_CLK同頻、同相。

CPU_CLK、CPU0_CLK到 CPU3_CLK和 HCLK之間的相位關系如圖2所示。

圖2 S698P4內部時鐘

HCLK的頻率是CPU_CLK的四分之一。在CPU需要訪問AMBA總線和外設時，信號的時序需要按照HCLK的時序進行。如果CPU_CLK運行在400 MHz，則HCLK只需要運行在100 MHz。在板級設備上，普通的SDRAM即可滿足要求。對于其他慢速設備，則可以通過配置存儲器控制器寄存器的讀寫等待周期解決。

3 多核調度機制

3.1 S698P4多核中斷控制

S698P4在一個處理器上匯集了4個CPU，各 CPU之間共享一個操作系統、內存子系統、總線結構和I/O系統等。同時使用多個CPU時，從管理的角度來看，它們的表現如同一臺單機。正常啟動后，所有的CPU無主從之分，都可以平等地訪問內存、I/O和外部中斷。S698P4各CPU之間的通信是通過多核中斷控制器(MP IRQCTRL)的中斷來實現的，其結構如圖3所示。

圖3 S698P4多核中斷控制器

S698P4中的每個CPU都可以通過多核中斷控制器向其他CPU發中斷請求，每個CPU都可以響應其他CPU的中斷請求。在多核中斷控制器中，有一個稱為多處理器狀態寄存器(Multi-processor status register)，其后4位(STATUS[3：0])分別控制 4個 CPU的狀態，寫入 1，其相應的CPU就會被激活；寫入0，其相應的CPU就會進入休眠。S698P4啟動時，CPU有主CPU(CPU0)和從CPU之分，啟動完之后，所有CPU不分主從。CPU0的啟動順序和其他CPU的啟動順序是不同的，上電或者軟復位后，S698P4先啟動CPU0，其他CPU處于power down狀態。在CPU0初始化完成后，通過設置多處理器狀態寄存器啟動、初始化其他CPU，之后所有CPU無主從之分。多處理器狀態寄存器如圖4所示。

圖4 多處理器狀態寄存器

S698P4各個CPU均有一個稱為%asr17的寄存器，如圖5所示。其 31 bit~28 bit(圖中 INDEX部分)指明當前運行的是哪個CPU，程序可以從這個寄存器得到當前是在哪個CPU上運行，并作相應處理。

圖5 %asr17寄存器

在SMP系統中，系統資源被系統中所有處理器共享，工作負載能夠均勻地分配到所有可用處理器之上。并且因為結構共享存儲器、統一地址空間，使得系統編程比較容易。系統將任務隊列對稱地分布于多個CPU之上，從而極大地提高了整個系統的數據處理能力。

3.2 S698P4中斷源處理

S698P4中的AMBA系統提供一個中斷方案，中斷線排成一行連同剩余的AHB/APB總線信號線，形成一個中斷總線。來自AHB和APB單元的中斷通過總線連結在一起被發送。多處理器中斷控制器附屬到AMBA總線，作為一個APB從設備，而且監視組合的中斷信號。在中斷總線上產生的中斷全部被轉送給中斷控制器，中斷控制器通過優先級區分，中斷屏蔽選擇，把最高優先級的中斷送給處理器。

中斷監視器監視中斷總線中的1~15個中斷，通過設置中斷電平寄存器，每個中斷可以被指定0或者1兩個電平。電平1中斷的優先級比電平0中斷的優先級高。而每個電平的中斷也是有優先級區分的，中斷15優先級最高；中斷1則優先級最低。電平1的優先級最高中斷將會被轉送到處理器。如果電平1沒有非屏蔽掛起中斷存在，來自電平0的最高非屏蔽掛起中斷將會轉送到處理器。

當多個處理器單獨屏蔽和轉送時，中斷在系統電平上有區分。多處理器系統的每個處理器有單獨的中斷屏蔽和強制寄存器。當一個中斷在中斷總線上被告知時，中斷掛起寄存器的相應位置1，將中斷信號發送到每個CPU屏蔽寄存器，為每個CPU進行中斷屏蔽，然后對中斷進行優先級選擇，把優先級高的中斷送到CPU。

當有一個CPU應答中斷后，對應的中斷掛起位將會自動地被清除，中斷也可以通過設置中斷強制寄存器產生對應的中斷。由此處理器應答后將清除強制位，而并非掛起位。復位之后，中斷屏蔽寄存器全部被設定為0，剩余的控制寄存器是不確定的。注意：中斷15能被S698P4處理器屏蔽，使用時大部分操作系統不能正確處理這個中斷。

S698P4中斷控制器把S698P4內部和外部的所有中斷按照優先級先后順序排列，并傳送給IU。S698P4總共有15個中斷，如表1所示。

3.3 S698P4調度算法

eCos支持對稱多處理器(SMP)系統，多CPU之間的任務調度采用多級隊列調度，主要調度算法有時間片輪轉調度算法和搶占式優先權調度算法。

多級隊列調度的優先級數目在調度器配置的時候給出，最多有32個優先級，0為最高優先級。每個優先級上都有一個隊列。每個隊列支持多個線程。單個隊列中各線程優先級相同，同優先級線程可支持時間片輪轉。

表1 系統中斷列表

任務調度僅在激活的CPU上進行，其他的調度在4個CPU都處于激活狀態。當前任務數小于等于4個時，系統將每個任務分配一個CPU上，之后系統不會進行CPU間任務調度，一直運行到結束；當前任務數大于4個時，系統才會在CPU間進行任務調度。

當任務大于4個時，系統將進行CPU間的任務調度。調度算法采用時間片輪轉調度算法和搶占式優先權調度算法。系統將任務就緒隊列中優先級最高的4個任務分配到4個CPU上，每個CPU開始執行任務，任務執行時間以時間片為單位。當時間片時間到達時會產生一個定時器中斷，當系統定時器中斷產生時，由其中一個CPU(不確定)接收定時中斷，接收定時中斷的CPU必須為所有的CPU的時間片計數器進行操作。當某個CPU的時間片計數器到達0時，它將給該CPU發送一個時間片中斷。當其他CPU接收到時間片中斷時(S698P4每個CPU都必須處理時間片)，該CPU比較當前任務和任務就緒表中最高優先級的任務，如果后者的優先級比前者的優先級高，則系統就會產生調度。CPU把任務就緒表中最高優先級的任務調到該CPU上運行，把先前的任務重新在任務就緒表排隊。只要出現了另一個優先權更高的任務，調度程序就在下一個時間片中斷暫停原最高優先權任務的執行，而將CPU分配給新出現的優先權最高的任務。直到當前任務數小于等于4個時，系統才停止CPU間調度。

目前S698P4處理器已經成功實現了量產，在航空航天、工業控制等領域中得到廣泛的應用。實踐證明，S698P4多時鐘及多核調度機制能夠在發揮處理器整體性能上起到很關鍵的作用。

[1]梁寶玉，顏軍，侯雄，等.多核處理器 S698P-SoC的數據一致性[J].航天控制，2008，26：82-86.

[2]珠海歐比特控制工程股份有限公司.S698P4芯片用戶手冊(V2.0)[K]，2011.

[3]ZHAO Y， HU C， WANG S， et al.An extended openMP targeting on the hybrid architecture of SMP-cluster[M]，Advances in Computer Science and Technology，2006.

[4]季振洲.并行處理與體系結構講義[Z].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2005.

[5]BYOUNGRO S， ANWAR M G， YOUFENG W.Optimizing data parallel operations on many-core platforms[D].Intel Corporation，2004.

[6]唐志敏.分布存儲并行系統中的共享存儲編程環境講義[D].北京：中科院計算機研究所，2003.

[7]蔣曉華，李付海，祁波.SPARC體系的 S698系列 SoC及其應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2007(8)：84-85.