基于AMP 架構(gòu)的高性能數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

韓嫚莉

（中國航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710065）

嵌入式處理平臺高度綜合化的發(fā)展趨勢使得平臺對數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算和處理性能的需求越來越高，高性能數(shù)據(jù)處理模塊在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生。高性能數(shù)據(jù)處理模塊采用高性能PowerPC 處理器，基于高速串行總線RapidIO 搭建非對稱式多處理器（AMP）架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高性能的數(shù)據(jù)處理和任務(wù)處理需求，滿足了綜合化嵌入式平臺的應(yīng)用需求，大大提升了平臺的綜合化任務(wù)處理能力。

1 高性能數(shù)據(jù)處理技術(shù)需求分析

高性能數(shù)據(jù)處理模塊的技術(shù)需求主要是對處理器、多重并行處理、高速總線和分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)這四個(gè)方面進(jìn)行需求分析，內(nèi)容如下：

（1）處理器需求：處理器是高性能數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)的核心，PowerPC 以出色的處理性能、高集成度和技術(shù)的先進(jìn)性，廣泛的應(yīng)用在高端嵌入式領(lǐng)域。

（2）多重并行處理需求：綜合化處理平臺提出了更多、更高的數(shù)據(jù)處理和任務(wù)處理需求，多處理器（MP）并行處理機(jī)制是提高模塊整體處理性能的最優(yōu)方法。

（3）高速總線需求：高性能數(shù)據(jù)處理性能必須同時(shí)設(shè)計(jì)具備與之匹配的高速總線支持與外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，光纖通道（FC）為代表的新型高速串行總線以高帶寬、擴(kuò)展性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，成為綜合化嵌入式處理平臺的系統(tǒng)互連總線。

（4）分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需求：綜合化處理平臺多任務(wù)的并行處理需求很大，需要分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)架構(gòu)把多個(gè)任務(wù)封裝到不同的分區(qū)上，提高了任務(wù)處理的可靠性和安全性。

2 系統(tǒng)方案

2.1 高性能數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

高性能數(shù)據(jù)處理模塊選用高性能PowerPC 處理器MPC8640，該處理器屬于PowerPC 的G4 代處理器，支持AltiVec 結(jié)構(gòu)[1]，是一款高性能、超標(biāo)量的處理器。一片MPC8640 中提供1 個(gè)e600內(nèi)核，主頻最高可達(dá)1.25GHz，e600內(nèi)核提供1MB 的高帶寬、低延遲的L2cache，這樣在運(yùn)行獨(dú)立的操作系統(tǒng)時(shí)，能都保證很高的處理效率[2]。MPC8640有兩路64位的DDR2控制器接口，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，有效利用了存儲器帶寬。MPC8640處理器使用e600核和高速內(nèi)部互連技術(shù)來平衡處理器的性能與IO 系統(tǒng)的吞吐率。

MPC8640 豐富的硬件整合資源和高集成度方便了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)降低了硬件的復(fù)雜度。高性能數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，處理器周圍設(shè)計(jì)了電壓轉(zhuǎn)換電路、復(fù)位電路、測溫電路、看門狗電路以及局部資源（DDR2、FLASH、NVRAM），滿度高性能數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的基本條件。

2.2 非對稱多處理架構(gòu)設(shè)計(jì)

高性能數(shù)據(jù)處理模塊采用功能模塊劃分的思想，各個(gè)功能模塊互相獨(dú)立[3]，采用非對稱多處理架構(gòu)（AMP）架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。RapidIO 協(xié)議開銷低、傳輸效率高，更適用于嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)交互[4]。因此，整個(gè)系統(tǒng)由四個(gè)高性能數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)組成，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間采用RapidIO 總線互連，互連架構(gòu)采用交換網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。交換網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是幾種互連架構(gòu)中性能最優(yōu)、可靠性最高的互連方案，可以為系統(tǒng)提供可重構(gòu)的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)。

圖1 高性能數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)最小系統(tǒng)

圖2 高性能數(shù)據(jù)處理模塊非對稱多處理架構(gòu)框圖

2.3 FC 總線接口設(shè)計(jì)

高性能數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)了4路FC 總線接口，支持以交換機(jī)為核心的交換拓?fù)?、用于模塊與外部系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)通信。FC總線接口電路設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)子卡的形式，支持網(wǎng)絡(luò)管理器、備份網(wǎng)絡(luò)管理器以及網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程終端三種功能角色的分配，選用FPGA 實(shí)現(xiàn)對外FC 接口，并通過PCIE 接口與CPU 之間進(jìn)行耦合。

3 分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高性能數(shù)據(jù)處理模塊采用國產(chǎn)天脈2操作系統(tǒng)，支持多應(yīng)用任務(wù)子系統(tǒng)的具有分區(qū)功能。分區(qū)的概念是分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的“靈魂”，是保證安全關(guān)鍵軟件可靠性和確定性執(zhí)行的核心技術(shù)[5]。分區(qū)管理要求系統(tǒng)中同時(shí)可以運(yùn)行多個(gè)不同類型的應(yīng)用，同時(shí)各個(gè)任務(wù)在時(shí)間上和空間上互不影響，互相隔離。

4 結(jié)束語

高性能數(shù)據(jù)處理模塊不單單是處理器速度快、性能優(yōu)異就可以解決的，模塊的架構(gòu)設(shè)計(jì)、總線設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)都會影響模塊的數(shù)據(jù)傳輸、資源共享及同步。本文提出一種基于AMP 架構(gòu)高性能數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合高速串行總線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互和傳輸，具備超高性能的數(shù)據(jù)計(jì)算能力和任務(wù)處理能力，大大滿足綜合化嵌入式處理平臺的使用需求。