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專用型 CPU 是指那些為了某種特定的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的并為這些特殊應(yīng)用而將內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)與指令集作了專門優(yōu)化的 CPU，如用于多媒體應(yīng)用的媒體 CPU（Media Processor，MP），用于路由器等網(wǎng)絡(luò)通訊產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò) CPU（Network Processor，NP），及用于網(wǎng)絡(luò)安全保障，數(shù)據(jù)加密解密的安防 CPU（Security CPU），用于用來完成某種信號處理任務(wù)的處理器 (Digital Signal Processor，DSPs)等。這類 CPU 的特點(diǎn)是歷史短，發(fā)展快，變化多，受專利保護(hù)、操作系統(tǒng)的限制少。其技術(shù)層次屬于中高檔，并非尖端，可用主流半導(dǎo)體工藝制成。
1. NP
網(wǎng)絡(luò)處理器(Network Processor，簡稱 NP)，根據(jù)國際網(wǎng)絡(luò)處理器會議(Network Processors Conference)的定義：網(wǎng)絡(luò)處理器是一種可編程器件，它特定的應(yīng)用于通信領(lǐng)域的各種任務(wù)，比如包處理、協(xié)議分析、路由查找、聲音 / 數(shù)據(jù)的匯聚、防火墻、QoS 等。
NP 是專門為處理數(shù)據(jù)包而設(shè)計(jì)的可編程處理器，能夠直接完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理的一般性任務(wù)。器件內(nèi)部通常由若干個(gè)微碼處理器和若干硬件協(xié)處理器組成，多個(gè)微碼處理器在網(wǎng)絡(luò)處理器內(nèi)部并行處理，通過預(yù)先編制的微碼來控制處理流程。而對于一些復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)操作(如內(nèi)存操作、路由表查找算法、QoS 的擁塞控制算法、流量調(diào)度算法等)則采用硬件協(xié)處理器來進(jìn)一步提高處理性能，從而實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)靈活性和高性能的有機(jī)結(jié)合。
(1) NP 的優(yōu)點(diǎn)
作為網(wǎng)絡(luò)處理器，相對于 X86 架構(gòu)和 ASIC(專用集成電路)，NP 具有如下的優(yōu)勢，詳見 NP 的優(yōu)勢對比表。
NP 在架構(gòu)上的優(yōu)勢對比表
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架構(gòu)名稱 |
對比架構(gòu)的特點(diǎn) |
NP 的優(yōu)勢 |
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X86 架構(gòu) |
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ASIC |
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NP 的硬件體系結(jié)構(gòu)大多采用高速的接口技術(shù)和總線規(guī)范，具有較高的 I/O 能力，包處理能力得到了很大提升，一般具有以下特點(diǎn)：
Intel NP芯片FWIXP422BB實(shí)物圖
NP 的特點(diǎn)信息表
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特點(diǎn)概述 |
詳情 |
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并行處理器 |
采用多內(nèi)核并行處理器結(jié)構(gòu)。片內(nèi)處理器按任務(wù)大致分為核心處理器和轉(zhuǎn)發(fā)引擎。 |
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專用硬件協(xié)處理器 |
對要求高速處理的通用功能模塊采用專用硬件實(shí)現(xiàn)以提高系統(tǒng)性能。 |
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專用指令集 |
轉(zhuǎn)發(fā)引擎通常采用專用的精簡指令集，并針對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理特點(diǎn)優(yōu)化。 |
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分級存儲器組織 |
一般包含多種不同性能的存儲結(jié)構(gòu)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲以適應(yīng)不同的應(yīng)用目的。 |
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高速 I/O 接口 |
具有豐富的高速 I/O 接口，包括物理鏈路接口、交換接口、存儲器接口、PCI 總線接口等。 通過內(nèi)部高速總線連接在一起，提供很強(qiáng)的硬件并行處理能力。 |
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可擴(kuò)展性 |
多個(gè) NP 之間還可以互連，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)處理器簇，以支持更為大型高速的網(wǎng)絡(luò)處理。 |
從網(wǎng)絡(luò)處理器以上特點(diǎn)可以看出，與通用處理器相比，網(wǎng)絡(luò)處理器在網(wǎng)絡(luò)分組數(shù)據(jù)處理上具有明顯的優(yōu)勢。
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(2) 主要分類
目前，NP 芯片都是由國外廠商設(shè)計(jì)制造的，從體系結(jié)構(gòu)上主要分為兩大類：
Intel 的 IXP 系列產(chǎn)品
一類是以 Intel 的 IXP 系列產(chǎn)品為代表，分為控制和處理（或稱數(shù)據(jù)）兩個(gè)平面。如 Intel 公司的 IXP1200，控制平面是一個(gè) ARM CORE，負(fù)責(zé)維護(hù)系統(tǒng)信息和協(xié)調(diào)處理部分工作，處理平面由多個(gè)微引擎（Micro Engine）和其他專用硬件組成，負(fù)責(zé)利用控制平面下發(fā)的微代碼和命令，直接處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。
這類產(chǎn)品在對數(shù)據(jù)包進(jìn)行簡單過濾時(shí)性能較好，但是由于體系結(jié)構(gòu)限制，尤其是微代碼的開發(fā)相對復(fù)雜，導(dǎo)致靈活性較差，難以滿足復(fù)雜多變的市場需求，一般適合 3 層（IP 層）及以下網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理。
SiByte 代表系列產(chǎn)品
另一類產(chǎn)品以 SiByte(2000 年 11 月 6 日，被高速通訊半導(dǎo)體制造商 Broadcom 收購)的 Mercurian 系列產(chǎn)品為代表，它基于 MIPS CPU 設(shè)計(jì)，如 SB-1250。它一方面保持了基于通用 CPU 設(shè)計(jì)的靈活性，另一方面通過 SOC（System On Chip）的方式消除了傳統(tǒng) CPU、總線、設(shè)備之間帶寬的瓶頸問題。這類產(chǎn)品靈活性較強(qiáng)，易于開發(fā)、升級和維護(hù)，適于構(gòu)建速度可與專用 ASIC 相媲美的、完全可編程的網(wǎng)絡(luò)處理平臺。
2016 年 1 月 5 日，Broadcom(博通)全球首發(fā) 64 位四核路由器處理器：
BCM4908。該處理器整合了四個(gè) 1.8GHz Cortex-A53 CPU 核心，同時(shí)搭載博通 Runner 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理器，可在不增加 CPU 負(fù)荷的情況下，實(shí)現(xiàn)超過 5Gpbs 的系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量。
BCM4908 實(shí)物圖
此外，它還可通過 2.5 千兆以太網(wǎng)物理層接口，支持包括 GoogleFiber、Comcast 2Gbps 在內(nèi)的更高家庭寬帶接入，這也是消費(fèi)者當(dāng)前能夠享受到的最快寬帶網(wǎng)速。
BCM4908 還可與博通的 BCM4366 Wave2 5G Wi-Fi MU-MIMO 配對使用，從而實(shí)現(xiàn)超過 3.4Gbps 的同步 Wi-Fi 吞吐量。
(3) NP 芯片廠家
目前提供 NP 芯片的廠家有很多，基本上都符合 NPF 指定的規(guī)范。國內(nèi)使用比較廣泛的則是 Intel 公司的 IXP xxx 系列，主要包括 IXP4xx、IXP12xx、IXP24xx、IXP28xx 等。
IXP 系列 NP 處理器從體系結(jié)構(gòu)上看基本上都一樣，都是由一個(gè) RISC 處理器加一個(gè)微引擎構(gòu)成的。其中，RISC 處理器主要用于控制微引擎的運(yùn)行，所以又稱為控制層面；微引擎完成對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的處理，以實(shí)現(xiàn)高性能，所以又稱為數(shù)據(jù)層面。不同 IXP 系列處理器的 RISC 型號和主頻不同，微引擎的個(gè)數(shù)也有所不同，在性能上也有很大差別。
IXP 系列 NP 處理器特點(diǎn)及應(yīng)用對比表
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名稱 |
特點(diǎn)及應(yīng)用 |
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IXP4xx |
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IXP12xx |
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IXP24xx |
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IXP28xx |
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后面我們會繼續(xù)講 DSP 和 FPGA 的技術(shù)應(yīng)用。
與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，不經(jīng)允許，不得轉(zhuǎn)載！
本系列更多內(nèi)容，請參照：處理器史話匯總。
