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最近，多核心系統單晶片(SoC)元件的出現重新劃分了硅元件、電路板和子系統之間的界線。這種趨勢導致晶片-晶片和電路板-電路板的互連要求發生了重大變化。那么，現有標淮已淮備好應對這一變革了嗎？

1970年代，由于微處理器的問世，利用分離式處理器、記憶體控制器和I/O介面元件，在單一電路板上就可以建構簡單的運算系統。由板級匯流排來連接這些元件，而當需要更高性能時，便將多塊電路板組裝在一起，利用系統級匯流排透過背板提供卡間通訊。

 

這些電路板和系統互連協議都是專用的。但隨后，專用協議逐漸讓位于標淮化協議，如以太網絡、PCI Express或RapidIO協議。

 

與此同時，積體電路技術遵循摩爾定律，其包含電晶體的數目和速度不斷增加。這些趨勢大幅推動了處理器性能的提升。

 

迄今已有數代硅元件充分利用了這一良性周期。不幸的是，單核心處理器的性能提高速度已開始趨于下滑。造成這種下滑的最重要因素一直是功耗。電晶體越小，開關速度越快。電晶體尺寸的縮小使泄漏增加，導致靜態功耗的增大。同時，隨著電晶體開關速度的加速，動態功耗也在增加。

 

這種不斷上升的功耗凸顯了目前硅制程技術存在的幾個現實問題。首先，單處理器的性能受功率和系統功耗限制。其次，電晶體預算持續增加，而可獲得的時脈速率卻不然。

 

隨著電晶體預算的持續增加，業界已迅速轉向具有多個處理器核心的元件。這些元件還整合記憶體控制器、應用加速器和I/O介面的元件，形成多核心SoC。多核心元件可望大幅提高系統性能。

 

SoC元件的問市模糊了單一元件及完整系統架構之間的界線。曾經在一個完整的運算系統中，需要用到一塊電路板，而現在只需要單顆元件，就能將多個系統囊括在內。

 

向SoC元件的轉換改變了SoC和其他元件及網路之間的互連要求。電路板和系統級互連最初基于匯流排共用，而且和以往的處理器一樣，采用一種類似的方式來滿足對更高互連性能的要求：增加時脈速率，加寬匯流排頻寬。然而，蹈處理器之覆轍，最后同樣因實體效應的影響，匯流排上的元件數目不得不減少，因而催生出了匯流排分割、分層化拓撲和最終的點對點開關網路。

 

嵌入式系統通常劃分為三種子系統：控制面、資料面和系統管理。當系統只包含一個運算系統時，系統級的通訊串流數目很有限。這是幸運的，因為按照定義，基于匯流排的互連只能容納一個通訊串流。

 

圖1：當系統只包含一個運算系統時，系統級的通訊串流數目很有限。在多核心SoC中，由于每個核心分別處理各自的通訊串流，有可能實現每晶片多個通訊串流。

 

QoS考量

過去，為了提高系統性能，每一個功能采用一個專用處理器。隨著多個并行通訊通訊串流的出現，這種做法導致服務品質(QoS)問題急劇增加。為了最佳化頻寬并防止各個通訊串流之間產生干擾，在許多情況下都使用了三種單獨的互連。在這些系統中，每一個處理器執行一個功能，并分別負責單一或最多很少幾個通訊串流。

 

然而，多核心SoC的問世使這種局面大為改觀。由于每個核心均可分別處理各自的通訊串流，故有可能在每顆晶片上實現多個通訊串流。

 

平行地執行現有程式碼，在單顆多核心SoC上實現控制、資料和管理面功能融合的這一近期目標，預計將作為多核心架構的權宜之計。這種方法可在一個四核心元件上產生至少三個以上的通訊串流。長遠來看，軟件將支援多核心，并回復到運用眾多核心執行離散資料或控制面板功能。在任一種情況下，不論何處采用多核心SoC都將出現多個通訊串流。隨著使用8、16甚至更多核心的下一代SoC問世，未來2-4年間，單顆元件所能支援的通訊串流數目將大幅增加。

 

目前的互連支援多個通訊串流嗎？答案是肯定的。透過在單一互連傳輸之前進行多工，可支援任何數目的通訊串流。但仍存在兩大挑戰：在目的節點如何對通訊串流進行多工分離，如何賦予每一個通訊串流獨特的服務參數，如保證頻寬和平均或最壞延遲？

 

要解決這些問題，協議需要具備好幾個功能。首先，這個協議必須能夠對各個通訊串流進行差異化。換言之，應該能夠檢查纜線上的資料封包，并決定其屬于哪一個通訊串流？其次，當資料封包透過互連傳輸時，必須能夠執行服務參數。這一點可透過控制仲裁和流量控制來實現。例如，穩健的SoC需要多個通訊流量控制機制，以限制互連上的一系列擁塞事件。這些機制可能包括鏈路到鏈路、端到端和進/出流量管理。

 

嵌入式系統中應用最廣泛的互連也許是以太網絡。以太網絡的可擴展性已在多年服務中得到了充分的證實。基本的Layer 2以太網絡訊框只支援資料報類型(datagram-style)的處理，而且沒有已定義的流量差異化頭欄位。但之后，從Layer 2的VLAN標簽到更廣泛的Layer 3 IP報頭中的‘5 Tuples(五元組)’，各種流量差異化方法被放在最高層。其中，‘五元組’方案可支援數百萬個通訊串流。

 

不幸的是，對以太網絡而言，QoS已證實是一個更大的挑戰。這是因為只有一個有限的鏈路級PAUSE-訊框協議可被采用，而缺乏廣獲采納的流量控制機制所致。在鏈路級之外，有少數可解決此一問題的解決方案正在獲得更多支持，其中包括在Layer 2采用VLAN優先順序標簽(802.1Q)，或在Layer 2和Layer 3之間采用MPLS報頭。流量管理也是常用方法。通常，在封閉式嵌入式系統中僅能發現一部份的這類方案；針對以太網絡，目前尚未有特定的完整與一貫性的方法。

 

另一個問題的出現，是由于大部份在以太網絡上分層的方案往往采用軟件來實現。由于硬體支援較少，可獲得的QoS參數受通訊串流通過軟件堆迭時產生的延遲和延遲抖動所限制。

 

1999年定義的RapidIO互連規格代表了一種更先進的系統互連方案。在該規格的開發過程中，QoS曾是一個重要考慮事項，包含了好幾種流量控制機制，如重試(retry)和基于信用(credit-based)的鏈路級流量控制、端到端XON/XOFF和流量控制協議。

 

在嵌入式系統中廣獲采用的另一種互連技術是PCI Express (PCIe)。PCIe最初瞄淮PC和服務器市場，支援配置、事件消息發送和讀寫處理。這種技術在系統級的QoS支援很有限。在per-VC basis上有穩健的基于信用的鏈路級流量控制，足以實現點對點通訊。

 

在實際應用中，以太網絡可以實現穩健的流量差異化，但缺乏穩健的QoS特性。大多數PCIe實現方案都沒有流量差異化能力。PCIe的流量控制有限，似乎是針對未來多核心元件淮備最不足的元件。三者中RapidIO潛力最大，因為它支援三個具有優先順序之通訊串流上的數百萬個差異化流量，并支援穩健的QoS特性。

 

幸運的是，許多新興的多核心SoC都支援多個外部互連協議。如飛思卡爾的8核心QorIQ P4080就可針對此處提到的所有協議進行配置。