嵌入式系统设计专栏 嵌入式装置平行处理技术深探.doc

嵌入式系統設計專欄嵌入式裝置平行處理技術深探 （作者John Goodacre／零組件雜誌2004年10月號） 2004/11/22 ? 　在嵌入式裝置中建置平行處理機制能帶來諸多效益，尤其是改進系統效能。儘管仍面臨基礎挑戰，但發揮更高平行效能所具有的潛在利益也使業者對於開發多處理器抱持著極大興趣。本文除介紹多重處理的關鍵詞彙，並將深入介紹具彈性且通用的平行技術應用模式所具備的低耗電率與可擴充性等多項優勢。　嵌入式裝置有許多層面都能夠建置平行處理機制，進而帶來多方面的效益，尤其是在改進系統效能方面。目前某些技術已可成功應用於桌上型與嵌入式平台的架構中，但有些解決方案卻侷限於研發業者僅能開發固定功能的解決方案。本文將介紹多重處理的關鍵詞彙，並推薦一套更具彈性且通用的平行技術應用模式，同時更適合支援各種嵌入式應用，以達到更高的處理效率，也就是低耗電率與可擴充的效能。平行處理技術的架構及解決方案　長久以來，設計業界對於平行運算技術一直懷抱著願景與迷思。直到最近，平行運算仍侷限於學術研究與專業超級電腦等領域，期望這類技術能提供效能等級的躍升或為運算能力帶來重大的突破。儘管目標相當明確，但由於平行電腦的程式編程工作相當複雜，通常須運用專利型程式語言，這意味著必須花費許多成本在大量矽元件空間及電力需求上。　含有多處理功能的平行處理機制已逐漸擴展至桌上型運算平台，並成為目前桌上型平台晶片架構所期望的技術。然而對大多數消費者而言，平行處理技術僅僅代表著能夠使目前的單一處理器架構在處理現有桌上型應用時提升10％至20％的效能，而非所謂突破性的躍升。這種遞增式效益使大眾對嵌入式平台的平行處理或多重處理能抱持較為客觀的認知。就某種角度而言，平行處理已成為協助業者在耗電量及效能間取得最佳平衡的另一個架構特色。持續成長的產品需求　嵌入式產品對於多處理器解決方案的需求不斷上升。裝置中愈來愈多應用需求必須管理持續變化的工作負載，且不能因此而提高耗電量或成本。然而，可攜式產品的尖峰效能需求不能僅提高系統時脈，因為更高的時脈速度意謂著運作電壓隨之提高，這表示耗電量也會隨之大幅上揚。　3G手機的例子正可以說明平行處理機制如何建置在許多層面。在無線應用方面，其處理負荷能夠彈性地從趨近於零的待機模式增加到撥接影像電話並同時以背景模式執行其它應用時的最高負荷量。平行處理機制的多重層級在探討如何將平行處理機制導入嵌入式系統並滿足持續成長的產品需求之前，必須先瞭解平行處理機制如何為實際系統帶來利益。　系統如欲建置平行處理機制所面臨的複雜因素，需為此種機制散佈於從擁有多組應用程式同時執行的最高應用層，到不同資料同時在處理單元中傳遞的最低位元層等多種抽象層。　以3G手機為例，在最高抽象層中，裝置必須執行多組使用者應用及整套網路軟體架構。以現今的技術而言，同時執行多組應用的發展潛力相當可觀。而在下一個層級中就可運用多重同步演算法，例如在3G手機上撥接影像電話時，必須執行影音編碼或解碼演算，光是這項功能就需要同時執行四組演算。若將每個演算法加以隔離，就可以讓特定資料集的處理作業達到平行處理模式，例如影片編碼流程中的8×8 DCT離散餘弦轉換。在這個流程中，可以同步模式運算多組8×8資料。　在處理每組8×8資料集時，可同步執行演算或邏輯處理，例如當同時發出兩組add指令於8×8 DCT計算的頂層與底部執行加法運算。這方面需要在指令層級達到同步化的效果。為方便討論，因此設定最低層級的抽象層，也就是位元層級的運算支援平行模式。例如，構成ALU邏輯處理流程以便能同時進行位元移位運算，以達到一個週期完成加法運算的目標。透過軟／硬體執行平行處理　在界定了平行處理機制的五個層級後，接下來將進一步介紹如何運用目前的各種技術達到平行處理的效果。多核心裝置　滿足多重應用的處理需求最直接的方式就是運用多處理器。當非對稱多處理器（AMP）同時運用二顆以上的處理器運作時，其中一顆指定為主處理器，負責執行作業系統及整體控制作業。這類系統包括異質性與同質性環境，異質化系統結合不同種類的處理器，例如控制處理器以及訊號處理器；而同質型系統則包含多顆相同類型的處理器。非對稱異質化組態系統，可於網路裝置中執行像是同步封包處理等作業。多重執行緒應用　為了滿足同時執行音效與影像解碼作業等同時執行多組演算的應用需求，最常使用的方法是以多組執行緒進行處理，也就是兩組解碼演算作業間以時間切割的方式處理。時間切割技術已應用於現今的單一處理器環境，能夠使在同一顆處理器上執行的兩組執行緒間迅速地切換，而形成同時處理的錯覺。這對於考慮運用多處理器系統以提高其應用效能的業者而言是一項好消息。現今許多使用多重執行緒的程式可以立即移植到多核心的環境上