关于异构系统架构（HSA）你需要知道这些

OPTION_5:HP

2000年以前，个人计算机(PC)通常只有一颗使用者可编程的处理器──也就是中央处理器(CPU)；多年

来有许多添加不同种类处理器的尝试，但一直到绘图处理器(GPU)发明，异构多任务处理技术才成为PC

市场的常见功能。

从 那时候开始，PC与类PC设备如平板计算机、智能手机内的处理器数量与种类快速增加；今日所谓

的系统单芯片(SoC)处理器，通常包括一个支持音频、数据 机与多媒体处理的数字信号处理器(DSP)，

一个加速摄影机相关运作的影像信号处理器，以及支持传感器融合、数据通信与数据储存的其他专用

处理器。

多任务处理被多家不同的供应商导入成为PC平台的特色；因为操作系统开发商并没有提供必备的架构

支持，那些供应商被迫在继承自较简易外围设备的驱动程序模型内运作。其最大的限制在于需要CPU协

调主处理器与各个协同处理器本地内存之间的数据传输与指令。

随着协同处理器的数量与重要性提升，这种以CPU为中心的解决方案变得很不方便，有太多潜在性能在

那些不必要的协调任务中被浪费，也会因为需要在多个实体与虚拟地址空间之间转译而产生太多错误

与安全性弱点。

因 此──虽然时间有点迟──相关解决方案应运而生，而被认为最全面的起点是AMD在2011年推出的

融合系统架构(Fusion System Architecture，FSA)；FSA演变成今日的异构系统架构(Heterogeneous

System Architecture，HSA)规格，由HSA基金会负责维护。HAS基金会包括7家创始成员(除AMD之外，

包括ARM、Imagination、联发科、 Qualcomm、Samsung与TI)，还有42家一般会员，分成数个小组。

HSA基金会在2015年公布了1.0版的HSA规格，并于同年12月出版了一本题为《异构系统架构──全新

的运算平台基础架构(Heterogeneous System Architecture -- A New Compute Platform

Infrastructure)》的书籍，详述了该规格的背景与实作建议，由美国伊利诺大学香槟分校

(University of Illinois at Urbana-Champaign)的Wen-Mei W.编辑。

HSA最重要的功能(笔者认为)，是系统中所有的 HSA处理器(代理/agent)采用单一内存模型(single

memory model)、单一排队模型(single queuing model)以及单一伪指令集；此外针对抢占

(preemption)与本文切换(context switching)也有一些标准化。

但 基本上不同种类的处理器(例如CPU与GPU)，会有程度不等的本文切换延迟，使其不可能延伸单一本

文切换模型以适应每一种HSA代理。还有许多附加功能 建立在那些基础上：原子内存(atomic memory)

运作标准、例外状况处理(exception handling)、除错、执行时期应用程序编程接口(runtime APIs)

等等。

HSA的内存模型也值得详述；该规格 将在竞争CPU、系统与操作系统供应商影响下独立发展的内存子系

统之许多特性标准化，展望未来，那些设计与编程HSA代理的厂商会需要在虚拟寻址 (virtual

addressing)、连贯性与一致性支持单一组规则，不同于今日相互矛盾、混淆、错误诱导的混杂定义。

身 为一位花费多年时间提倡架构现代化的工程师，我赞赏HSA基金会的进展，但我认为仍有进一步改

善的空间(而且相当充裕)；特别是当闪存被发明出来， 我认为传统上对于“内存”与“储存”的定义

已经过时，但PC产业仍固执地抵制一些在其他运算应用领域被证实已经成功的想法。

在上述的HSA新书中也有些未提及的议题，并非只有CPU、GPU与DSP等类型的处理器可能在PC中应用，

例如FPGA正成为PC与高性能运算都有兴趣的方案；但是到目前为止HSA还是着重在CPU、GPU与DSP这些

类型的处理器。

此 外系统架构虽定义了系统安全性的限制，但安全性完全未在此书中提及──至少那个名词并没有出

现在书籍的目录中。令人遗憾的现实是，HSA会产生像是那些像是在CPU上的病毒那么危险的、寄生在

GPU病毒，系统配置者应该被教育如何将这些新的威胁最小化，但此书并不能提供协助。

最 后作为一位独立评论者，我必须指出显而易见的一点：英特尔(Intel)不支持HSA (特别声明，我个

人与英特尔并没有业务上的合作关系，也不是HSA基金会的成员)。英特尔在全球PC市场的占有率高达

八成，对于共享虚拟内存以及其他一 些HSA的元素有他们自己的实作方法。基于纯粹实用主义的理由

，这一点可能有助于HSA基金会解释其解决方案的差异性与优越性所在。

对 此我曾询问过HSA基金会主席John Glossner，他表示(在HSA基金会的官网上也有说明)，目前市场

上大多数对HSA的关注是来自于移动平台供应商，虽然也很欢迎英特尔加入，该公司 在移动设备市场

的能见度并不高，只有一些例如Win 10平板计算机等数量相对很少的利基产品，因此英特尔的缺席并

不会对HSA的广泛采用造成障碍。

Glossner 进一步解释，1.0版HSA规格的主要目标是协助供应商利用自己的IP、“从上到下”在平台上

布置HSA；那些供应商通常对于那类议题关注较少，因为他们 掌控设计的所有元素，而且对于以标准

为基础的特殊应用共同处理器兴趣更高。而正在开发中的1.1版HSA规格，将有助于来自不同供应商的

IP整合到个别 SoC方案；在这样的环境中，安全性、字节序(endianness)等等类似的问题将需要更进

一步的关注。

编译：Judith Cheng

本文授权编译自EE Times，版权所有，谢绝转载

关注最前沿的电子设计资讯，请关注“电子工程专辑微信公众号”。