机载处理器向多核处理的方向发展,其推动力在于机载电子系统对机载计算机的性能和性能功耗比的需求不断提升。而自从处理器问世以来,微体系结构的研究已经日趋成熟,通过改进微体系结构提升计算机的性能和性能功耗越来越困难;同时,受限于硅片的物理特性,频率的提升已经遇到了瓶颈。因此,利用处理器内部晶体管的密度仍然符合摩尔定律(即集成电路的集成度每18个月要翻一番)的特点,提升处理器的并行处理能力已成为提高处理能力的主要方式,而多核并行处理作为并行处理的方式之一,经过十几年的发展,成为近年来提高处理器处理能力的重要措施。图1所示为处理器诞生以来的晶体管数量、频率、功耗、性能频率比的发展示意图。
图1处理器诞生以来晶体管数量、频率、功耗、性能频率比的发展
除此之外,由于在同等条件(包括生产工艺和使用条件)下,芯片的功耗与晶体管的数量成正比,与频率的平方成正比。因此,多核处理器不仅提升了集成度,而且能够取得更高的性能功耗比,能够以较低的功耗和体积代价,显著的提升系统的处理性能,非常适合机载计算机这类对体积、重量和功耗有严格限制的系统。
多核处理器在航空电子系统的应用的挑战,除面临存储墙、并行算法执行、核间互操作与通信等嵌入式系统开发常见问题外,还要解决机载计算机系统对实时性、安全性的需求。
当前,虚拟化技术为该问题的解决提供了可能,如图2所示。
图2虚拟机与虚拟机管理器
虚拟化技术能够将处理器划分为多个虚拟机(VirtualMachine),而每个虚拟机就等同于一个运行在完全隔离系统中的计算机系统,拥有独立的运行资源和完整的硬件功能,能够满足应用、操作系统运行的需要。
管理硬件资源、根据系统配置为虚拟机提供运行资源并管理虚拟机的软件称之为虚拟机管理器(Hypervisor),是虚拟化技术中的关键技术。机载计算机虚拟化技术的特殊之处是需要解决了多核处理的实时性、安全性问题。只有这样,才能够将多个应用映射到处理器的多个核中互不影响的运行,在机载计算机中发挥多核处理器高性能、高性能功耗比和高集成度的优点。
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