機載多核處理器在航空電子系統的應用——高性能功耗比、高集成度

機載處理器向多核處理的方向發展,其推動力在於機載電子系統對機載計算機的性能和性能功耗比的需求不斷提升。而自從處理器問世以來,微體系結構的研究已經日趨成熟,通過改進微體系結構提升計算機的性能和性能功耗越來越困難;同時,受限於硅片的物理特性,頻率的提升已經遇到了瓶頸。因此,利用處理器內部晶體管的密度仍然符合摩爾定律(即集成電路的集成度每18個月要翻一番)的特點,提升處理器的並行處理能力已成為提高處理能力的主要方式,而多核並行處理作為並行處理的方式之一,經過十幾年的發展,成為近年來提高處理器處理能力的重要措施。圖1所示為處理器誕生以來的晶體管數量、頻率、功耗、性能頻率比的發展示意圖。

機載多核處理器在航空電子系統的應用——高性能功耗比、高集成度

圖1 處理器誕生以來晶體管數量、頻率、功耗、性能頻率比的發展

除此之外,由於在同等條件(包括生產工藝和使用條件)下,芯片的功耗與晶體管的數量成正比,與頻率的平方成正比。因此,多核處理器不僅提升了集成度,而且能夠取得更高的性能功耗比,能夠以較低的功耗和體積代價,顯著的提升系統的處理性能,非常適合機載計算機這類對體積、重量和功耗有嚴格限制的系統。

多核處理器在航空電子系統的應用的挑戰,除面臨存儲牆、並行算法執行、核間互操作與通信等嵌入式系統開發常見問題外,還要解決機載計算機系統對實時性、安全性的需求。

當前,虛擬化技術為該問題的解決提供了可能,如圖2所示。

機載多核處理器在航空電子系統的應用——高性能功耗比、高集成度

圖2 虛擬機與虛擬機管理器

虛擬化技術能夠將處理器劃分為多個虛擬機(VirtualMachine),而每個虛擬機就等同於一個運行在完全隔離系統中的計算機系統,擁有獨立的運行資源和完整的硬件功能,能夠滿足應用、操作系統運行的需要。

管理硬件資源、根據系統配置為虛擬機提供運行資源並管理虛擬機的軟件稱之為虛擬機管理器(Hypervisor),是虛擬化技術中的關鍵技術。機載計算機虛擬化技術的特殊之處是需要解決了多核處理的實時性、安全性問題。只有這樣,才能夠將多個應用映射到處理器的多個核中互不影響的運行,在機載計算機中發揮多核處理器高性能、高性能功耗比和高集成度的優點。


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