基于事件驅動的新型處理器的研究與應用

摘 要：針對現代電子設計低成本、高效率、高靈活性的特點，研究了一種新型的處理器：事件驅動多核心處理器。通過對這種處理器基本構架的研究，以及采用新型處理器與采用傳統控制器設計差異的對比，分析出該處理器具有性能高、實時性強、易編程等優點。最后，提出了一種新的設計方法：硬件設計軟件化，給眾多電子系統設計提供新的思路和參考。

關鍵詞：XMOS； 事件驅動多核心處理器； 硬件線程; 硬件設計軟件化

中圖分類號：TN4734 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2012)08000503

英國的XMOS Semiconductor公司推出了一種全新的控制器件：事件驅動多核心處理器（以后簡稱XCore處理器）。憑借一種叫作軟件化芯片（Software Defined Silicon）的新技術，XMOS提出了一種革命性的電子設計方法：硬件設計軟件化。通過軟件設計，可以使用XCore處理器實現以前需要通過FPGA，ASIC實現的硬件性能。這種新的處理器集RISC CPU的效率、DSP的性能和FPGA的靈活性于一體。

1 XCore處理器的基本構架

圖1為XCore處理器的基本框架圖［1］。如圖所示，每個處理器（以XS1G4為例）有4個內核（XCore），XCore之間通過一種稱之為Xlink的技術連接，可以實現XCore之間的數據通信。XCore內部有豐富的硬件資源：8 KB的OTP ROM，64 KB的RAM，10個計算器，6個時鐘模塊，7個同步單元和4個硬件鎖。除此之外，XCore最特別的是具有8個硬件線程［2］和32個通道端(Channel Ends)以及1個事件驅動管理器。每個硬件線程具有獨立的專有寄存器組［3］，同時可以訪問所在核內的共享硬件資源。

通道(Channel)是線程之間通信的主要方式，一個通道可以連接幾個通道端。這樣，使用各個通道端的硬件線程就可以相互通信了。通道可以在不同的XCore之間建立，依托強大的Xlink功能，甚至不同處理器之間的線程也可以通過通道進行通信。

圖1 XCore處理器的基本框架圖2 XCore處理器特點

2.1 硬件多線程技術

硬件多線程技術是XCore處理器能夠硬件設計軟件化的關鍵。有別于傳統的操作系統實現的多線程，硬件多線程是通過特有的硬件單元來調度。每個硬件線程的時間片精確到1個時鐘周期（對應于處理器工作在400 MHz主頻的情況下，就是2.5 ns）。傳統的操作系統分配給線程的時間片都是在ms級［45］。線程調度的實時性保證了多個硬件線程可以組成高性能的處理流水線。每個XCore擁有8個硬件線程，如果這個8個線程全部運行，在400 MHz的CPU主頻的情況下，理論上可以組成一條8級的主頻為50 MHz的流水線；如果處理器內的4個XCore全部運行，則可以組成4條這樣的并行流水線［6］。這足以完成大部分中低性能的FPGA實現的功能。

2.2 多功能智能IO模塊

多功能智能IO模塊是XCore處理器的另一大特色，該模塊可以對IO數據進行處理，然后再將數據緩存后送CPU內核處理，這樣，可以減輕IO操作對CPU內核的負擔。使得流水線設計瓶頸可以緩解。設計者可以適當延長處理流水線每一級的長度，使得軟件設計更加靈活，功能更加強大。

多功能智能IO模塊具有以下幾個功能：端口寬度可編程；帶時鐘、片選的IO接口；可編程時序IO接口；序列化IO接口；可編程FIFO緩存接口；可編程條件IO接口。靈活運用這些功能，可以輕易的實現MII，ULPI等高速總線接口。

2.3 事件驅動運算

相對于操作系統管理下的軟件線程，XCore處理器的硬件線程具有同樣的靈活性［7］。每個硬件線程可以被阻塞，當硬件線程被阻塞時處于睡眠狀態，它所占用的時鐘周期可以釋放給其他的硬件線程。舉個例子，如果某個XCore以400 MHz的工作頻率運行8個線程，那么每個硬件線程的實際工作頻率是50 MHz。當其中4個線程被阻塞時，剩下的4個硬件線程的工作頻率就能夠提升到100 MHz。當線程被阻塞時，需要等待指定的事件將它喚醒，這些事件可以由定時器、智能IO模塊和線程之間通信的通道產生。基于事件驅動運算的機制，可以極大地減少XCore處理器的功耗并顯著地提升XCore處理器的效能。

3 實例介紹

串口服務器是在工業控制領域經常用到的一類設備，其作用是實現UART與以太網之間的協議轉換，下面給出了3個不同的設計方案：采用通用嵌入式CPU實現的設計方案［8］；采用FPGA實現的設計方案［9］；以及采用XCore處理器設計方案，如圖2所示。

這3個方案比較類似，基本上都是單核心處理芯片加外圍接口芯片的SOC解決方案。不同的是，第1個方案的處理核心是集成了以太網MAC和UART的通用處理器。第2個方案的處理核心是FPGA器件。第3個方案的處理核心是XCore處理器。

圖2 設計方案圖示第1個方案的優點是設計起來容易、功能靈活；在通用嵌入式CPU上運行操作系統，使用標準的TCP/IP協議和UART協議，能夠實現各種復雜的控制功能。缺點也很明顯：CPU內部集成的串口有限，一般只能實現不超過4個串口的串口服務器；實時性差、由于軟件處理能力有限，當串口數據流量較大時，CPU會來不及處理，只能將數據放入緩存，待CPU空閑時處理。這樣導致數據轉發的延遲增大。

第2個方案的優點是擴展能力強、實時性高；由于FPGA具有硬件可編程的特點，理論上器件內部可以實現任意個數目的串口（實際受所選FPGA器件容量大小的影響）。FPGA采用硬件流水線處理串口數據轉以太網數據，因此，數據處理的速度很快，基本上不產生延遲，實時性好。這種方案的缺點是：設計難度比較大，需要獲得授權使用以太網MAC和UART的IP模塊，并且需要設計控制模塊來協調各個接口，然后進行系統級的仿真和測試，整個設計開發周期長、設計難度大；靈活性差，功能不強。由于采用硬件實現的機制，FPGA只能實現簡單的底層網絡報文，無法實現TCP/IP等高層次的網絡協議轉發。同樣，一些諸如流量控制、報文路由、IP管理之類的功能也無法實現。這樣、導致這個方案的可用性以及可維護性差。

第3個方案綜合了2個方案的優點并彌補了它們的不足。首先，XCore處理器的IO管腳像FPGA一樣是可以編程設計的。設計者可以分配足夠多的管腳給UART。使用標準XCore處理器函數庫，每個UART模塊需要1個硬件線程來實現，每個以太網MAC模塊需要4個硬件線程來實現。這樣，使用4個核的XCore處理器，可以實現具有16個串口的串口服務器。除實現UART和以太網MAC需要的20個硬件線程外，處理器內還剩下12個硬件線程的資源，這些硬件線程可以用來運行TCP/IP協議，還可以用來實現流量控制、報文路由、IP管理等諸多功能。由于XCore處理器具有實時多線程的特點，能夠保證處理IO數據的硬件線程實時運行，從而保證了數據轉發的實時性。同時，XCore處理器設計屬于軟件編程的范疇，使用C語言就可以方便地實現各種控制管理功能，這使得開發周期縮短，開發難度降低。

4 結 語

從上面的研究分析、實例介紹可以看出：相對于傳統的控制器件，XCore處理器具有優異的性能和充分的靈活性，很適合用在一些對處理器功能要求多、實時性要求高的場合。同時，XCore處理器采用C語言編程的特點可以使開發難度以及開發周期大大降低，再考慮到XCore處理器豐富的硬件資源，采用XCore處理器的硬件設計軟件化方案是一種能夠廣泛應用的低成本、高效率解決方案。