ay: block;">從只提供簡單的連接到具有媒體播放的功能,網(wǎng)絡(luò)正迅速地地演進(jìn)。從面向數(shù)據(jù)流傳送發(fā)展到了支持多媒體業(yè)務(wù),這是一個(gè)很大的變化。這個(gè)變化的最終結(jié)果是能滿足諸如
HDTV、VoIP、游戲、高保真音頻和很多其它對(duì)質(zhì)量要求十分苛刻的流媒體的應(yīng)用。這種環(huán)境的一個(gè)例子就是我們翹首以待多時(shí)的數(shù)字家庭,其中包括家用無線網(wǎng)關(guān),游戲控制臺(tái),VoIP電話,數(shù)字媒體播放器,電視和網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備(NAS),要求同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳送,存儲(chǔ),分發(fā)和播放媒體數(shù)據(jù)等功能。
這個(gè)豐富多彩、激動(dòng)人心的嶄新應(yīng)用給人們帶來了新的挑戰(zhàn)。尤其是對(duì)處理器設(shè)計(jì)師們而言,他們正面臨著以往從未遇到過的難題。一直以來,處理器的設(shè)計(jì)者們慣于用“重拳出擊”的辦式來解決所有問題——即設(shè)計(jì)處理速度越來越快的處理器,各種問題便隨之迎刃而解了。然而對(duì)于這個(gè)新的應(yīng)用環(huán)境,速度已不再是唯一的因素了,而是需要更高的性能,因?yàn)槎嗝襟w應(yīng)用對(duì)各方面的性能的要求都將是非常苛刻的。
已有的體系架構(gòu)和解決方案并不能經(jīng)濟(jì)有效地解決多媒體應(yīng)用中一些其它的需求。這些需求包括持久的高吞吐率,確定性的處理能力,并發(fā)應(yīng)用管理能力,更高的安全性,最優(yōu)性價(jià)比和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。隨著在網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用的這些改變,促生了專門滿足上述媒體播放所引起的挑戰(zhàn)的新一代處理器,這就是眾所周知的通訊和媒體處理器(CMP),這類處理器完全能夠滿足網(wǎng)絡(luò)上提供多媒體內(nèi)容的各種苛刻要求。
基于精簡指令集(RISC)設(shè)計(jì)的處理器的缺陷
傳統(tǒng)的處理器(基于RISC)體系架構(gòu)最初是為了滿足標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)的。在這類應(yīng)用中,網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量的增加是突發(fā)性的——即只是階段性需要一個(gè)高吞吐率,隨即相對(duì)平靜。而對(duì)于多媒體(如音、視頻流)的應(yīng)用,需要一個(gè)在極低的抖動(dòng)情況下的穩(wěn)定高帶寬數(shù)據(jù)包處理。傳統(tǒng)的基于RISC架構(gòu)的處理器是采用很繁雜的關(guān)聯(lián)交換體系,基于中斷的處理方法,然而這個(gè)體系架構(gòu)在面對(duì)需要持久的高帶寬,低抖動(dòng)及具有QoS要求的應(yīng)用時(shí)就顯得束手無策了。傳統(tǒng)的處理器在別的一些方面也存在根深蒂固的缺陷,比如體系架構(gòu)的低效率,較長的存儲(chǔ)器潛伏時(shí)間及使用通用目的的操作系統(tǒng)。
圖1:傳統(tǒng)的處理器具有繁雜的關(guān)聯(lián)交換中斷驅(qū)動(dòng)進(jìn)程
體系架構(gòu)的效率是指完成一個(gè)特定任務(wù)或者標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)所需的指令數(shù)。對(duì)于指令數(shù)量相對(duì)較少的指令集,在時(shí)鐘周期相同的情況下,能很快完成任務(wù)。基于RISC設(shè)計(jì)的處理器具有載入(load)/存儲(chǔ)(store)指令集,因此數(shù)據(jù)在使用前必須存放在寄存器中,將數(shù)據(jù)從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置需要兩條指令:一條載入,一條存儲(chǔ)。對(duì)于服務(wù)器來說這類處理器是很好的選擇,因?yàn)樽畛蹙褪菍ｉT為它們的使用而設(shè)計(jì)的。但是如果用于通信和多媒體所需的數(shù)據(jù)處理就不是最佳的選擇了。一個(gè)數(shù)據(jù)包在存儲(chǔ)器中是按一系列的字節(jié)存放的。當(dāng)處理一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí),CPU先對(duì)其進(jìn)行掃描,在做少量的調(diào)整后,可能對(duì)其復(fù)制。對(duì)于數(shù)據(jù)包處理來說,存儲(chǔ)器存儲(chǔ)指令集的體系架構(gòu)具有最好的效率,但是用傳統(tǒng)的處理器無法實(shí)現(xiàn)。
所有管線型CPU都具有管道延遲時(shí)間,因?yàn)楹竺嬷噶钏臄?shù)據(jù)不能從前面一個(gè)的指令中得到,當(dāng)出現(xiàn)這種情況,管道必須等待,從而降低了性能。選用的或者被錯(cuò)估的分支具有最大的潛伏時(shí)間,該潛伏時(shí)間也是頻率的函數(shù)。高頻所需的深管道會(huì)增加該潛伏時(shí)間。當(dāng)使用LOAD指令調(diào)用數(shù)據(jù)時(shí),如果在使用前不能得到,精簡指令集(RISC)的CPU就會(huì)發(fā)生等待。
存儲(chǔ)器等待時(shí)間指的是處理器等待指令或者從片外存儲(chǔ)器獲取數(shù)據(jù)時(shí)每條指令所耗費(fèi)掉的時(shí)間。基于RISC的處理器使用片外存儲(chǔ)器降低了處理能力,不能滿足多媒體應(yīng)用的苛刻要求。同時(shí)也增加了成本和功耗。隨著CPU核的頻率越來越快,訪問DRAM所需時(shí)鐘更多了,存儲(chǔ)器損耗也相應(yīng)增加了。
CMP滿足多媒體應(yīng)用新挑戰(zhàn)
與基于RISC的處理器相比CMP在體系架構(gòu)上有很多優(yōu)勢(shì):包括片內(nèi)存儲(chǔ)器,多線程和專用操作系統(tǒng)。除了速度上的優(yōu)勢(shì),這些系統(tǒng)架構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)使CMP還能提供持續(xù)的高吞吐率,確定性處理能力,并發(fā)應(yīng)用管理能力,安全加速,最優(yōu)的性價(jià)比和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
圖2:CMP采用存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體系架構(gòu)和多線程來實(shí)現(xiàn)高效處理能力
滿足多媒體應(yīng)用最有效的設(shè)計(jì)方案是多線程與存儲(chǔ)器存儲(chǔ)架構(gòu)相結(jié)合的體系架構(gòu)。得益于片內(nèi)存儲(chǔ)器,數(shù)據(jù)包可以直接存入片內(nèi)存儲(chǔ)器中,可以由任何一個(gè)獨(dú)立的線程來處理完成(每個(gè)線程可以作為一個(gè)獨(dú)立的處理器來運(yùn)行),然后再發(fā)送出去。這種架構(gòu)與傳統(tǒng)架構(gòu)相比,能維持持久的高吞吐率,而且抖動(dòng)減少95%。相反,傳統(tǒng)的處理器通過高速緩存從片外DRAM獲取數(shù)據(jù),而等待時(shí)間中有30-60%是用于等待高速緩存。
多媒體應(yīng)用對(duì)傳輸中的抖動(dòng)很敏感。抖動(dòng)影響系統(tǒng)的響應(yīng)和用戶的感受。確定性處理能力能以固定的時(shí)間處理每個(gè)數(shù)據(jù)包,從而將抖動(dòng)從毫秒級(jí)降低到微秒級(jí)。再加上多線程極低的延遲,就可以提供具有最好的QoS和用戶體驗(yàn)的多媒體應(yīng)用。
如今數(shù)字環(huán)境提供的應(yīng)用琳瑯滿目,這就意味著需要能夠并行處理多種多樣的不同的應(yīng)用,而且都要求抖動(dòng)很小。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)和多線程處理器的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的,因?yàn)樗軌颡?dú)立處理多個(gè)應(yīng)用,而且抖動(dòng)很小。
圖3:CMP具有顯著的優(yōu)勢(shì)——其相對(duì)性能大約是基于RISC處理器的2倍
一個(gè)專用的硬件安全引擎從核心處理器上卸載安全處理功能,增加了安全性和提供最可靠的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)。這個(gè)引擎將加密功能和認(rèn)證改進(jìn)結(jié)合在一起,像一個(gè)有國界又像一個(gè)無國界的專業(yè)級(jí)防火墻,防止外部黑客的入侵和偷襲,避免數(shù)字財(cái)產(chǎn)被非法盜用。
CMP和RISC處理器在每個(gè)時(shí)鐘峰值執(zhí)行一條指令,所以通常的理解是它們的行為完全由時(shí)鐘周期決定。然而,事實(shí)并非如此。正如上面所述,其它的因素諸如:體系架構(gòu)的效率,潛伏時(shí)間,存儲(chǔ)器等待時(shí)間和操作系統(tǒng)的類型都直接影響處理器的處理能力。因此對(duì)于相同的時(shí)鐘頻率,CMP本質(zhì)上比傳統(tǒng)的處理器更具優(yōu)勢(shì),也具有更好的性/價(jià)比。
一個(gè)效率較高的軟件指的是使用較少的指令來完成相同的工作量。很多基于RISC的處理器采用的是像Linux這樣的通用操作系統(tǒng)。因?yàn)檫@些操作系統(tǒng)大多數(shù)是為計(jì)算方面的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,并沒有為了通信和多媒體方面的應(yīng)用而做相應(yīng)的優(yōu)化,所以它們速度慢、效率低、延遲時(shí)間較長和抖動(dòng)較大也就不令人感到驚奇了。另外這些操作系統(tǒng)還缺乏與新出現(xiàn)的多媒體應(yīng)用的兼容性。相反,CMP采用專用操作系統(tǒng),所以在降低抖動(dòng)、實(shí)時(shí)操作性上具有很多優(yōu)勢(shì),效率比基于RISC的處理器高3倍。
作者:Ali Simnad
產(chǎn)品部高級(jí)經(jīng)理
Ubicom公司
