Hardware Synchronization for Embedded Multi-Core Processors

Abstract — Multi-core processors are about to conquer embedded systems — it is not the question of whether they are coming but how the architectures of the microcontrollers should look with respect to the strict requirements in the field. We present the step from one to multiple cores in this paper, establishing coherence and consistency for different types of shared memory by hardware means. Also support for point-to-point synchronization between the processor cores is realized implementing different hardware barriers. The practical examinations focus on the logical first step from single- to dual-core systems, using an FPGA-development board with two hard PowerPC processor cores. Best- and worst-case results, together with intensive benchmarking of all synchronization primitives implemented, show the expected superiority of the hardware solutions. It is also shown that dual-ported memory outperforms single-ported memory if the multiple cores use inherent parallelism by locking shared memory more intelligently using an address-sensitive method. I

Implementation and performance of synchronization methods for dual-core engine control-systems

Zsfassung in dt. SpracheMehrere parallele Prozessorkerne sind auch bei den eingebetteten Systemen im Anmarsch - die Pläne von führenden Halbleiterherstellern bezeugen dies: es ist nicht die Frage ob sie kommen sondern vielmehr wie die Architekturen der Mikrocontroller unter Berücksichtigung der strengen Anforderungen im Automobilsektor aussehen sollen. In dieser Diplomarbeit wird der Schritt von einem zu mehreren Prozessorkernen unternommen, unter Verwendung von Mechanismen in Software und Hardware wird Kohärenz und Konsistenz von unterschiedlichen Typen von geteiltem Speicher hergestellt. Auch Unterstützung für Punkt-zu-Punkt Synchronisation zwischen den Prozessorkernen wird durch verschiedene implementierte Methoden realisiert. Obwohl der theoretische Ansatz mithilfe von Simulationen unabhängig von der Anzahl der Prozessorkerne ist konzentrieren sich die praktischen Untersuchungen auf den logischen ersten Schritt von einem Ein- zu einem Zweikernsystem, unter Verwendung einer FPGA-Entwicklungsplatine mit zwei PowerPC-Prozessorkernen.Resultate des besten und schlechtesten Falles zeigen, zusammen mit intensiven Vergleichstests aller implementierten Synchronisationsprimitiven, die erwartete Überlegenheit der Hardwarelösungen. Es wird auch gezeigt wie ein Speicher mit zwei Ports einem Speicher mit nur einem Eingang überlegen ist, falls die mehreren Prozessorkerne inhärente Parallelität unter Verwendung einer in dieser Diplomarbeit vorgestellten Methode zur Speicherreservierung intelligenter nutzen. Allein eine simple globale Reservierung des gesamten geteilten Speichers verhindert eine parallele Nutzung grundsätzlich. Im schlimmsten Fall degeneriert die Performanz eines Speichers mit mehreren Ports zu der eines Speichers mit nur einem Eingang, doch die Bedingungen die zu diesem schlimmstmöglichen Fall führen scheinen für Anwendungen in der Praxis nicht realistisch zu sein.Multiple parallel processing cores are about to conquer embedded systems as well - the roadmaps of leading semiconductor companies certify this: it is not the question of whether they are coming but how the architectures of the microcontrollers should look in respect to the strict demands in the automotive sector. In this thesis the step from one to multiple cores is presented, establishing coherence and consistency for different types of shared memory by soft- and hardware means. Also support for point-to-point synchronization between the processor cores is realized implementing different methods. Though the theoretical approach using simulations is independent of the number of processing units, the practical examinations focus on the logical first step from single- to dual-core systems, using an FPGA-development board with two hard PowerPC - processor cores. Best- and Worst-case results, together with intensive benchmarking of all synchronization primitives implemented, show the expected superiority of the hardware solutions. It is also shown that dual-ported memory outperforms single-ported memory if the multiple cores use inherent parallelism by locking shared memory more intelligently using a locking-method developed in this thesis.Simple global locking of the whole shared memory alone prevents any parallel access on principle. In the worst case multiple-ported memory degenerates in performance to single-ported memory. However, the conditions that must be fulfilled for this worst case to occur do not seem to be realistic for practical applications in the field.12