面向能源高效的嵌入式應用的非對稱多核處理器架構設計與優(yōu)化

張旭

摘要：隨著嵌入式系統(tǒng)的普及，越來越多的應用場景需要實時和高效的數(shù)據(jù)處理。針對此類情況，多核處理器已經(jīng)被廣泛研究并推廣到許多領域。然而，在特定的嵌入式應用場景下，如何充分利用多核處理器內部的特殊性能，以便形成較好的計算效率和能耗調整能力的平衡，仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。研究提出了一種新穎的非對稱多核處理器架構設計和優(yōu)化方法，旨在為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供能夠適應各類應用場景需求的有效處理器支持。該方法從體系結構設計、硬件實現(xiàn)和多核處理器優(yōu)化等方面進行研究，構建了基于嵌入式系統(tǒng)應用場景的非對稱多核處理器的設計方法。

關鍵詞：多核處理器；架構設計；優(yōu)化方法

一、前言

嵌入式系統(tǒng)作為一種體積小、功耗低的特殊計算機系統(tǒng)，廣泛應用于智能家居、智能電子產(chǎn)品、無人駕駛汽車等領域。在實際應用中，嵌入式系統(tǒng)的性能和能耗要求越來越高，計算單元的速度和功耗成為系統(tǒng)設計過程中需要重點考慮和平衡的問題。隨著多核技術的發(fā)展，非對稱多核處理器逐漸成為一種重要的解決方案。該處理器可以同時滿足不同任務的需求，實現(xiàn)更高的計算效率和更低的功耗。通過研究面向能源高效的嵌入式應用的非對稱多核處理器架構設計和優(yōu)化方法，可以找到在嵌入式系統(tǒng)中，利用多核處理器的特殊性質實現(xiàn)高性能與低功耗的平衡方法，為實現(xiàn)更高效、更低能源消耗的嵌入式計算機系統(tǒng)提供有益的參考和指導。

二、處理器體系結構設計原則

（一）處理器分類和性能指標

處理器體系結構設計中，處理器通常分為通用處理器、專用處理器和協(xié)處理器三類。通用處理器以其靈活的功能和廣泛的適用性，成為大部分計算機系統(tǒng)的核心。專用處理器針對某些特定應用場景而設計，如顯卡芯片在圖形處理領域的應用。協(xié)處理器則是為了增強系統(tǒng)功能而添加在處理器外部的一種輔助處理器[1]。

在性能指標方面，主要考慮五個方面。

一是時鐘頻率，即處理器單位時間內執(zhí)行的操作數(shù)量，常用GHz表示。

二是指令集架構（ISA），一個好的ISA設計，能提升處理器運行效率，也可以使其更加易于編程。

三是流水線深度，它表示每條指令經(jīng)過多少個階段后才能執(zhí)行完畢。雖然較深的流水線可以提高吞吐量，但是也可能引入冒險等問題。

四是晶體管數(shù)量，處理器晶體管數(shù)量的多少，影響著單芯片上可集成的功能數(shù)量和處理性能。

五是緩存大小和層次結構，處理器緩存越大，層次結構更為復雜，可以有效提高CPU計算速度和響應速度。

通過綜合考慮這些性能指標，在將處理器應用于不同領域時可以選擇適合需求的處理器，并提高其處理效率。

（二）非對稱多核處理器體系結構

非對稱多核處理器包含一個或多個處理核心，并在這些核心之間分配不同的計算資源和功能。在非對稱多核處理器中，每個核心都承擔著特定的任務，如高顯存帶寬、多核心運算能力等。另外，不同的核心也可以采用不同的指令集架構和工作頻率。

與對稱多核處理器相比，在非對稱多核處理器中，不同的核心可能有不同的電源管理策略和功耗降低技術，可根據(jù)實際需求靈活地分配資源，并提高系統(tǒng)性能。例如，某些核心可能設計為低功耗狀態(tài)，以便節(jié)能和延長電池壽命，而其他核心可能更適合于執(zhí)行復雜的計算任務。

同時，如何有效地利用非對稱多核處理器也面臨一定的挑戰(zhàn)，這是因為不同的應用程序需要不同組合的計算資源和功能。如果在開發(fā)過程中沒有很好地權衡這些因素，則容易導致資源閑置、性能瓶頸等問題。因此，設計高效的調度算法，支持動態(tài)配置和適配是非對稱多核處理器的重要研究方向之一。

（三）嵌入式應用的處理器設計要求

嵌入式應用的處理器設計需要滿足低功耗、實時性、可靠性、穩(wěn)定性以及成本效益等多個方面的要求[2]。

一是低功耗，嵌入式系統(tǒng)通常需要長時間運行，而且電池壽命有限，因此處理器的設計需要具備低功耗特性。這可以通過采用較低工作頻率、優(yōu)化架構和核心電壓等方式來實現(xiàn)。

二是實時性，許多嵌入式應用對響應時間有極高要求，需要快速響應外部事件，并以一種可預測的方式處理任何輸入。因此，處理器需要支持快速的中斷響應和高效的實時數(shù)據(jù)處理。

三是可靠性，嵌入式設備通常運行在惡劣的環(huán)境中，并進行長時間的不間斷工作，因此處理器設計需考慮可靠性問題。例如，使用ECC存儲技術，以最小化數(shù)據(jù)損壞的風險；優(yōu)化溫度、電壓范圍和性能特性，確保在各種操作條件下仍然能夠正常工作。

四是穩(wěn)定性，嵌入式處理器必須是穩(wěn)定的，在使用過程中，不會出現(xiàn)無法預料的錯誤或意外停機的情況。在設計處理器時，需要考慮硬件和軟件之間的交互，確保體系結構本身足夠穩(wěn)定。

五是成本效益，嵌入式處理器的成本也是非常重要的，半導體技術和硬件設計都需要用到極高的成本。因此，在設計時需要平衡性能、功耗和成本之間的關系。采用的方法通常包括集成更多功能模塊、使用低成本處理器和優(yōu)化研發(fā)過程等。

三、處理器總體架構設計

（一）流水線設計和優(yōu)化

嵌入式應用的非對稱多核處理器的流水線設計和優(yōu)化涉及多個方面，在硬件和軟件層面都需要考慮不同的因素[3]。硬件方面，在設計嵌入式應用的非對稱多核處理器架構流水線時，需要根據(jù)具體應用需求選擇適合的硬件平臺，并根據(jù)工作量、并發(fā)任務數(shù)等因素進行配置。例如，在選定處理器時，可以選擇支持處理多種不同工作負載的單片集成（SoC）處理器或模塊化芯片組，來滿足不同條件下的處理要求。設計者首先需要確定處理器類型或芯片組以及數(shù)量，考慮硬件性能和功耗需求等因素。在選擇處理器時，應該考慮其性能、標稱頻率、緩存容量和其他特性。處理器之間的通信接口的設計取決于所采用的SoC或模塊化芯片組，通常會有多種通信方式可供選擇。例如，在采用ARM多核處理器的情況下，可以使用共享內存、分布式緩存協(xié)議等技術來實現(xiàn)處理器之間的通信。完成后將系統(tǒng)任務和功能劃分為不同的區(qū)域，以利用每個核的計算資源來提高并發(fā)性。由于不同的應用需要不同的處理能力，可以將主要功能劃分到相對強大的處理器上，將輔助處理分配給其他處理器群，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能。

軟件方面，嵌入式應用的非對稱多核處理器架構流水線設計和優(yōu)化需要依賴一系列的軟件技術和算法，其中最關鍵的是操作系統(tǒng)和編譯器。通常情況下，需要選擇適合非對稱多核處理器的實時操作系統(tǒng)，如FreeRTOS、RT-Thread和Zephyr等，以確保程序能夠穩(wěn)定運行，在使用FreeRTOS、RT-Thread和Zephyr設計非對稱多核實時操作系統(tǒng)前，首先需要確定使用的處理器類型和數(shù)量。不同的處理器類型和數(shù)量，會影響系統(tǒng)的架構和設計。在多核實時操作系統(tǒng)中，通常會有一個主線程來協(xié)調整個系統(tǒng)的運行。主線程負責初始化處理器、分配資源、創(chuàng)建子線程，并監(jiān)視其運行狀況。創(chuàng)建子線程時，需要平衡各個處理器之間的工作負載，方便系統(tǒng)達到最佳性能。選擇合適的任務調度算法，如優(yōu)先級調度、時間片輪轉調度或者其他算法來管理多核的運行狀態(tài)。不同的任務調度算法具有不同的優(yōu)缺點，在實際應用中需根據(jù)實際情況適當選擇。為了協(xié)調不同處理器之間的運行狀態(tài)，需要使用同步和通信機制，如互斥鎖、信號量、條件變量或消息隊列等。這可以確保數(shù)據(jù)的同步性和一致性，避免出現(xiàn)競態(tài)條件和死鎖。

為了提高流水線的效率和可靠性，還需要合理分配模塊，并將不同模塊之間的關系進行適當優(yōu)化。可以通過建立任務圖或Use-Case圖等方式來規(guī)劃整個系統(tǒng)的結構。例如，在控制器應用中，可以將運動控制算法和壓力控制算法放在不同的核心上同時運行，從而充分利用系統(tǒng)多核的計算能力。同時，還需注意處理器運作的邏輯，包括指令調度、數(shù)據(jù)訪問、同步與異步操作等。例如，在流水線設計過程中，可以采用數(shù)據(jù)局部性原則和數(shù)據(jù)預處理技術，提高存儲器使用效率，減少訪問延時。同時，還可以針對不同的并發(fā)任務，在軟件設計層面上采用相應的并行計算方式來加速計算過程。

（二）性能和能耗分析

嵌入式應用的非對稱多核處理器，每個核心都有著不同的特性和工作負載，因此需要進行性能和能耗上的設計，以實現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)效率[4]。在性能設計方面，為了充分利用各個核心的優(yōu)勢，需要合理分配任務，并根據(jù)任務負載動態(tài)分配核心。例如，在設計圖像處理器時，要考慮一個嵌入式圖像處理器，包括一個高效率計算核心和一個低功耗I/O核心，將輸入與輸出操作委托給I/O核心，將計算密集型任務交給計算核心。使用具有不同優(yōu)勢的核心協(xié)同工作可提高系統(tǒng)效率，例如，在處理較大圖像時，需要快速傳輸大量數(shù)據(jù)，并將其保存到緩存中，這便是I/O核心所擅長的領域；高質量圖像的生成則需要更高的計算性能，因此，可以將計算密集型任務放在計算核心中進行。又如，設計無線電通信網(wǎng)絡處理器，由兩個核心組成：一個執(zhí)行網(wǎng)絡協(xié)議棧處理的高性能計算核心和一個處理指定低功耗部分的I/O核心。在運行過程中，這個網(wǎng)絡處理器始終保持與無線信號的連接，當通過移動電話或電視機等外部設備對網(wǎng)絡進行訪問時，網(wǎng)絡處理器要從休眠狀態(tài)喚醒，并迅速提供網(wǎng)絡服務。為了最大化系統(tǒng)效率并降低功耗，可以將I/O操作或者網(wǎng)絡淺層處理交給低功耗的I/O核心，以便快速喚醒。而計算密集型和高優(yōu)先級任務會被分配到高性能計算核心中進行處理。由此可見，針對不同的應用場景和工作負載，需要靈活選擇合適的核心、調度策略等參數(shù)，并考慮任務調度、電壓與頻率調節(jié)、資源共享、實時任務數(shù)量、外部組件功耗、散熱設計，以及可重構技術等因素的影響，以實現(xiàn)最優(yōu)的非對稱多核處理器運作效果。

在能耗設計方面，實時任務通常需要優(yōu)先處理，并且可能需要較高的處理器頻率和電壓。為了優(yōu)化系統(tǒng)處理性能并最小化功耗，可以控制實時任務的數(shù)量，確保系統(tǒng)不會因實時任務過多，而導致處理器頻率和電壓的不必要升高。在非對稱多核處理器中，除了CPU，外設組件也會消耗大量的電能。因此，在設計階段需要選擇低功耗、高效率的外設組件，并采取降低功耗的措施（如使用節(jié)能模式）。高功率的芯片在長時間工作中容易產(chǎn)生過熱問題，這種熱量也會增加系統(tǒng)的真實能耗。因此，在能耗設計時，需要注意對整個系統(tǒng)進行有效的散熱設計，以確保良好的熱管理，幫助降低系統(tǒng)功耗。可重構系統(tǒng)架構具備動態(tài)重新配置的能力，以便在運行時靈活地重新分配計算資源，滿足不同任務負載的需求。這種架構不僅使設計人員實現(xiàn)更高效的處理器時間應用，還有助于降低系統(tǒng)成本和功耗。

四、多核處理器優(yōu)化方法

（一）負載平衡算法

針對嵌入式應用的非對稱多核處理器架構，進行負載平衡優(yōu)化，首先需要構建負載量模型，假設系統(tǒng)中有N個任務需要運行，其中第i個任務所耗費的時間為Ti。系統(tǒng)處理能力由M個核心提供，分別為C₁，C₂，...，C_M。系統(tǒng)最大吞吐量T_max為

T_max＝min{∑T_i/（K×M）+∑T_i/K}

式中，min為取最小值；k為枚舉系數(shù)，k≥1且k

計算出負載量后，再進行計算，常見的負載均衡算法為輪詢、加權輪詢、最少連接數(shù)等。以加權輪詢算法為例，其具體實現(xiàn)如下：①定義W_i為第i個核心的權重，表示該核心的處理能力；②定義C_i為第i個核心已處理的任務數(shù)量；③定義S為所有核心的權重之和，則W_i / S表示第i個核心的分配比重，通過輪詢算法依次將任務分配到各個核心，若某核心的任務處理數(shù)量達到W_i/ S×N，則停止將任務分配給該核心。考慮到嵌入式應用的非對稱多核處理器需要適應不同的應用場景，并滿足隨時變化的負載需求，因此，還要基于閾值進行動態(tài)負載均衡設計，其具體實現(xiàn)如下：①定義T_cpu為CPU的最大利用率，T_high和T_low分別為高負載和低負載的閾值；②若當前系統(tǒng)CPU利用率小于T_low，則將更多任務分配到核心性能較強的處理器上，以提高整體的負載水平；③若當前系統(tǒng)CPU利用率在T_low～T_high，則保持不變，維持原有的負載均衡狀態(tài)。

若當前系統(tǒng)CPU利用率超過T_high，則降低部分任務的優(yōu)先級，以避免系統(tǒng)過度負載，同時釋放部分CPU資源給其他任務使用。

（二）動態(tài)功耗管理技術

在采用動態(tài)功耗管理技術優(yōu)化時，需要了解CPU、內存、外設等硬件部件能源消耗特征，建立相應的能源模型。設計者要定義不同任務的功耗模型和相關的能源資源，設計針對嵌入式系統(tǒng)各種可能的負載情況的動態(tài)功耗管理算法。動態(tài)功耗管理算法應該考慮到運行的實際應用程序、當前的負載、電池壽命、溫度和其他因素，并針對這些變量做出積極反應[5]。為了確保非對稱多核處理器架構的可靠運行，必須監(jiān)測系統(tǒng)溫度，非對稱多核處理器架構中的溫度監(jiān)測需要結合硬件和軟件兩個方面進行設計。硬件方面，需要安裝溫度傳感器，不斷檢測芯片的溫度變化，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)監(jiān)測單元或處理器上。此外，還可以采用風扇或其他散熱設備調節(jié)系統(tǒng)的溫度，從而保持其在可控范圍內。軟件方面，可以通過在操作系統(tǒng)中運行相應的工具或驅動程序，實現(xiàn)溫度監(jiān)測。這些工具可以定期檢測溫度，并在達到指定閾值時向用戶發(fā)出警告或執(zhí)行相應的控制操作。此外，還可以采用一些動態(tài)功耗管理算法，根據(jù)當前系統(tǒng)負載情況，動態(tài)地分配任務到處理器，以實現(xiàn)最優(yōu)的性能和能源消耗模式。當檢測到高溫時，可迅速控制高功率處理器的頻率和電壓，或將任務從性能高的處理器傳遞到性能低但能耗更低的處理器中，以避免其過熱和損壞，并根據(jù)當前的負載，將某些任務從強處理器轉移到低功率處理器上，采用相應動態(tài)功耗管理算法優(yōu)化處理器的使用。當這些任務完成時，可以將其放回到更高性能的處理器上重新執(zhí)行。通過以上方案優(yōu)化嵌入式應用的非對稱多核處理器架構的動態(tài)功耗管理技術，可實現(xiàn)更加高效、可靠和節(jié)能的系統(tǒng)運行。

（三）系統(tǒng)調度算法

針對不同的任務負載和性能需求，需要設計并選用合適的任務調度算法，根據(jù)各個處理器的狀態(tài)信息動態(tài)進行調度，以平衡整個系統(tǒng)的負載，并確保各個處理器的利用率、響應時間和能耗都達到最優(yōu)狀態(tài)。常見的任務調度算法包括EDF（Earliest Deadline First）和RMS（Rate Monotonic Scheduling）等，對于EDF，它主要以任務的期限為依據(jù)來進行調度。每個任務都有一個截止時間點，臨近該時間點就需要優(yōu)先處理該任務。調度程序遍歷所有已經(jīng)就緒的任務，并選取截止時間最早的任務，然后將其分配到可用的處理器上執(zhí)行。RMS則是基于任務的周期和處理時間進行調度，中心思想是短周期的任務會更頻繁地搶占CPU資源，因為這樣可以降低響應時間和提高處理效率。其中，規(guī)定了高優(yōu)先級任務比低優(yōu)先級任務具有更短的周期和執(zhí)行時間。在實際應用中，各個處理器的能耗和性能之間存在一定的相關性。因此，在任務調度時，不僅要考慮處理任務的主要性質和特點，還需要定期檢查各個處理器的能耗情況，及時采取節(jié)能措施，如降低處理器頻率或關閉一部分內核等，并及時對出現(xiàn)的問題進行反饋和處理，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效運行。通過以上方案優(yōu)化嵌入式應用的非對稱多核處理器架構的系統(tǒng)調度算法，可實現(xiàn)更好的任務調度和能源管理，提高整個系統(tǒng)的處理性能和資源利用率。

五、結語

在非對稱多核處理器中，每個內核的性能、功耗和功能都有所不同，因此，可以根據(jù)實際需求，將任務分配到不同的內核上進行處理，實現(xiàn)更好的資源分配和性能優(yōu)化，在實現(xiàn)過程中要綜合考慮系統(tǒng)的實時性、功耗、可靠性和成本等問題。通過合理的流水線、性能和功耗設計，搭配良好的負載平衡、動態(tài)功耗管理以及系統(tǒng)調度，最終才能實現(xiàn)系統(tǒng)的良好運轉。

參考文獻

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[5]何翔.嵌入式多核操作系統(tǒng)負載均衡模型研究[J].電腦知識與技術，2018，14（5）：67-68.

作者單位：NVIDIA技術服務（北京）有限公司