成為市場領(lǐng)先產(chǎn)品的新系統(tǒng)設(shè)計(jì)是創(chuàng)新的結(jié)果，不僅是進(jìn)化和革命性的，而且是優(yōu)雅、易于使用和高質(zhì)量的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。市場調(diào)查、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和客戶小組都有精確的進(jìn)化設(shè)計(jì)概念的跟蹤記錄；然而，革命性的概念更加難以捉摸，因?yàn)檫M(jìn)化的客戶傾向于以基于現(xiàn)有事物的線性方式思考。革命性的概念通常來自能夠看得更遠(yuǎn)的企業(yè)家或能夠設(shè)想更好的前進(jìn)方向的一小部分客戶。

根據(jù)全球數(shù)百個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我得出的結(jié)論是，革命性和進(jìn)化性產(chǎn)品都需要強(qiáng)大的系統(tǒng)工程努力。與具有明確定義和嚴(yán)格設(shè)計(jì)工作流程的產(chǎn)品開發(fā)和制造不同，電子和嵌入式實(shí)時(shí)軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍處于起步階段。

許多懸而未決的問題已經(jīng)產(chǎn)生了大量的方法和工具來配合這些方法。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師應(yīng)該使用自上而下還是自下而上的設(shè)計(jì)風(fēng)格？集中式或分布式處理方法是最佳方法嗎？是否需要對(duì)稱或非對(duì)稱拓?fù)?？?dòng)力或速度是駕駛標(biāo)準(zhǔn)嗎？這些問題的答案，以及更多，可以導(dǎo)致一個(gè)概念框圖，開始設(shè)計(jì)過程，導(dǎo)致設(shè)計(jì)規(guī)范。

許多計(jì)算機(jī)科學(xué)家認(rèn)為，內(nèi)存帶寬是限制當(dāng)今處理器性能的主要問題之一，尤其是隨著多核處理器芯片和多執(zhí)行單元 CPU 的發(fā)展。處理器內(nèi)核和指令流水線經(jīng)常停止等待指令或數(shù)據(jù)緩存訪問。程序員認(rèn)為，最小化程序變量將減少內(nèi)存訪問并提高性能，而芯片設(shè)計(jì)人員通過使用 I1、D1、L2、L3、SDRAM 和磁盤內(nèi)存結(jié)構(gòu)向處理器內(nèi)核添加更多內(nèi)存通道來不斷提高內(nèi)存帶寬。在許多方面，這是基于原始馮諾依曼計(jì)算機(jī)架構(gòu)的線性思維。

可以考慮在兩個(gè)處理器內(nèi)核上運(yùn)行單線程程序代碼，并在每個(gè)內(nèi)核上使用寄存器。這將從緩存中讀取/寫入的變量數(shù)量減少到 16 個(gè)變量，或者緩存訪問減少 66.6%，這會(huì)消耗更多功率并需要更多周期。例如，每個(gè)內(nèi)核都需要訪問其他處理器內(nèi)核的寄存器集。此外，許多程序都有緊密的循環(huán)來處理應(yīng)用程序關(guān)鍵信息，如果一個(gè)單線程程序在兩個(gè)內(nèi)核上運(yùn)行，那么每個(gè)內(nèi)核是否可以同時(shí)處理這個(gè)應(yīng)用程序關(guān)鍵循環(huán)的偶數(shù)/奇數(shù)流？循環(huán)外的順序單周期指令可以同時(shí)在不同的內(nèi)核上執(zhí)行嗎？雖然這種方法可能存在許多與雙核相關(guān)的問題，

一種解決方案是系統(tǒng)級(jí)雙核與單核模型，假設(shè)每 1，010 條指令有 80% 的整數(shù)指令和 20% 的浮點(diǎn)指令，包括十個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)有 1，000 條指令。為了簡化分析，假設(shè)沒有先前的指令依賴；但是，這可以通過額外的一天的努力來添加。

圖 1：雙核與單核模型。

該模型用于確定讓編譯器向雙核配置發(fā)出指令的有效性，并在性能和功耗方面利用每個(gè)內(nèi)核上的額外寄存器。首先，添加兩個(gè)塊以根據(jù)執(zhí)行順序以助記指令數(shù)組的形式生成可執(zhí)行二進(jìn)制文件。接下來，添加了兩個(gè)具有四級(jí)流水線的標(biāo)準(zhǔn)庫模塊，包括用于設(shè)置每條指令周期的通用指令集模塊。Power_Manager 添加了估計(jì)的功耗（以毫瓦為單位），基于待機(jī)、活動(dòng)、等待和空閑電源狀態(tài)。

圖 2：電源管理器配置。

圖 3：單核模型圖。

圖 4： ID 雙核模型圖。

雙核與單核模型為許多問題提供了答案，包括這種方法的理論性能/功率改進(jìn)可能是什么？從結(jié)果來看，性能好于預(yù)期，即雙核配置需要6370個(gè)周期才能完成一個(gè)線程，而單核配置需要17160個(gè)周期才能完成一個(gè)線程。雙核配置完成線程的速度提高了 63%，而常識(shí)表明它完成線程的速度可能會(huì)提高 50%。在功耗方面，兩種配置大致相同。因此，系統(tǒng)級(jí)建模能夠生成結(jié)果，表明單線程的雙核指令同步執(zhí)行比相同功率級(jí)別的單核快 63%。

審核編輯：郭婷