嵌入式硬件多线程处理器设计与多线程机制
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嵌入式硬件多线程处理器设计与多线程机制
作者：马雪
来源：《电子技术与软件工程》2015年第21期
摘 要 本文详细探讨了在同时利用多线程技术过程中，所涉及的硬件多线程设计处理器，同时借助处理器内的硬件机制对多线程调度进行适当的管理，试图实现将硬件时间片轮询作为最基本的内容的多线程处理器调度机制，提升处理器的实施用户所拥有的线程效率，尽可能的简易化操作，对多线程工作环境中的线程起到一定保护作用。
【关键词】多线程处理器 嵌入式 设计 多线程
当前我国大部分船舶设备单位嵌入式系统，所包含的多线程调度基本上是借助软件实现的，使用操作系统来对线程调度进行管理存在一定缺陷，如系统进行时间片轮询切换过程中可能消耗大量时间，导致处理器的实施用户不具备高效率，另外，大部分的嵌入式处理器在硬件上都没有设置完善的环境保护机制，导致多线程程序在运行过程中很容易出现安全隐患，或者是用户在对多线程编程进行开发的过程中，需要按照系统函数和编程来对一些复杂问题进行解决，操作有一定难度。因此，对多线程调度进行适当的管理具有非常重要的意义。
1 嵌入式的硬件多线程处理器如何设计
当前芯片集成技术以及处理器的设计水平都在不断地发展和进步，不同的逻辑处理器都能在单一的处理器上进行实现，这也为硬件的多线程并发运行创造了良好的条件，针对嵌入式的系统来说，它的设计必须要充分估计到成本以及复杂程度两方面。在本文当中描述的同时多线程拥有单一的执行内核，它将传统的处理核心作为基础，拓展出一个借助硬件逻辑来完成控制的调度管理系统电路，来完成在硬件层面上的多线程调度作用。
另外，在处理器中线程调度单元中，能够将外存中的指令代码按照一定的顺序放置于待执行的线程列当中，与此同时按照时间片的顺序将其中的指令代码按照次序传送到执行单元当中进行执行。这种处理器的环境之下，每一个线程都能够受到硬件的控制，而且能够在自身的时间片当中使用处理器中的资源。在某个特别的时间段当中，只能有一个单一的线程存在并对资源进行应用。这种形式的处理器具备比较好的处理器内核，不但降低了设计的复杂性，它所实现的处理范围比起同等级的处理器来说没有明显的增加，由此我们可以认为，借助同时多线程技术可以在最大程度上让操作系统软件不会过多参与，降低成本，并且完成单一处理器的芯片系统当中多线程的操作。
对多线程处理器中硬件进行调度控制主要是硬件多线程处理器方面的结构设计以及存储器的资源保护还有指令节拍状态的设计等。
2 如何实现嵌入式的硬件多线程具体执行机制 龙源期刊网
2.1 多线程机制
对于硬件结构来说，同时多线程这种技术大部分情况下其处理器都只能存在于处理器的单一核心当中，执行多线程主要依据的是单位时间片的顺序调度，实现多种不同的线程方法，在不同的单位时间片处理器会按照一定次序来完成指令、调整工作时间，同时保护工作的环境等。
另外，在处理器进行空间指令的执行流程当中，一部分内部资源是没有必要一直进行使用的，像在通用寄存器当中的资源一般只需要在处理器WB节拍以及EX节拍当中才会得到应用。由此我们可以认为，必须要适当地安排操作的次序，还要在硬件的结构当中设置一个缓冲寄存器，在处理器运行当中顺利执行当前的线程，对下一线程的工作空间进行适当的恢复与保护。
对各个线程运作的空间进行保护的系统主要是由寄存器构成的，它可以通过在处理器的内部对同等资源进行反复的设定，将分散资源在页内进行全面实现，如果处理器需要切换线程就可以通过换页来完成切换。资源分页符需要借助处理器当中的选择器来形成线程号，在具体的实现过程中怎样能够将操作的过程在最短时间内依次运作完成也是比较重要的问题。
目前在我国的船舶设备研究试验行业当中，对工作环境进行保护的方式大多都是在多线程的运行环境当中寻求处理器对寄存器以及存储器的保护，通常依靠这样的两种方法来完成，其中之一是对页面进行适当管理的方法，另一个是资源的迅速切换。
2.2 选择线程模块
通过同时多线程这种技术得以实现的线程处理器，它的每一个硬件线程当中都存在着比较特殊的标志，依照这些线程号就能够对处理器内部各个硬件的线程进行适当的区分，在当前获取执行线程号可以借助对控制器进行查询，获取其最高的三位数。
执行线程的时候，选择器可以很好地控制线程的执行顺序，它的主要工作原理如图1。
图1所示的选择器当中存在一个选择线程的阵列，它输出端所输出的内容是在下一个时间单位片上需要进行运作的线程号；另外，在控制线程的寄存器当中记录的内容是在当前的运作环境下被成功激活的线程，借助该寄存器可以很好地提供出一个对处理器进行控制的线程接口。面对当前我国的船舶设备行业的不断发展和进步，嵌入式的硬件多线程技术也逐渐得到了普及，特别是在对水声信号进行分析的情况下，但是需要注意的是，在不同的环境下它也有不同的利用方式，这还需要进行更加全面系统的分析。
3 结语 龙源期刊网
总的来说，在本文当中进行详细探讨的内容主要是通过硬件的控制来进行多线程调度具体的方式，在多线程的背景下，硬件处理器能够拥有非常高效的执行力，不过想要对其性能进行系统评价，还需要将多种影响因素进行综合，以此为依据来进行。
参考文献
[1]汪汝.对嵌入式硬件多线程处理器的研究[J].硅谷，2014（20）.
[2]张文波，苑凌娇，谭小波，付立冬.嵌入式多线程处理器的执行控制设计方法的研究[J].沈阳理工大学学报，2012（04）.
作者简介
马雪（1989-），男，云南省玉溪市人。大学本科学历。现供职于昆明船舶设备研究试验中心。研究方向为嵌入式系统。
作者单位
昆明船舶设备研究试验中心 云南省昆明市 650051
