异质多处理器芯片中的数据流核心设计

异质多处理器系统(Heterogeneous Multiprocessor)是将两种以上不同工作性质的处理器核心整合为一的处理器系统。它通常包含了一般用途处理器(General Purpose Processor)和特殊用途处理器(Specific Purpose Processor)。随着片上系统SoC(System on Chip)及相关技术的成熟，已经可以将不同的处理器整合到一个芯片里，成为多处理器芯片。以多媒体应用为例，比较著名的异质多处理芯片有德州仪器公司的TMS320DSC25、TMS320DM270和TMS320DM320。这些芯片都是由ARM微核心和DSP微核心组成。传统的多处理器系统架构(如Intel SMP架构)是由多个处理芯片通过外部总线汇接而成，而多处理器片上系统架构是在单一芯片上包含了多个处理器核心。它能减少系统的功耗并使整个系统发挥最大的运算效能。
　　
1 硬件平台
　　
本设计采用的硬件平台是德州仪器公司的TMS320DM270，它由两个微处理器核心ARM7TDMI和TMS320C5409组成。采用主从式架构，前者为主动端，后者为被动端。ARM7T
DMI是32位的一般用途处理器，负责DM270系统的整体运作和所有周边设备的控制。TMS320C5409为16位的数字信号处理器，主要负责多媒体信号处理．如音视频的编解码运算等。ARM可以经由DSP控制器重置或唤醒，还可对DSP发出不可屏蔽式的中断(Non-Masked Interrupt)。
　　
双处理器之间必须有良好的通信和数据交换机制．才能使系统在多进程环境下有效合作。在DM270中，ARM端的DSP控制器控制数据传输，DSP端通过HPI[3](Host Post Interface)与ARM处理器沟通。两个微处理器使用HPIB(Host Port Interfaee Bridge)相互连接。ARM和DSP可向对方发出硬件中断，同时它们之间存在一段共享存储区。通过共享存储区映射机制和中断的搭配，双方可以传输信息和数据，并且可以在共享存储区存取双方共同定义的指令，使两端根据指令进行对应的动作。
　　
2 ARM端的DSP管理者

为配合DSP的工作，在ARM端微核心(Micro Kernel)中设计了一个伺服进程，它负责ARM与DSP的沟通及协调运行。该进程称为DSP管理者(DSP Manager)，如图1所示。


　　
ARM端的进程并不知道DSP处理器的存在，只知道DSP管理者在运行。当ARM端的进程需要使用DSP进程所提供的数据处理服务时，只需向DSP管理者提出请求。DSP端的进程也不知道ARM处理器的存在，DSP管理者把ARM端的请求存放在共享存储区，由DSP的数据流核心读取这些请求，并交给相应的DSP进程。当请求被DSP进程接收后，DSP管理者还要负责把提出请求的ARM端进程的数据存放在共享存储区，以便DSP端进程的读取和处理。因此ARM与DSP沟通的效能取决于DSP管理者的执行效能。
　　
DSP管理者接收ARM端进程的数据处理请求。请求信息应该包括提出请求的ARM端进程的ID、DSP端服务进程的ID、数据处理服务类型的lD以及相关参数。同时DSP管理者把这些请求信息打包封装为DSP端系统能识别的内容格式，再通过共享存储区交给DSP端的数据流核心。
　　
由于真正维持系统运作的是ARM端系统，DSP只是附属的处理系统，所以ARM端的DSP管理者可以在系统正常工作的情况下更换DSP系统，以支持不同的DSP应用。
　　
3 DSP端的数据流核心
　　
DSP端的系统采用数据流核心(Dataflow Kernel)架构。传统系统核心架构中的进程切换由Timer Tick决定，但数据流核心中的进程却不受Timer Tick的影响，它们以数据驱动(Data Driven)的方式工作。
　　
在DSP端的核心运行着多个不同类型的数据处理服务进程，这些进程在DSP启动时都被设为阻塞态(Sleep)。因为此时没有任何数据可以用来驱动DSP服务进程的执行。当ARM端开始传送数据处理请求到DSP端时，数据流核心会根据这些请求找到对应的DSP服务进程，并使其进入执行态(Busy)。当该服务进程的数据处理任务完成后，其返回结果可能是新的数据处理请求，该请求同样也可以进入数据流核心。驱动其他服务进程的执行。所以整个核心的运行是根据数据流(ARM端的数据和DSP进程自己产生的数据)的动向决定的。与基于Timer Tick的传统系统核心相比，只要某一服务进程不断地接收数据处理请求，并且所需的数据不断到达，该进程就可以一直拥有CPU的使用权，而无须进行时间片方式的进程切换，从而减少了系统资源的浪费，提高了DSP的处理效能。

DSP端的进程有执行和阻塞两种状态。进程的状态转移如图2所示。当CPU使用权切换给某个进程时，该进程的状态将被核心设定为Busy并开始处理数据。当数据处理完后，数据流核心从数据请求队列DRQ(Data Request Queue)中取出下一个请求。如果请求信息中指定的DSP服务进程与目前进程相同，则该进程的状态依旧为Busy．否则核心便将目前进程的状态设定为Sleep，同时开始进程切换，将请求信息中所指定的服务进程设定为Busy。


　　
3．1 进程队列状态寄存器
　　
ARM端系统和DSP端系统在共享存储区共同定义了16位的进程队列状态寄存器(Process Oueue Status Register)，每一位代表DSP端一个进程的状态，所以DSP端最多有16个数据处理服务进程。若DSP端的数据流核心将寄存器的某一位设为O，则表示与该位对应的DSP进程有能力处理新的数据处理请求；若设为1，则表示与该位对应的DSP进程没有能力处理新的请求。
　　
DSP管理者通过查看该寄存器，可以知道DSP端的某些进程已不能接收新的数据处理请求，它就会使ARM端的相关进程停止向这些DSP进程发出请求。这样可以充

分利用DSP的资源，降低DSP端的系统负担。