Лекция 9: Мультиядерные процессоры на базе MIPS-совместимых ядер

Когерентная процессорная система MIPS32 1004K

Наиболее близким конкурентом для мультиядерных ARM процессоров является когерентная процессорная система MIPS32 1004K, также содержащая до 4 процессорных ядер. Одним из существенных отличий системы MIPS32 1004K является поддержка ее процессорными ядрами двух потоков исполнения.

Когерентная процессорная система (CPS) MIPS32 1004K стала следующим шагом в развитии технологии процессоров от MIPS Technologies [52-53-54]. 1004K CPS является масштабируемой мультипроцессорной платформой, которая поддерживает до четырех ядер, подключен­ных с использованием когерентной архитектуры ( рис. 9.1). Каждое ядро системы аппаратно поддерживает несколько потоков. 1004K CPS оптимизирована для приложений типа "система-на-кристалле", обеспечивает высокую производительность благодаря снижению задержек доступа к памяти при помощи переключения потоков на время ожидания данных.

Когерентная мультипроцессорная система применяет многопоточность для увеличения производительности по сравнению с традиционными мультипроцессорными системами. Система поддерживает до четырех процессорных ядер с аппаратной поддержкой двух потоков в каждом ядре. Многопоточность дополняется многоядерностью — как следствие, есть возможность поддерживать SMP-операционные системы и модели программирования с минимальными аппаратными затратами. Основные области применения:

• "цифровой дом";
• телекоммуникационные приложения;
• автомобильные информационные системы;
• средства автоматизации офиса (многофункциональные офисные устройства).

Аппаратная поддержка когерентности снижает программные издержки.

Рис. 9.1. Структура процессора MIPS 1004K

Основные возможности когерентной мультипроцессорной системы MIPS32 1004K :

• от 1 до 4 1004K многопоточных ядер (в совокупности до 8 аппарат-но поддерживаемых потоков);
• блок управления согласованием (CM) — управление согласованием ядер и ввода-вывода;
• блок согласования ввода-вывода — аппаратный блок для согласования нагрузки ввода-вывода между программной реализацией и процессорными ядрами;
• глобальный контроллер прерываний (GIC) — системный и межъядерный контроллер прерываний;
• расширенный 256-битный интерфейс к контроллеру кэша второго уровня;
• блок отладки и трассировки EJTAG/PDtrace .

Базовое ядро системы [54] ( рис. 9.2) 1004K имеет 9-уровневый конвейер, благодаря которому производительность системы составляет более 1,5 DMIPS/МГц на ядро. Каждое ядро поддерживает операции с одним или двумя аппаратными потоками.

Рис. 9.2. Ядро 1004К

Для реализации аппаратной поддержки нескольких потоков используются виртуальные процессорные элементы (Virtual Processing Elements — VPEs). Существуют две версии ядер — с поддержкой операций с плавающей точкой (1004Kf) и без (1004Kc). Ядра поддерживают MIPS32 DSP ASE версии 1. Согласованные порты имеют дублированные теги кэша для фоновой проверки когерентности. Предусмотрена конфигурация таблиц данных и инструкций TLB, кэшей, буферного ОЗУ и некоторых других опций на этапе создания.

Система на кристалле XLP832

Процессор является масштабируемой системой на кристалле, которая включает ключевые функции коммуникационных систем, в том числе безопасность проводных и беспроводных систем, сетевые приложения, системы хранения данных, системы балансировки нагрузки и другие приложения. XLP Processor стал третьим поколением усовершенствований многопоточной, мультиядерной архитектуры семейства XLR Processor [55,56].

увеличить изображение
Рис. 9.3. Структурная схема процессора XLP832

Процессор XLP832 ( рис. 9.3) создан по 40-нм технологическому процессу. Ядра работают в диапазоне частот от 500 Гц до 2 ГГц, что в итоге дает более чем трехкратный прирост производительности в пересчете на Ватт по сравнению с процессорами серии XLR. Процессоры серии XLP832 обратно совместимы по программному обеспечению с процессорами серий XLR и XLS [56].

Каждое из восьми ядер, составляющих процессор, одинаково хорошо подходит как для задач обработки данных, так и для задач управления. Для поддержания высокой производительности при поточной обработке данных архитектура ядер EC4400 поддерживает несколько потоков на аппаратном уровне, ядра также поддерживают суперскалярный режим с внеочередным исполнением команд. Сочетание планирования четырех инструкций и поддержки четырех последовательных потоков создает "систему на кристалле" с высокой производительностью. Каждый из четырех потоков, поддерживаемых ядром, представляется программному обеспечению как отдельный процессорный элемент (VirtuCores ), что существенно упрощает разработку программного обеспечения и увеличивает общую производительность системы.

Ядро EC4400 представляет собой MIPS64 Release-II ISA-совместимый процессор, с поддержкой виртуальной памяти. Содержит IEEE754- и MIPS-совместимый блок арифметики в формате с плавающей точкой. Рабочие частоты — от 500 МГц до 2 ГГц. Процессор XLP имеет прирост производительности в расчете на Ватт более чем в три раза по сравнению с серией XLR.

Процессор имеет согласованный трехуровневый кэш архитектуры MOESI+. Ключевые особенности следующие.

Высокоскоростная сеть передачи сообщений (FMN) с малым временем отклика позволяет взаимодействовать виртуальным ядрам (VirtuCores), устройствам и вводу-выводу. Сеть FMN позволяет обмениваться блокам сообщений без блокировок и семафоров. Передавая контрольные сообщения (дескрипторы), FMN предусматривает последовательный доступ без блокировок к периферийным устройствам, причем простым и прозрачным образом, что увеличивает в результате производительность драйверов устройств.

Процессор имеет несколько автономных специализированных ускорителей, которые снимают часть нагрузки с вычислительных ядер, оставляя им вычислительные задачи.

Три встроенных интерфейса согласования (ICI) могут объединять до четырех процессоров XLP832. Пропускная способность каждого интерфейса 80 Гб/с (полный дуплекс). Интерфейсы программно полностью прозрачны. Аппаратно поддерживается согласованность данных, передача сообщений между потоками, разделение памяти и ресурсов ввода-вывода.

Многоскоростные последовательные интерфейсы SERDES поддерживают следующие комбинации;

• Interlaken;
• XAUI;
• SGMII

Сетевой ускоритель поддерживает обработку потока пакетов в 40 Гб/с. Возможности модуля включают в себя: программируемый анализ пакетов, вычисление и проверка контрольных сумм в форматах FCoE, iSCSI, SCTP; вычисление контрольных сумм входящих/исходящих пакетов TCP/UDP/IP; сегментацию TCP-трафика; поддержку протокола IEEE1588v2.

Устройство упорядочивания пакетов (POE) поддерживает упорядочивание пакетов размером вплоть до 64 Кбайт. Производительность POE составляет до 60 миллионов пакетов в секунду, то есть 40 Гб/с при 64-байтных пакетах.

Криптографический модуль с пропускной способностью 40 Гб/с:

• 10 криптографических ядер;
• поддержка алгоритмов DES/3DES, AES (128, 192, 256), ARC4/RC4; MD5, SHA-1, SHA-256/384/512 и SNOW3G (All HMAC), DES/3DES, AES (128, 192, 256), ARC4/RC4, RSA/DH. Показатели для протокола SSL/IPSec — до 30,000 RSA-обменов ключами в секунду (60,000 CRT), ECC (Elliptic Curve Cryptography).

Модуль сжатия/декомпрессии данных — 10 Гб/с.

8-канальный блок прямого доступа в память и блок хранения данных:

• поддержка RAID-5 XOR;
• вычисления RAID-6 P+Q Galois;
• поддержка поиска и ликвидации дублирующих данных.

Система имеет четыре контроллера PCIe 2.0, два USB-порта, режимы хоста и клиента, интерфейс PCMCIA, интерфейсы к NAND и NOR флэш-памяти, два KC-интерфейса, два асинхронных интерфейса 16550 UART, линии ввода-вывода. Также поддерживаются динамическое управление частотой каждого ядра, динамическое управление напряжением питания, статический выбор частоты для критических блоков (bridges, interconnects, DMA, etc.).

Краткие итоги

Описанные в лекции процессоры, кроме параллелизма, присущего мультиядерным системам, применяют параллелизм на уровне потоков, что позволяет более эффективно использовать пропусную способность подсистемы памяти и вычислительные ресурсы процессорного ядра, минимизируя простои, связанные с ожиданием окончания операций обмена с памятью.

Контрольные вопросы

1. Почему мультипроцессорная система MIPS32 1004K называется когерентной?
2. Опишите структуру ядра 1004K.
3. Опишите структуру процессора XLP832
4. Каковы основные характеристики ядра EC4400?

Упражнения

1. Сравните показатели мультиядерных процессоров с ядрами ARM и MISP.
2. Проследите тенденции развития архитектуры MIPS в разрезе производительности, энергопотребления, памяти.