Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Суббота, 21 сентября
 
 


Это интересно!

Ранее

О новизне процессоров Intel Core i3/i5/i7. Часть 2*

Современный уровень и перспективы развития встраиваемых цифровых систем

В этой вводной статье рассматривается состояние современных встраиваемых систем, приводится их классификация и описываются наиболее общие проблемы их реализации.

Особенности применения отечественных микросхем

Вечная проблема большинства околовоенных КБ и НИИ — требование использовать отечественную элементную базу. Вечная «головная боль» инженеров этих КБ и НИИ — заставить эту самую элементную базу работать правильно и делать то, что надо, а не то, что заблагорассудится этому непослушному куску кремния. Все ли так печально в этом вопросе, или есть надежда на светлое будущее?

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

15 июня

Процессоры Intel Core: новое наступление x86-архитектуры на рынке встраиваемых систем

В статье рассматриваются особенности нового семейства процессоров Intel Core, представленных на международной выставке CES 2010 в январе 2010 г. Обсуждаются ключевые преимущества новых процессоров, позволяющие реализовывать на их базе отказоустойчивые встраиваемые системы различного назначения. Приведены сведения о программных средствах разработки и оптимизации программного кода для процессоров данного семейства.



В течение многих лет разработчики встраиваемых систем были вынуждены выбирать между двумя возможными архитектурами процессоров, имеющими свои преимуществами и недостатками. С одной стороны, специалистов привлекала высокая производительность процессоров Intel, хотя их сравнительно высокое энергопотребление требовало принятия дополнительных мер по уменьшению рассеиваемого тепла, что приводило к удорожанию системы. Следует сказать, что с появлением шин PCI/PCI Express появилась возможность создавать экономически более эффективные решения. К тому же, процессоры Intel поддерживаются не только Windows, но также такими ОС, как Linux и VxWorks, что делает эту архитектуру еще более привлекательной.

С другой стороны, компания Freescale всегда ориентировалась на встраиваемые системы и предлагала решения, которые оптимально сочетают производительность и энергопотребление/рассеяние тепла. Кроме того, архитектура PowerPC обеспечивает доступ к AltiVec — набору SIMD-инструкций (векторных) для работы с плавающей запятой и целочисленной арифметикой, которые позволяют реализовывать такие сложные приложения, как цифровая обработка сигнала. Продукты Freescale обеспечивают длительный срок поддержки, что необходимо для использования во встраиваемых продуктах, особенно ответственного применения.

Ситуация на рынке, однако, меняется. После упорного стремления производителей процессоров увеличить тактовую частоту и пропускную способность систем пришло осознание того, что все это больше не является главенствующим в проектировании процессоров.

Почему это произошло? Просто потому, что как на рынке компьютеров, так и на рынке встраиваемых систем проявилась бесспорная тенденция — интеграция все больших вычислительных возможностей во все более компактном корпусе, для чего необходимо снизить потребляемую мощность и минимизировать рассеиваемое тепло.

Когда корпорация Intel представила 7 января 2010 г. семейство Core, в тот же день было объявлено о выходе множества продуктов на базе процессоров Core i7 и i5 в различных форм-факторах: COM Express, XMC, 6U Compact-PCI, VME, VPX и др.

Было предложено 12 новых процессоров, предназначенных специально для рынка встраиваемых систем, которые имеют 7-летний срок поддержки. Весьма важно для этого рынка, что эти процессоры могут быть опционально оборудованы памятью с коррекцией ошибок (ECC) и способны выполнять вычисления с плавающей точкой, что является фундаментальным требованием для большинства сложных встраиваемых приложений, таких как радары, сонары и любые системы, в которых нужна цифровая обработка сигнала.

Ключевым требованием при разработке новых процессоров семейства Core 2010 г. являлось достижение высокой энергоэффективности. В то же время в них реализованы многие усовершенствованные функции, которые впервые были представлены в семействе Xeon с микроархитектурой Nehalem.

Существенное снижение потребляемой мощности получено за счет перехода на 32-нм технологию. Реализация микроархитектуры Nehalem с двумя ядрами по 32-нм технологии наделила новыми возможностями настольные и мобильные компьютеры, а также встраиваемые системы с потребляемой мощностью от 18 до 35 Вт. Уменьшение площади кристалла центрального процессора сделало возможным интеграцию контроллера памяти и графического контроллера в так называемом многочиповом корпусе. Это позволяет отказаться от северного моста между центральным процессором и южным мостом. Таким образом, вместо 3-чипового построения системы стала возможна 2-чиповая реализация. Снижение требований к системе по рассеиваемой мощности, в то же время, позволило сохранить частоту тактового сигнала на том же уровне.

Появление семейства Core произошло примерно два года спустя после представления 45-нм семейства процессоров Atom, которое ознаменовало собой внедрение x86-архитектуры в маломощные встраиваемые приложения. Сейчас логичным шагом дальнейшего развития процессоров Atom был бы переход с 45-нм технологических норм на 32 нм.

Целью такого развития, конечно, является стимулирование использования x86-архитектуры во все более компактных и все более глубоко встраиваемых приложениях, и в конечном итоге — расширение этой архитектуры в сферы применения, которые до настоящего времени занимала архитектура ARM. Если Intel действительно движется в этом направлении, то у этой компании в руках есть серьезное оружие в лице широко доступных инструментов проектирования и армии опытных разработчиков, которые хорошо знакомы с x86-архитектурой.

Кроме того, это также позволит использовать единую архитектуру для целого спектра продуктов, например, когда нужно разработать портативную версию данного продукта. Переход на новую, более совершенную версию продукта с низким энергопотреблением может быть выполнен тем же составом разработчиков, с помощью тех же инструментов разработки и даже, возможно, с использованием большей части существующего программного кода. Экономия средств при продвижении продукта на рынке, на проведение исследований, выполнение верификации проекта, оплату труда и обучение персонала может быть весьма значительной.

Использование памяти со встроенной схемой обнаружения и коррекции ошибок (ECC) также имеет весьма существенное значение. Во встраиваемых приложениях всегда необходимо было обеспечить высокий уровень целостности данных, особенно в критически важных системах. Раньше разработчики вынуждены были выбирать между более высоким энергопотреблением и ECC-памятью. Теперь возможность использования памяти с коррекцией ошибок обеспечивается при величине энергопотребления, допустимого для мобильных компьютеров. Этот тип памяти, который обычно использовался в серверных системах, детектирует и корректирует 1-битовые ошибки и обнаруживает 2-битовые ошибки, что предотвращает сбои системы. Это весьма позитивно сказывается на надежности систем, работающих в непрерывном режиме. Особенно это касается приложений, требующих больших объемов памяти, и медицинских систем.

Многие технологии микроархитектуры Nehalem весьма полезны для разработчиков встраиваемых систем. В их число входят технологии Turbo Boost и Hyper-Threading, а также технология удаленного управления и обеспечения безопасности vPro. Все процессоры поставляются в корпусе BGA, что позволяет уменьшить занимаемую на плате площадь.

Кроме того, был представлен платформенный контроллер-концентратор (Platform Controller Hub — PCH) QM57 для 2-чипового решения в мобильных и встраиваемых приложениях. Контроллер памяти теперь встроен внутрь процессора. PCH поддерживает технологию vPro, а также 14 портов USB 2.0, восемь портов PCI Express, порт Gigabit Ethernet PHY, 6 портов SATA, а также видео- и аудиопорты (см. рис. 1).

Рис. 1. Во встраиваемых приложениях процессоры Core работают совместно с платформенным контроллером-концентратором QM57 и реализуют 2-чиповое решение, в котором графический процессор и контроллер памяти встроены в процессор

Процессор Core i7 имеет встроенный графический контроллер, что исключает необходимость использования отдельного графического процессора для широкого спектра приложений. Тестирование с помощью пакета 3D Mark показало, что уровень производительности при обработке графики сравним с предыдущей платформой, которая использовала отдельный графический чип. Этот уровень производительности сделал возможным использование двух портов DVI, которые могут управлять двумя независимыми дисплеями высокого разрешения.

Более высокая степень интеграции чипсета позволила существенно сэкономить площадь на плате. Например, системная шина FSB не проходит по печатной плате, а интегрирована в чипсет. Освобождение дополнительного места на плате особенно важно для производителей одноплатных компьютеров, которые стараются обеспечить максимально возможную функциональность своих изделий.

Другое важное преимущество линейки Core заключается в том, что компанией предлагается целое семейство процессоров. Процессоры Core i7 имеют уровень энергопотребления 35, 25 и 17 Вт с тактовой частотой 2,53; 2,0 и 1,06 ГГц соответственно, что позволяет заказчикам выбирать процессоры, исходя из необходимого им соотношения производительности на ватт потребляемой мощности.

Технология Turbo Boost представляет собой аппаратную технологию, которая учитывает вычислительную нагрузку на процессор и потребляемую мощность. В 2-ядерных процессорах, например, когда одно из ядер неактивно или недогружено, процессор может увеличить частоту тактового сигнала. Частота тактового сигнала может быть увеличена до двух фиксированных значений: более высокая частота — когда второе ядро неактивно и более низкая частота — если второе ядро активно, но не полностью нагружено. Если вычислительная нагрузка на одном из ядер увеличивается настолько, что могут быть превышены предельные значения по температуре, рассеиваемой мощности и току, процессор переходит на более низкую тактовую частоту. С помощью операционной системы можно определить время работы процессора с наивысшей производительностью, в зависимости от рабочей нагрузки и условий эксплуатации.

Технология Turbo Boost помогает улучшить производительность системы, однако реальные преимущества разработчики получают при оптимизации программного кода для реализации многопотоковой обработки. Многопотоковость обеспечивается в семействе процессоров Core на двух уровнях. Во-первых, имеется возможность реализовать ее между двумя процессорными ядрами на каждом кристалле. Кроме этого, используя технологию Hyper-Threading, можно на основе каждого ядра процессора реализовать два логических процессора, каждое из которых обрабатывает многопотоковый код. Таким образом, можно обрабатывать одновременно четыре потока на каждом чипе процессора (см. рис. 2).

Рис. 2. Технология Hyper-Threading позволяет реализовать на 2-ядерном процессоре четыре логических процессора, одновременно обрабатывающих четыре потока

При этом каждый логический процессор хранит полный набор состояния архитектуры (два на каждом физическом процессоре). Состояние архитектуры содержит содержимое всех регистров, включая регистры общего назначения, управляющие регистры, регистры, принадлежащие контроллеру прерываний APIC и другие регистры состояний машины. Прерывания, высылаемые данному логическому процессору, обрабатываются только этим процессором. Реализация технологии Hyper-Threading потребовала лишь 5-% увеличения площади кристалла и рассеиваемой мощности. Сбалансированная работа потоков обеспечивается буферным управлением, которое гарантирует, что ни один логический процессор не сможет забрать все доступные ресурсы, когда обрабатываются два активных потока. Кроме того, можно комбинировать разделенные ресурсы, когда активен только один поток.

Реализация всех преимуществ нового семейства процессоров, связанных с многопотоковым выполнением алгоритмов, невозможна без соответствующего программного обеспечения. Разработчикам встраиваемых систем необходимо оптимизировать программный код, в результате чего существенно возрастает производительность системы без увеличения мощности процессора. Одна из главных проблем при переходе на многопотоковое выполнение программ заключается в переносе среды разработки и созданного программного кода на параллельную модель без необходимости переписывания огромного массива созданного кода. Одним из доступных инструментов разработки программ параллельной обработки данных является технология Intel Ct.

Ct — это совместимая с Cи++ библиотека, которая работает с любым стандартным компилятором Cи++. Библиотека Ct включает все компоненты, необходимые для генерации параллелизованного или векторного кода: компилятор, потоковую среду выполнения программ и менеджер памяти.

Другим программным набором инструментов является Intel Parallel Studio, который работает совместно с Microsoft Visual Studio для разработки кода Cи++. С помощью пошаговых рекомендаций пакета Parallel Studio можно определить области в приложениях, которые получат наибольшие преимущества от параллельного выполнения задания. Средство Advisor Lite позволяет расширить возможности Parallel Studio, моделируя и тестируя фрагменты программ прежде, чем передавать их в реальный параллельный код. Существует также Parallel Amplifier для поиска фрагментов программ, в которых процессорные ядра недогружены, а также для блокирования потоков. Инструмент Parallel Inspector предназначен для поиска ошибок, которые могут появиться в коде из-за высокой сложности многопотоковых процессов.

В заключение следует сказать, что технологии, использованные в новом семействе процессоров Core, показывают, что корпорация Intel заглядывает далеко за пределы простого увеличения тактовой частоты и уменьшения площади кристалла для улучшения производительности системы. В новом семействе процессоров компания сконцентрировала усилия на повышении удельной производительности процессоров. Возможность коррекции ошибок в памяти и реализация вычислений с плавающей точкой имеют огромное значение для встраиваемых систем. Включение мощного графического контроллера в состав чипсета и достижение высокой степени интеграции позволили сэкономить доступную на плате площадь для увеличения функциональной плотности продуктов.

С выходом семейства процессоров Core разработчики встраиваемых систем получили весьма действенные аппаратные и программные средства для многих сфер применения. Компания Freescale, вероятнее всего, останется заметным поставщиком на рынке встраиваемых технологий, однако корпорация Intel обозначила самые серьезные намерения на этом растущем и многопрофильном рынке.

Литература

1. Richard Kirk. Intel’s Core i7: What It Means to the Embedded Market//RTC Magazine, March 2010

2. Tom Williams. New Intel Processor Family Extends the Embedded Span of x86//RTC Magazine, February 2010

3. Peter Lippert. Intel Core i7 processor powers innovative embedded PC solutions//Boards & Solutions, February 2010

 


Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Дмитрий Прыгунов, техн. консультант, ИД «Электроника»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты