网络应用微处理器的演变
不同的市场相同的设计
内部CPU结构和微处理器外部连接的技术推动力,在以往一直是工作站、微机、服务器等主流计算装置。通信是与计算机差别很大的一种应用,但微处理器结构尚未适应通信发展的需要。
目前的网络设备中所使用的微处理器当初是为工作站设计的。事实上,绝大多数第一代联网设备与工作站非常相似,只是具有不同的包装和单一应用要求。在微机中,CPU与控制器层和I/O层或线路卡相连接。早期的路由器仅仅是具有网络接口的计算机,该接口将来自物理层的电信号转换成包数据。因此,微处理器负责执行所有联网功能,包括运行操作系统、管理网络及决定包路由。
随着网络速度的增加和功能超越交换与路由选择的范畴,此I/O层就需要更高的智能程度。在高线路速率下由处理器进行路由选择的同时,发送每个包给处理器并执行网络作业已不再可能。CPU已经超载,以ASIC或FPGA形式的特种电路被设计为协助微处理器完成包处理。此时,网络设备内的处理已被分成控制平面和数据平面两类,操作系统和网络应用驻留在控制平面内,数据平面负责包数据的分析和操作。
在现代网络设备中,一个处理器用于运行操作功能,而其他分布式处理器则起着数据平面内的辅助作用。然而事实依然是,当前一代设备中使用的所有处理器均为针对计算机而非网络应用而设计和优化,这就使得系统设计者不得不在控制平面和数据平面内使用同类CPU和CPU互联。此CPU设计在诸如OC-3和OC-12的较低线路速率下是高效率的。举例来说,PMC-Sierra的RM7000微处理器,目前用于思科公司的7000系列路由器的数据路径,以线速进行包处理。
尽管控制平面处理可由计算机式微处理器高效率地完成,OC-48及更高线路速率和不断提高的包处理功能要求,在传统微处理器的能力和数据平面的需求间造成差距,这种差距导致了称为“网络处理器”的新处理解决方案的问世。
图形处理指明了方向
联网用微处理器的演变与图形行业中微处理器的演变是类似的。随着显示器要求更多的图形功能且显示分辨率按几何级数增长,修改ASIC的速度就落后于形势的要求。此时,为了提供更佳的图形性能和满足最新标准,人们推出了可编程图形解决方案。当时通用型CPU被要求处理高速重复性比特水平作业,这对于微处理器来说并非所长。此类解决方案最终在市场中落败了,这是因为配备高速ASIC的快速CPU成本较低且速度更快。如此一来,新一代ASIC和软件功能的标准化,就成了取代可编程图形引擎的主要原因。
今天的通信市场面临着类似情况。我们目前正处于网络应用微处理器开发的第二个阶段。鉴于每一代新的标准微处理器从开始设计到投放市场需要约三年时间,诸如网络处理器等垂直的第三代CPU已经在填补由目前的通用型微处理器造成的性能缺口。PMC-Sierra公司正在朝向第四阶段迈进,在此阶段,为适应联网设备市场而得到修改的通用型微处理器与包处理的专用ASIC组合将会出现。
