基于AMP 架構的高性能數據處理模塊設計

韓嫚莉

（中國航空工業西安航空計算技術研究所，西安 710065）

嵌入式處理平臺高度綜合化的發展趨勢使得平臺對數據處理模塊計算和處理性能的需求越來越高，高性能數據處理模塊在這種背景下應運而生。高性能數據處理模塊采用高性能PowerPC 處理器，基于高速串行總線RapidIO 搭建非對稱式多處理器（AMP）架構，實現了高性能的數據處理和任務處理需求，滿足了綜合化嵌入式平臺的應用需求，大大提升了平臺的綜合化任務處理能力。

1 高性能數據處理技術需求分析

高性能數據處理模塊的技術需求主要是對處理器、多重并行處理、高速總線和分布式實時操作系統這四個方面進行需求分析，內容如下：

（1）處理器需求：處理器是高性能數據處理模塊設計的核心，PowerPC 以出色的處理性能、高集成度和技術的先進性，廣泛的應用在高端嵌入式領域。

（2）多重并行處理需求：綜合化處理平臺提出了更多、更高的數據處理和任務處理需求，多處理器（MP）并行處理機制是提高模塊整體處理性能的最優方法。

（3）高速總線需求：高性能數據處理性能必須同時設計具備與之匹配的高速總線支持與外部系統進行數據交互，光纖通道（FC）為代表的新型高速串行總線以高帶寬、擴展性好、抗干擾能力強等特點，成為綜合化嵌入式處理平臺的系統互連總線。

（4）分布式實時操作系統需求：綜合化處理平臺多任務的并行處理需求很大，需要分布式實時操作系統架構把多個任務封裝到不同的分區上，提高了任務處理的可靠性和安全性。

2 系統方案

2.1 高性能數據處理節點設計

高性能數據處理模塊選用高性能PowerPC 處理器MPC8640，該處理器屬于PowerPC 的G4 代處理器，支持AltiVec 結構[1]，是一款高性能、超標量的處理器。一片MPC8640 中提供1 個e600內核，主頻最高可達1.25GHz，e600內核提供1MB 的高帶寬、低延遲的L2cache，這樣在運行獨立的操作系統時，能都保證很高的處理效率[2]。MPC8640有兩路64位的DDR2控制器接口，可以實現數據共享，有效利用了存儲器帶寬。MPC8640處理器使用e600核和高速內部互連技術來平衡處理器的性能與IO 系統的吞吐率。

MPC8640 豐富的硬件整合資源和高集成度方便了系統設計，同時降低了硬件的復雜度。高性能數據處理節點最小系統設計框圖如圖1所示，處理器周圍設計了電壓轉換電路、復位電路、測溫電路、看門狗電路以及局部資源（DDR2、FLASH、NVRAM），滿度高性能數據處理節點運行的基本條件。

2.2 非對稱多處理架構設計

高性能數據處理模塊采用功能模塊劃分的思想，各個功能模塊互相獨立[3]，采用非對稱多處理架構（AMP）架構設計，如圖2所示。RapidIO 協議開銷低、傳輸效率高，更適用于嵌入式系統內部數據交互[4]。因此，整個系統由四個高性能數據處理節點組成，各個節點之間采用RapidIO 總線互連，互連架構采用交換網絡架構。交換網絡架構是幾種互連架構中性能最優、可靠性最高的互連方案，可以為系統提供可重構的動態網絡。

圖1 高性能數據處理節點最小系統

圖2 高性能數據處理模塊非對稱多處理架構框圖

2.3 FC 總線接口設計

高性能數據處理模塊設計了4路FC 總線接口，支持以交換機為核心的交換拓撲、用于模塊與外部系統的高速數據通信。FC總線接口電路設計為標準子卡的形式，支持網絡管理器、備份網絡管理器以及網絡遠程終端三種功能角色的分配，選用FPGA 實現對外FC 接口，并通過PCIE 接口與CPU 之間進行耦合。

3 分布式實時操作系統設計

高性能數據處理模塊采用國產天脈2操作系統，支持多應用任務子系統的具有分區功能。分區的概念是分布式實時操作系統的“靈魂”，是保證安全關鍵軟件可靠性和確定性執行的核心技術[5]。分區管理要求系統中同時可以運行多個不同類型的應用，同時各個任務在時間上和空間上互不影響，互相隔離。

4 結束語

高性能數據處理模塊不單單是處理器速度快、性能優異就可以解決的，模塊的架構設計、總線設計、軟件設計都會影響模塊的數據傳輸、資源共享及同步。本文提出一種基于AMP 架構高性能數據處理模塊的設計方案，結合高速串行總線實現系統的數據交互和傳輸，具備超高性能的數據計算能力和任務處理能力，大大滿足綜合化嵌入式處理平臺的使用需求。