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　　圖2b：1004K頂層架構。

　　多線程應用實例

　　當決定多線程系統是否適用于一個特定應用時，設計人員必須考慮幾個因素。首先，設計人員必須考慮軟件和所需的功能集，包括不同的任務、可能分割這些任務的方式、每個任務的性能需求、不同任務的總線互動、多媒體等任務的特殊需求，以及其他考慮因素。其他主要考慮因素包括任務、安全性，當然還有功耗和成本的協調程度。

　　的確，分析起來往往不太簡單，因此很好地理解重點至關重要。例如，如果目標是以最低的成本實現最高的IPC，設計人員就可以創建多線程系統來利用單個內核中不同的線程，并運行在最高頻率下。在另一個設計中，功率可能是一個關鍵問題，所以設計人員可以選擇將任務分布于多個內核的多個線程，并降低頻率以減少功耗。MIPS-Based多線程系統的關鍵是可擴展性，在需要時幫助設計人員達到盡可能高的性能，而當性能并不是最優先考慮時，則可以縮減可擴展性。另一個例子是，一個系統可能需要運行2個操作系統，同時要滿足非常嚴格的QoS和成本限制。設計人員可以利用兩個VPE運行軟件，其中一個運行RTOS，另一個運行bare iron，同時完全隔離語音或視頻等QoS敏感的應用。這些都可以在不運行第二個內核的情況下實現。以下例子的使用模型已經部署在用于汽車和網絡的MIPS-Based多線程SoC中，證明了廣泛的應用都可以受益于多線程。

　　1.汽車駕駛輔助系統

　　多線程系統設計實際部署的第一個例子來自一家基于視覺的駕駛輔助系統(DAS)的SoC領先供應商。圖像和視頻分析在性能和成本方面的進步使這些技術開始進入消費市場。但是，對這類技術的不斷改進是一個非常艱巨的任務。例如，該SoC供應商使用了34K處理器的多線程功能，大幅提高了其視覺系統(原本基于單線程內核)的性能和效率，系統接收來自攝像頭的數據，查找圖像中的元素，生成車道偏離、前向碰撞、視覺/雷達融合及行人偵測等警告。

　　該SoC系統采用一系列圖像處理引擎作為外圍設備到主CPU總線的連接，以提供和接收實時數據。在這個系統中，大量的數據和指令從CPU傳輸到圖像處理引擎。伴隨著典型的指令緩存未中，這導致了單線程CPU無法解決的極具挑戰性的瓶頸。事實上，供應商的原始系統具有一個僅為0.3的IPC。新系統采用一個單線程架構，由于其性能要求很高，這意味著要么放慢整個系統，要么跳過數據處理，因而有可能導致錯誤。增加CPU時鐘速度更加劇了這一問題，因為這只是增加了處理器暫停的頻率。此外，增加的額外內核增加了總線競爭數量，從而影響了實時帶寬。

　　通過仿真，設計人員的結論是，一個多線程系統將通過管理整個系統包括8個圖像處理引擎的多個操作來性能提升。他們采用了一個4線程34Kf內核與8的圖像處理引擎互動。一個QoS管理器起到了調整和優化關鍵線程的重要作用。實際上，這種架構有助于將IPC從0.3提高到0.9。使用QoS管理器對IPC從0.6到0.9非常關鍵。此外，有了如此高的IPC，增加的CPU時鐘實現了顯著的改善。事實上，由于利用了其多線程和其他架構的改進，供應商只需將頻率從110MHz適度地增加至166MHz，同時維持3W的功耗(這是前一代產品的功耗)，就能夠實現其性能目標。此外，第二個34Kf內核的實例可以支持一個用戶的專有算法。在這兩個處理器線程之間的通信是通過對一個線程間通信塊的修改來實現的，這實際上有助于提高系統一致性。對于未來的系統，將要求更高的性能和更低的成本。該SoC供應商將會采用一個4內核1004Kf CPS，以確保設計能夠滿足這些目標。

　　2.寬帶CPE/住宅網關

　　住宅網關是另一個面臨日益集成的系統。寬帶客戶端設備已經發展到不僅是提供DSL、有線或PON等寬帶服務等基本接入的調制解調器設備。它們已成為集成式住宅網關或集成式接入設備，其中包括路由/交換、雙絞線/同軸/電源線/WiFi網絡功能、安全、USB和VoIP支持等，以及基本的調制解調器功能。某些架構還集成了存儲功能，其中的網關可作為媒體服務器使用。這種集成使網關系統的設計極具挑戰性，而多線程可以提高性能和/或改進這些設備的整體架構。

　　無線家庭網絡和寬帶接入半導體市場的全球技術領導廠商Ralink Technology已在網關中成功部署了多線程MIPS-Based SoC。ADSL IAD是Ralink的首個基于34K內核的芯片，目前已批量生產，并已成功部署在歐洲電信運營商的網絡中。多線程已被證明非常適合這個三網融合系統，因為它有助于更有效地運行多個應用。此外，通過使用VPE對時間敏感流量進行隔離是保證確定性響應的關鍵。該SoC采用一個34K內核和在兩個VPE上的四個線程。第一個VPE即VPE0執行三個線程，支持WLAN、以太網和USB處理，而第二個VPE即VPE1執行一個線程，支持ATM和VoIP。憑借這個架構，Ralink能夠以單個器件有效地提供確定性VoIP響應，支持多個應用。

　　本文小結

　　硬件多線程是一種已經成為主流的技術，今天有許多芯片供應商在為各種應用提供MIPS-Based多線程SoC。本文討論了網絡和汽車應用，而多線程可以用于任何具有很多并發任務，或者是QoS非常重要的系統。其他廠商已經實現了用于機頂盒、高端存儲和網絡基礎設施設備的MIPS多線程SoC。而一些評估已開始用于移動應用中使用的多線程，如智能手機和平板電腦。作為集成的通信、生產力和多媒體娛樂設備，這些設備的復雜性還在不斷增長。多線程將是有效處理多個移動應用(其中一些是延遲敏感的應用)的理想解決方案。當然，可以采用使用多個內核同時處理線程的強制方法，但是采用多線程是迄今為止實現IPC和/或QoS性能要求的一個更完美和成本更低的方法。通過提供支持硬件多線程的單內核和多內核產品，MIPS科技具備獨特的優勢，可幫助設計人員以非常具有成本效益的方式開發高性能和低功耗的SoC。