引言

智能電話與移動因特網(wǎng)設(shè)備 (mid) 等移動設(shè)備開始提供一系列高級功能，如類似 PC 網(wǎng)頁瀏覽與高清 (HD) 視頻錄制和回放、類似單反相機(jī)的數(shù)字影像和 3D 圖像功能等。為了能在外形小巧且具有超長電池使用壽命的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)上述功能以及語音、SMS、藍(lán)牙和 GPS 等傳統(tǒng)電話服務(wù)，就需要融合了電源管理技術(shù)的高級處理技術(shù)來推動移動設(shè)備服務(wù)不斷更上層樓。

對稱多處理 (SMP) 過去一直是 PC 領(lǐng)域用于提升性能的一種技術(shù)，目前也開始應(yīng)用于移動設(shè)備，能夠顯著提升系統(tǒng)的按需處理性能和電源可擴(kuò)展性。德州儀器 (TI) 推出的較新 OMAP™ 4 平臺能以極低的功耗提供出色的移動計(jì)算和多媒體性能，這在一定程度上要?dú)w功于內(nèi)置的雙核 ARM^® Cortex™-A9 MPCore 功能，其不僅支持 SMP 通用處理功能，而且還能與低功耗異構(gòu)處理引擎協(xié)同工作，可充分滿足要求極高的多媒體需求。德州儀器 (TI) 在為移動設(shè)備推出 SMP 方面居于領(lǐng)先地位，積極推進(jìn)新一代高性能低功耗應(yīng)用的發(fā)展。

何謂 SMP？我們?yōu)槭裁葱枰�它�?/span>

對稱多處理 (SMP) 廣泛應(yīng)用于 PC 領(lǐng)域，能夠顯著提升臺式計(jì)算機(jī)的性能。SMP 能使單芯片上多個(gè)相同的處理子系統(tǒng)運(yùn)行相同的指令集，而且都對存儲器、I/O 和外部中斷具有同等的訪問權(quán)限。操作系統(tǒng) (OS) 的單份拷貝就能控制所有內(nèi)核，使任何處理器都能運(yùn)行所有的線程，而無需考慮內(nèi)核、應(yīng)用或中斷服務(wù)的區(qū)分。

圖 1：多重因素推動移動設(shè)備對 SMP 的需求不斷增長

SMP 將推動移動應(yīng)用和設(shè)備不斷發(fā)展進(jìn)步，而這正是目前單核解決方案所無法實(shí)現(xiàn)的。SMP 能激活執(zhí)行任務(wù)所需的某個(gè)特定內(nèi)核或多個(gè)內(nèi)核，從而使 OEM 廠商能夠?qū)崿F(xiàn)高度可擴(kuò)展的性能與電源，充分滿足當(dāng)今業(yè)界較流行的應(yīng)用以及未來潛在的創(chuàng)新應(yīng)用。

無障礙 Web 瀏覽等大量新型應(yīng)用對移動設(shè)備提出了更高的峰值計(jì)算性能要求。目前的單核解決方案無法滿足這一需求，只有 SMP 才能在移動設(shè)備的空間尺寸及電源限制條件下實(shí)現(xiàn)上述性能需求。我們固然可通過增加單核解決方案的尺寸來滿足性能需求，但若增加功耗則對移動設(shè)備來說是不可接受的。SMP 正是滿足此類需求的唯一架構(gòu)技術(shù)。

可以預(yù)見，高級移動應(yīng)用將像現(xiàn)在的 PC 應(yīng)用一樣復(fù)雜，而 PC 領(lǐng)域開發(fā)的線程技術(shù)也將有望移植到移動手持終端上。推動 PC 處理器不斷發(fā)展的挑戰(zhàn)（例如單內(nèi)核芯片性能略有提高就需要大幅加大硅芯片技術(shù)的復(fù)雜性）也同樣推動移動手持終端轉(zhuǎn)向多內(nèi)核架構(gòu)。此外，在較大型的單內(nèi)核解決方案上實(shí)現(xiàn)更高性能會使成本和復(fù)雜性直線上升，從而因更復(fù)雜的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過程較終導(dǎo)致產(chǎn)品上市時(shí)間拖延。

PC 市場是促進(jìn) SMP 技術(shù)推廣的催化劑，目前許多 PC 都內(nèi)置了雙核乃至四核處理器。ARM Ltd. 一直積極推動 SMP 技術(shù)向手持終端市場發(fā)展，并推出了 Cortex™-A9 MPCore 架構(gòu)。為了支持較新系列的 SMP 內(nèi)核，諸如 Linux 和 Symbian 等操作系統(tǒng)紛紛增加了對 SMP 的支持。

SMP 將為采用一至四核乃至更多內(nèi)核的產(chǎn)品提供高度可擴(kuò)展的產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃，滿足未來需求。SMP 高度可擴(kuò)展的發(fā)展規(guī)劃可全面滿足從低到高各級設(shè)備的需求，幫助開發(fā)人員充分利用現(xiàn)有的軟件投資，確保推出的產(chǎn)品能夠迎合不同市場對各種性能級別的需求。

移動局限性

要想獲得成功，SMP 就必須克服眾多移動設(shè)備自身存在的局限問題，而尺寸、成本以及功耗屬于較顯而易見的問題。消費(fèi)者期望獲得可方便地裝入口袋或錢包中的超小型移動設(shè)備，而且一次充電就能全天無憂。此外，移動設(shè)備的成本也是市場必須考慮的問題。SMP 可全面解決上述移動技術(shù)面臨的局限問題，確保設(shè)備滿足消費(fèi)者的要求。SMP 將幫助高級應(yīng)用提高運(yùn)行效率，不過我們也必須注意，增加的內(nèi)核不能在功耗方面造成消極影響。在 SMP 設(shè)備中采用新技術(shù)必須確保功耗不超過單內(nèi)核的水平。

隨著移動手持終端開始支持過去只有 PC 才具備的 Web 瀏覽、多媒體和 WLAN 連接等功能，以及語音和藍(lán)牙等標(biāo)準(zhǔn)移動功能，用戶對性能的需求越來越高。不過，在移動環(huán)境中，提升性能不僅必須確保高效性，而且還必須根據(jù)實(shí)際需求滿足相應(yīng)的功耗要求。只有根據(jù)不同的使用情況優(yōu)化功耗和性能，才能較大限度地延長電池工作時(shí)間并實(shí)現(xiàn)較高性能。SMP 使智能電話能夠集成 PC 以及傳統(tǒng)電話的功能，讓單部移動設(shè)備滿足用戶對功耗與性能的需求。

ARM 目前在移動設(shè)備市場上占據(jù)主導(dǎo)地位，因而我們既需要支持傳統(tǒng)代碼，又需要支持功能豐富的工具。展望未來，SMP 將必須確保支持可實(shí)現(xiàn)正常工作的傳統(tǒng)代碼，同時(shí)還要節(jié)約功耗，提高性能。

我們必須解決的較后一個(gè)移動局限問題，就是在盡可能減小芯片尺寸的同時(shí)提供足夠大的存儲器高速緩存，以確保多內(nèi)核工作不會出現(xiàn)死機(jī)問題。如果單內(nèi)內(nèi)核設(shè)備需要的高速緩存量為 N，那么多內(nèi)核設(shè)備保持良好性能所需的緩存量就應(yīng)為 4*N。此外，我們還要考慮數(shù)據(jù)一致性和系統(tǒng)存儲器一致性等其他存儲器設(shè)計(jì)問題，才能確保所有處理器都能在準(zhǔn)確時(shí)間存取當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)。

ARM Cortex-A9 MPCore

圖 2：ARM^® Cortex™-A9 MPCore™為移動設(shè)備實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的功率與性能

為了滿足移動手持設(shè)備市場對可擴(kuò)展功率與性能的需求，ARM 推出了 Cortex-A9 MPCore 架構(gòu)。該架構(gòu)與 ARM Cortex-A8 相比，可將處理效率提高 20% (IPC)，從而幫助設(shè)計(jì)人員以更低的頻率完成更多的工作。

Cortex-A9 MPCore 可在一個(gè)群集中支持多達(dá) 4 個(gè)內(nèi)核，能夠?yàn)榭蛻粼O(shè)計(jì)產(chǎn)品、滿足特定需求提供高度的靈活性。Cortex-A9 MPCore 包含豐富的特性，如：

•高效超標(biāo)量管線能夠以低功耗實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的峰值性能；

•NEON 媒體處理引擎可加速媒體處理功能；

•比前代 ARM FPU 性能提高一倍的浮點(diǎn)單元；

•優(yōu)化的 1 級高速緩存可較大限度地降低時(shí)延與功耗；

•Thumb^®-2 技術(shù)可將存儲器要求降低 30%；

•TrustZone^® 技術(shù)支持可靠的安全應(yīng)用；

•L2 高速緩存控制器支持低時(shí)延、高帶寬存儲器存��；

•CoreSight™ 多內(nèi)核調(diào)試與跟蹤架構(gòu)可在開發(fā)調(diào)試期間提高可視性。

Cortex-A9 MPCore 內(nèi)核比 Cortex-A8 更小，在降低功耗的同時(shí)提高了處理效率�？蓴U(kuò)展峰值性能與高級電源管理相結(jié)合，使 Cortex-A9 MPCore 性能超過了同類單內(nèi)核架構(gòu)，并可為多內(nèi)核設(shè)計(jì)提供明顯的優(yōu)勢。Cortex-A9 MPCore 不但能夠?qū)崿F(xiàn)可擴(kuò)展至多個(gè)市場的統(tǒng)一平臺，同時(shí)還可充分利用通用軟件開發(fā)來降低研發(fā)成本，加速產(chǎn)品上的市進(jìn)程。

SMP 賦予應(yīng)用與產(chǎn)品的優(yōu)勢

目前，制造商希望投資于一款能夠使其在不同級別產(chǎn)品中充分利用與擴(kuò)展、并同時(shí)滿足未來需求的平臺。SMP 能夠以真正的性能可擴(kuò)展性全面滿足這一需求。與只能提高單個(gè)內(nèi)核速度的前代解決方案不同，SMP 將為整個(gè)多內(nèi)核實(shí)現(xiàn)真正的可擴(kuò)展性，為每一款產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)性能與功耗的較佳組合。

SMP 將允許制造商在統(tǒng)一的平臺上以更高的性能支持如上網(wǎng)本等未來產(chǎn)品。一旦 SMP 的軟件開發(fā)完成，設(shè)計(jì)人員便可根據(jù)未來需要添加多個(gè)處理器，而且這對軟件將保持透明。SMP 設(shè)計(jì)可為制造商滿足未來應(yīng)用需求打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

SMP 軟件的影響

SMP 可為各個(gè)層面的軟件大幅提高性能。對于不支持 SMP 的軟件，我們可使用操作系統(tǒng)任務(wù)管理器在每個(gè)內(nèi)核上啟動進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)并行工作。并行進(jìn)程執(zhí)行自然會提升性能，雖然其效率不如線程級處理那么高，但也不會對應(yīng)用開發(fā)人員造成更多的設(shè)計(jì)麻煩。

圖 3：SMP 可在軟件的進(jìn)程與線程層面上提高性能

隨著移動設(shè)備性能的不斷提升，用戶應(yīng)用的復(fù)雜性也在不斷增加，在此情況下，應(yīng)用程序應(yīng)更多地以并行方式進(jìn)行編寫（如采用線程方式），因此，我們便可充分發(fā)揮 SMP 的真正優(yōu)勢與增益。線程構(gòu)成進(jìn)程，不必反復(fù)返回操作系統(tǒng)尋求資源。應(yīng)用開發(fā)人員不但要采用并行方式進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，而且還必須注意進(jìn)程中線程的互動方式。

某些應(yīng)用本身就是多線程的，從而使 SMP 能夠?qū)崿F(xiàn)更高的性能，更快的響應(yīng)時(shí)間以及更出色的整體用戶體驗(yàn)。如 Google 的 chrome 等 web 瀏覽器就采用了多線程技術(shù)，因此能夠與 SMP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)高度互補(bǔ)。預(yù)計(jì)這些 PC web 瀏覽器所使用的這種技術(shù)也將用于移動領(lǐng)域。

Symbian 和 Linux 移動操作系統(tǒng)均全面支持 SMP。這種支持針對移動環(huán)境進(jìn)行了專門優(yōu)化，將使所有處理器內(nèi)核的單一操作系統(tǒng)內(nèi)核映像以及調(diào)度器中的負(fù)載平衡能夠幫助確定在哪個(gè)內(nèi)核上運(yùn)行哪個(gè)任務(wù)或線程。

在處理原有軟件時(shí)，我們必須注意正確的任務(wù)同步，以避免系統(tǒng)鎖死。在 SMP 系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)可在安排低優(yōu)先級任務(wù)運(yùn)行在一個(gè)不同內(nèi)核上的同時(shí)，讓一個(gè)具有較高優(yōu)先級的任務(wù)運(yùn)行在另一個(gè)內(nèi)核上。如果軟件包含不明確的同步，則會產(chǎn)生導(dǎo)致鎖死情況的錯(cuò)誤判斷。通過正確使用信號量、互斥量以及自旋鎖等軟件技術(shù)，SMP 內(nèi)核的編程軟件將可實(shí)現(xiàn) SMP 的全部優(yōu)勢。

SMP 系統(tǒng)上的開發(fā)與調(diào)試工具至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)一步了解芯