在嵌入式多核集群中利用OCP处理高速缓冲器一致流量

摘要：随着处理性能的提升超出了单核系统的频率和功率范围，导致了多核集群的出现。MIPS科技的MIPS32 1004K一致处理系统(CPS)采用开放内核协议(OCP)点对点连接，可在整个集群中建立基于侦听的一致性。本文详细介绍这种通信模型的原理。

关键词：1004K；OCP；一致处理；高速缓冲器一致；多核

　　Matthias Knoth：设计工程师，负责低功耗、微架构和1004K处理器方案。

源于一种基于消息的存储一致模型

　　传统上，多处理器系统中的存储器一致性都是通过总线侦听实现的，每个内核都与一个通用多层总线连接，能够侦听同级处理器的存储器存取流量，以调节每个高速缓冲器行的一致状态。这样，每个内核都在本地保持了L1高速缓冲器行的一致状态，并通过通用总线将状态的改变通知同级处理器。

　　SoC不断增加的面积和复杂性导致了多层总线基本哲学的改变，以利于采用集中流量路由的本地点对点连接。由于负载的减少和段长的缩短，这将有助于显著加速和推动现在的本地化总线段的改善。同时，也可以缓解总线争用问题，同时增加了本地化数据交换吞吐量。为了满足这一系统架构趋势，出现了OCP(开放内核协议)标准，进一步巩固了这一设计哲学。另外，IP供应商业务模式的出现催化了IP互连和设计方法的标准化，有利于在一个开放标准基础上实现设计的复用。

　　然而，与通过OCP互连段操控一样，本地化总线执行将整个多核集群上的处理器分拆开。一致方案不能直接基于总线侦听和依赖总线仲裁来确保存取排序，需要不同的通信方法来确保数据存取的一致性。在争用L1行数据请求排序的过程中，其他挑战也浮现出来。应对这些挑战的一种方法是给每个处理单元增加一致消息通信，如图1所示。这些消息提供了侦听型缓冲器一致的方法。

图 1  一致处理系统

　　一致消息包含了OCP协议中的一个新命令。处理器系统中的成员向一个集中一致管理器发送一致消息。该管理器提供存取排序(顺序化)和消息路由，为同级成员提供侦听型存取。这些同级成员将以其单独的L1行状态进行响应，并发出一个消息响应。根据这些响应，一致管理器发起对内核间一致数据的数据移动，将存取集中在更高级别的存储器层，如L2和L3高速缓冲器。I/O一致单元还可提供一种方式逐渐采用/逐渐淘汰数据进/出一致地址空间的数据，它是一致消息交换的一部分。

　　除了OCP协议中的新消息类命令外，还需要具体的处理器响应一致状态请求，因此它们不只是总线处理的发动者(主控)。一致处理系统满足这一要求的方法可能是通过提供一个OCP从端口来接收和响应一致管理器发送的消息。处理器的一致请求将利用OCP主端口。在处理集群内，内核间和一致管理器之间的一致消息交换被称为“干预”。处理器的OCP从端口接收干预，因此称为“干预端口”。

　　如图1所示，1004K系统的每个独立处理器都是基于我们多线程处理器架构的，可以在单标量、9级流水线范围内提供两个独立线程并处理上下文。复制的1级数据高速缓冲器标记阵列可同时用于存取CPU操作和干预查寻。一致处理系统可支持MESI型高速缓冲器行一致性。

　　处理系统一致管理器通过其请求单元—OCP从端口，在每个CPU和I/O一致单元的推动下，接收进入的消息并对其进行串化。串化的消息按照其地址空间和上下文，或使用“存储器接口单元”发送到更高级别的高速缓冲器层，或使用“侦听代理”发送至同级处理器和I/O一致单元。侦听代理发起OCP主处理(干预)来查寻每个处理器的一致L1高速缓冲器行状态。干预返回到消息发起者，称为自我干预，有助于发起者提供存取排序。对 CPU 发起的一致消息响应和数据响应是在“响应单元”内确立的，并发送到每个 CPU。

一致OCP命令

　　在1004K CPS中使用的OCP命令可以分成三类。

　　第一类是保持MESI型高速缓冲器行状态的一致消息。它们是CPU负载/存储操作的结果，能够发起CPU和/或存储器子系统之间的数据移动。CPS(一致处理系统)的所有同级CPU将接收由一个发起者发送的一致消息，并根据它们的高速缓冲器行一致状态做出响应。一致管理器将根据需要发起数据移动。

　　一致高速缓冲器操作指令用于一致地址空间内高速缓冲器行的维护。I/O流量将新的一致行带入该域，或将一致上下文从高速缓冲器行中移除。另外，还要进行存储器层的同步化操作。

　　第三类是非一致命令，在一致地址空间外的存储区中执行OCP主端口处理。它们代表了OCP读写命令。