? ? ?多核存儲(chǔ)的優(yōu)化十分重要，在汽車(chē)嵌入式領(lǐng)域很多CPU的主頻已經(jīng)足夠高了，為何其計(jì)算能力始終存在缺口，其中一個(gè)原因就是多核存儲(chǔ)分配不合理，導(dǎo)致CPU訪存時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，訪存操作的等待時(shí)延浪費(fèi)了CPU的計(jì)算能力。多核存儲(chǔ)的優(yōu)化涉及的內(nèi)容頗多，需要考慮芯片的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，尋址機(jī)制/執(zhí)行模式，Cache機(jī)制，編程設(shè)計(jì)的規(guī)范，操作系統(tǒng)和編譯鏈接等等。本篇先從硬件談起吧。

? ??一、?Chip Memory?layout

? ? ?芯片的存儲(chǔ)分布主要影響的是不同核心對(duì)不同存儲(chǔ)區(qū)域的訪問(wèn)效率，我們遵循的原則很簡(jiǎn)單就是就近原則。如下圖所示，通常多核芯片中每個(gè)核心上都會(huì)有臨近的RAM或者PFLASH，甚至設(shè)計(jì)專(zhuān)用的總線訪問(wèn)提高效率。這種情況下Core0訪問(wèn)RAM0和RAM1/RAM2的時(shí)間是不一樣，因此一個(gè)基本的原則就是全局符號(hào)的存放應(yīng)該考慮不同核心的訪問(wèn)時(shí)延，同時(shí)全局變量應(yīng)該盡可能的減少核間共享，減少為了保護(hù)數(shù)據(jù)一致性，帶來(lái)額外的性能損失。車(chē)載嵌入式領(lǐng)域的控制器（不包括娛樂(lè)系統(tǒng)和智能駕駛系統(tǒng)）代碼通常存儲(chǔ)在PFLASH上，并在PFLASH上直接執(zhí)行不需要額外加載到RAM中執(zhí)行，代碼在存放和全局變量的存放一樣，同樣需要考慮不同核心取指的效率，不同核心運(yùn)行的邏輯盡量獨(dú)立，代碼存儲(chǔ)靠近其運(yùn)行核心。

???? 我們知道讓一個(gè)多核系統(tǒng)禁止跨核訪問(wèn)是不可能也不合理，畢竟有很多業(yè)務(wù)邏輯涉及多核任務(wù)的并行與同步，這種情況下如何考慮變量和代碼的存放？

這個(gè)我們會(huì)在后續(xù)章節(jié)討論。

????二、 Cache

????此處為何把Cache單列一節(jié)，是因?yàn)镃ache在提升CPU執(zhí)行效率方面真的十分重要，但是常常被算法工程師和系統(tǒng)工程師忽略，是一位真正”無(wú)名英雄“。嵌入式芯片和個(gè)人電腦采用的芯片存儲(chǔ)設(shè)計(jì)上都是采用層次化的結(jié)構(gòu)，以期達(dá)到性?xún)r(jià)比最高的組合。傳統(tǒng)的車(chē)載嵌入式控制器一般就到SRAM這一層，不會(huì)有DRAM和硬盤(pán)。這樣層次化設(shè)計(jì)的原理是程序執(zhí)行的局部化原理，包括空間局部化和時(shí)間的局部化。程序在執(zhí)行過(guò)程中，對(duì)其代碼和變量的訪問(wèn)并不是”雨露均沾“，而是呈現(xiàn)局部性。Cache的引入就是為了緩存這些被CPU頻繁訪問(wèn)的代碼和數(shù)據(jù)，減少主存的訪問(wèn)，提高執(zhí)行效率。Cache的實(shí)現(xiàn)為了做到盡量和CPU同頻，因此都是硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。代碼的cache和數(shù)據(jù)的cache可以合并也可以獨(dú)立，當(dāng)前主流的車(chē)載嵌入式芯片程序和數(shù)據(jù)的cache還是獨(dú)立的居多。

??? Cache不是免費(fèi)的午餐，它并不能保證每次訪問(wèn)主存/PFLASH都能在Cache行中命中，如果沒(méi)有命中還是需要再到主存/PFLASH去取數(shù)據(jù)/代碼，如何讓你的程序具有更高的Cache命中率，這是算法工程師需要考慮的事情。

這個(gè)我們會(huì)在后續(xù)章節(jié)繼續(xù)討論。

????三、尋址機(jī)制/執(zhí)行模式

????芯片通常具有不同尋址和執(zhí)行模式，典型就是ARM的芯片，具有ARM指令模式和thumb指令模式，此外還有九種的尋址模式

• 立即尋址

• 寄存器尋址

• ?寄存器偏移尋址

• 寄存器間接尋址

• ?基址尋址

• ?多寄存器尋址

• ?堆棧尋址

• ?塊拷貝尋址

• ?相對(duì)尋址

?當(dāng)然并不是所有的芯片都是如此，我們關(guān)注一些共性的東西，比如立即尋址模式，當(dāng)然有些也叫做絕對(duì)尋址模式，這種尋址模式的優(yōu)點(diǎn)是可以一條指令實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)，執(zhí)行效率高。此處需要注意的是，有些芯片它并不是所有的地址空間都支持立即尋址，有些只支持芯片低地址空間幾十K區(qū)域，還需要考慮編譯器的鏈接腳本，如果你的編譯器無(wú)法主動(dòng)優(yōu)化尋址方式。鏈接器的工作原理是我們實(shí)現(xiàn)多核存儲(chǔ)優(yōu)化的關(guān)鍵，若想利用工具自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多核存儲(chǔ)優(yōu)化，鏈接器的知識(shí)必須要有一定的了解。

四、優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定

? ? 傳統(tǒng)汽車(chē)嵌入式控制器采用的操作系統(tǒng)幾乎全是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RealTime Operating System），部分功能簡(jiǎn)單的控制器甚至可能在“裸奔”。車(chē)載嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的典型特征就是基于優(yōu)先級(jí)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，操作系統(tǒng)的任務(wù)均是預(yù)先靜態(tài)配置，不支持動(dòng)態(tài)創(chuàng)建任務(wù)。這樣的操作系統(tǒng)雖然不如復(fù)雜操作系統(tǒng)例如Linux靈活，但是其卓越的確定性和實(shí)時(shí)性，確實(shí)更好的符合車(chē)輛功能安全。

?????操作系統(tǒng)管理控制器系統(tǒng)的軟硬件資源，任務(wù)是操作系統(tǒng)調(diào)度管理的對(duì)象，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)CPU的計(jì)算資源，CPU執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程是對(duì)任務(wù)對(duì)應(yīng)代碼的加載，翻譯和執(zhí)行，代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在CPU之外，因此CPU可能需要花費(fèi)比純粹執(zhí)行指令本身更長(zhǎng)的時(shí)間去加載指令和數(shù)據(jù)，P-Cache和D-Cache就是為了優(yōu)化這個(gè)訪存路徑而引入。操作系統(tǒng)與多核存儲(chǔ)的關(guān)系就是體現(xiàn)在一次一次周期性的訪存過(guò)程中，除了非周期的中斷以及不可預(yù)測(cè)的外部觸發(fā)，我們基本可以根據(jù)操作系統(tǒng)對(duì)任務(wù)的調(diào)度周期，層層分解最終確定每一個(gè)函數(shù)和每一個(gè)變量在不同核上的訪問(wèn)頻率。

一個(gè)多核系統(tǒng)中如何考慮變量和代碼的存放？關(guān)鍵在于構(gòu)造一個(gè)存儲(chǔ)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，基于目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化迭代，最終達(dá)到特定邊界條件下的最優(yōu)結(jié)果。萬(wàn)丈高樓平地起，多核存儲(chǔ)優(yōu)化分解到最后就是對(duì)每一個(gè)函數(shù)和全局變量的優(yōu)化。

五、優(yōu)化目標(biāo)計(jì)算

此處我們以一個(gè)變量的優(yōu)化為例，討論多核存儲(chǔ)優(yōu)化的基本思想。假設(shè)變量X被三個(gè)核訪問(wèn)，每個(gè)核心對(duì)X變量訪問(wèn)的頻率如下?

變量	Core0 -f0	Core1 -f1	Core2-f2
x	100Hz	20Hz	50Hz

在特定的硬件平臺(tái)上通過(guò)測(cè)試可以獲取到不同核心對(duì)不同存儲(chǔ)區(qū)域訪問(wèn)的時(shí)鐘周期，假設(shè)參數(shù)如下

核心	RAM0-t0	RAM1-t1	RAM2-t2	Shared?RAM-ts
Core0	2	10	10	20
Core1	10	2	10	20
Core2	10	10	2	20

在這種理想的假設(shè)條件下，我們可以設(shè)定目標(biāo)函數(shù)，在單位時(shí)間內(nèi)不同核心對(duì)變量X的訪問(wèn)，累計(jì)消耗時(shí)鐘周期最小的存儲(chǔ)方案。

X存儲(chǔ)區(qū)域	Core0	Core1	Core2	Sum
RAM0	100*2	20*10	50*10	900
RAM1	100*10	20*2	50*10	1540
RAM2	100*10	20*10	50*2	1300
Shared RAM	100*20	20*20	50*20	3400

我們可以通過(guò)解析工程的源代碼，并根據(jù)操作系統(tǒng)的調(diào)度策略確定函數(shù)和全局變量在不同核心的訪問(wèn)頻率，但是聰明的你一定會(huì)發(fā)現(xiàn)這種靜態(tài)的解析方式并不全面，因?yàn)檫@種方式無(wú)法覆蓋通過(guò)指針訪問(wèn)的形式。因此通過(guò)調(diào)試器（例如勞特巴赫或者UDE等）獲取不同函數(shù)和變量在真實(shí)硬件上被訪問(wèn)的頻率，可以作為有效的補(bǔ)充方式，二者整合后的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確可靠。

六、優(yōu)化實(shí)施與驗(yàn)證

? ? 當(dāng)我們經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，確認(rèn)X變量存放在RAM0是最優(yōu)的方案，我們需要進(jìn)行驗(yàn)證。函數(shù)和全局變量的存放最終需要通過(guò)鏈接定位到指定的存儲(chǔ)區(qū)域，大概過(guò)程如下圖。

???? 經(jīng)過(guò)編譯鏈接，我們會(huì)得到優(yōu)化后的軟件，此時(shí)我們將軟件刷入控制器，觀察每一個(gè)核心上CPU負(fù)載率，與優(yōu)化前各個(gè)核心上COU的負(fù)載量對(duì)比，驗(yàn)證優(yōu)化的效果。? ?

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的AUTOSAR从入门到精通100讲（六）-Multicore-多核存储优化的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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