一种异构多核处理器嵌入式实时操作系统构架设计

由于异构多核处理器和多处理器系统及同构多核处理器的构架存在很大差别,应用于多处理器系统的分布式结构以及应用于同构多核系统的主从式结构操作系统不能解决异构多核处理器的实时调度和效率问题。对异构多核处理器的特点及发展趋势进行了研究,提出了一种适用异构多核处理器的多主模式实时操作系统构架。这种构架将通信总线中的多主模式引入多核操作系统构架中,采用对称式结构及组件模式设计操作系统模型,使多核处理器中每个内核都可以作为主核实现对资源、任务的实时管理,提高系统性能,同时可以解决主从式操作系统存在的由于处理器核增多而带来的主内核不能满足系统性能要求的瓶颈问题。通过这种单一构架模型可以进行灵活配置,以适应不同结构及功能要求的处理器内核,降低操作系统开发难度。     

多核操作系统发展综述

多核处理器的核心迅速增长以及结构日益复杂,给未来操作系统的设计带来了很大的挑战。为适应多核处理器的发展,可以利用分布式设计思想,从结构和功能上对传统多核操作系统进行分布式处理优化,将多核硬件划分为不同的子系统,尽可能降低各子系统之间的耦合度,从而提高多核操作系统的可扩展性。本文概括当前多核操作系统研究的三种技术路线,力求宏观展现多核操作系统的发展趋势。     

多核处理器任务调度的思考

本文主要分析了Linux操作系统对于多核处理器的任务调度,探讨了目前操作系统在面对多核处理器时所要解决的关键问题,并在此基础上进一步提出新的多核处理器的任务调度算法。     

异构处理器多操作系统协同技术研究

随着嵌入式设备应用场景日趋复杂的变化,异构多核架构逐渐成为嵌入式处理器的主流架构.目前,多核处理器主要采用的单操作系统模式在实际应用中存在诸多局限性.为了充分发挥异构处理器的多核特性,针对异构处理器不同核部署相应的操作系统并实现多操作系统协同处理技术至关重要.本文对异构多核处理器（ARM+DSP）操作系统进行了研究,在异构多核平台上成功移植了嵌入式Linux和国产DSP实时操作系统ReWorks;为实现ReWorks与Linux操作系统协同处理,本文对核间通信的关键技术进行分析研究,并以TI公司的AM5718为例,设计了一系列多核异构通信组件.经测试,本文设计的异构通信组件实现了在ARM上对DSP核进行ReWorks操作系统和应用程序的动态加载、Linux与ReWorks核间消息收发、以及Linux与ReWorks的协同计算等功能.     

ARINC653分区操作系统多核处理器任务调度设计

航空电子架构综合模块化航空电子（Integrated Modular Avionic,IMA）已成为主流航空电子系统,ARINC653作为航空电子设备IMA架构的标准应用接口,符合ARINC653标准的分区实时调度算法成为了航空电子系统领域研究的重点.多数分区实时调度算法针对的是单核处理器.如何在多核处理器环境中对任务进行高效的调度成为ARINC653多核任务调度的关键问题,本文提出一种基于多核负载比例轮转的调度方法,该方法以任务的负载比例计算任务权值,完成任务在多核处理器上的调度,从而满足多核分区操作系统的实时性要求.仿真实验表明该方法是可行且高效的.     

多核处理器的关键技术及其发展趋势

多核处理器以其高性能、低功耗优势正逐步取代传统的单处理器成为市场的主流.介绍了Hydra、Cell、RAW这3种典型的多核处理器结构,重点讨论了核心结构选择、存储结构设计、片上通信、低功耗、操作系统设计、软件应用开发等7个影响当前多核处理器发展的关键技术,最后得出多核处理器的未来将呈现众核、低功耗和异构结构3种发展趋势.     

基于多核处理器的RTOS系统分析探究

嵌入式设备发展需求提升,面向多核处理器系统开发的嵌入式实时操作系统成为研究重点。分析了基于多核处理器芯片操作系统2种体系结构、典型的自旋锁算法及全局任务调动机制等关键技术,指出目前多核RTOS系统软件设计与开发中存在的重难点以及未来发展方向。     

基于多核处理器的TCP/IP协议栈加速技术

多核处理器已经成为了处理器发展的趋势.在多核处理器上运行Linux操作系统时,由于所有的TCP/IP网络协议处理都以软件的形式在Linux操作系统内核运行,处理效率很低.为了解决这个问题,本文提出了一种基于多核处理器的多核TCP/IP加速协议栈,将多核处理器的处理核心分成两部分.一部分运行Linux操作系统.另一部分处理核心运行实时系统,处理TCP/IP协议栈.由于将TCP/IP协议栈的处理卸载到了实时系统,Linux的中断处理大大减少,并且实时系统直接操作底层硬件资源,没有操作系统的参与,所以多核TCP/IP加速协议栈的处理效率会很高.通实验结果对比,在相同的硬件资源下,多核TCP/IP加速协议栈不仅比Linux TCP/IP协议栈获得了更大的网络处理吞吐率,而且消耗了更低的CPU.     

异构多核处理器体系结构设计研究

多核技术成为当今处理器发展的重要方向,异构多核处理器由于可将不同类型的计算任务分配到不同类型的处理器核上并行处理,从而为不同需求的应用提供更加灵活、高效的处理机制而成为当今研究的热点.本文从体系结构的角度探讨了异构多核处理器设计中的关键点,从内核结构、互连方式、存储系统、操作系统支持、测试与验证、动态电压调节等方面分析...     

一种支持多级存储架构的嵌入式多核操作系统模型

多核处理器已经成为主流,并且被广泛应用于嵌入式设备中.在操作系统如何有效支持多核处理器方面的研究中,目前国内外大多基于常见的紧耦合共享存储架构的多核处理器,而对一些特殊存储架构的多核处理器研究并不多.本文针对内存受限的多级存储架构的多核处理器,提出一种单代码多数据的嵌入式多核操作系统模型.实验表明,该模型应用在具有多级存储架构的八核DSP上,比AMP模型减少约80%的代码空间开销;与SMP模型相比,与实时性紧密相关的时间开销减少约10倍.     

多核处理器上的并行联机分析处理算法研究

近年来,计算机硬件技术获得了很大发展,尤其是大内存和多核,但算法效率并没有随着硬件技术的发展而提高,根本原因是没有充分利用CPU缓存以及单线程程序设计的局限性。在联机分析处理领域,数据方体计算是一个重要而又耗时的操作,因此如何提高数据方体的计算效率是该领域的一个研究难点。探讨了基于多核CPU特征的并行立方体算法,提出了MT-Multi-Way(multi-threading multi-way)和MT-BUC(multi-threading bottom-up computation)算法。该算法通过有效的数据划分和多线程协作,避免了Cache竞争,并确保了负载均衡,获得了近似线性加速比。以上述算法为基础,提出了处理立方体算法的多核框架,包括数据划分策略及递归算法的多核处理,指导立方体算法的并行化。     

异构系统中的Web服务器软件框架研究

在服务器端加入GPU或MIC等协处理器可以提升性能。但是,传统Web服务器端软件不能充分发挥多核CPU+MIC协处理器异构硬件体系的性能。为解决该问题,针对该硬件体系提出了一种新的Web服务器软件框架。该软件框架基于分阶段事件驱动模型,将部分动态请求调度至MIC协处理器执行,并可在多核CPU和MIC协处理器上并行处理动态请求。同时,通过采用自适应调度算法兼顾了CPU和MIC协处理器间的负载均衡。仿真实验表明,该模型在平均响应时间、吞吐量等方面均优于传统的基于先到先服务(First Come First Served,FCFS)的Web服务器软件模型。     

CPU-GPU异构多核系统的动态任务调度算法

CPU-GPU异构多核系统对计算密集型的应用加速效果显著而得到广泛应用,但该系统易出现负载均衡问题。针对此问题,本文提出了一种CPU-GPU异构多核系统的动态任务调度算法。该算法充分利用CPU的线程资源和GPU的计算资源,准确测量CPU和GPU的计算能力,从而动态调整分配到CPU和GPU上的数据块大小,减小负载的总执行时间,提高系统加速比。实验结果表明,该算法使得系统加速比提高34%~103%。     

Providing Source Code Level Portability Between CPU and GPU with MapCG

Graphics processing units (GPU) have taken an important role in the general purpose computing market in recent years.At present,the common approach to programming GPU units is to write GPU specific cod...     

多核平台上针对seL4的分区机制研究

在航空电子等嵌入式领域中,多核时代已经来临,如何充分利用多核成为了现在系统领域的研究热点。同时由于系统集成度越来越高,一个硬件平台可能需要同时运行不同安全级别的任务,这就需要操作系统为应用提供隔离与保护。为了解决这两个问题,文中在目前只支持单核的seL4的基础上分别加入多核和分区隔离的支持,之后又提出多核和分区机制相结合的方案,实现了带分区机制的多核seL4。最终将其运行在qemu模拟器上,分区机制的实现符合ARINC653标准的语义。     

CPU-GPU融合架构上的缓存性能分析与优化

现今CPU和GPU的发展已经出现新的瓶颈,将两者“结合”在同一块芯片上成为一种新的趋势。这种新的异构架构给片上共享资源的管理带来压力。而共享末级缓存（LLC）的管理对性能的影响非常关键。由于CPU程序和GPU程序的不同特性,给CPU和GPU间共享的末级缓存管理带来新的挑战。通过分析GPU程序访存特征,借鉴之前的缓存管理方案,提出对CPU-GPU融合系统的末级缓存进行等量的静态划分和最优静态划分的方案。实验结果表明：通过缓存划分可以有效避免CPU和GPU程序间的干扰。与传统LRU策略相比,等量静态划分和最优静态划分可以使系统整体性能分别提高7.68%和11.62%。     

基于同构多核处理器的任务调度

随着现代应用对计算机性能要求的提高,计算机主频不断提升。由于功耗和半导体工艺的限制,仅靠提高单核主频难以继续维持“摩尔定律”,同构多核处理器（Homogeneous Multi-core）应运而生。在同构多核处理器的支持下,一个芯片汇集多个地位对等、结构相同的通用处理器核,以最小的代价满足了提高系统性能、负载均衡、处理器容错的需要。并行体系结构需要结合与之适应的软件实现性能效益的倍增。本文从操作系统层面,针对处理器结构的变化,研究并实现多核任务调度。系统采用混合调度策略,簇间独立调度,簇内统一调度。从调度模式、调度算法、分配算法、调度时机等方面详细分析了多核调度的原理和实现机制。最后通过模拟实验证明功能正确性及算法可调度性。     

Windows操作系统多核CPU内核线程管理方法

Windows是采用CPU时间片轮转多任务分配机制的非实时操作系统,无法满足实时性要求比较高的任务需要。而随着CPU技术的快速发展,当前市场上双核甚至多核CPU已成为主流,这使得在Windows平台上用多核CPU的某些核独立执行任务,从而有效地提高软件的实时性成为可能。本文介绍一种在Windows内核模式下编写Windows驱动程序,有效分配多核CPU资源从而提高软件实时性的方法。     

MPtostream:an OpenMP compiler for CPU-GPU heterogeneous parallel systems

In light of GPUs’ powerful floating-point operation capacity,heterogeneous parallel systems incorporating general purpose CPUs and GPUs have become a highlight in the research field of high performance computing(HPC).However,due to the complexity of programming on GPUs,porting a large number of existing scientific computing applications to the heterogeneous parallel systems remains a big challenge.The OpenMP programming interface is widely adopted on multi-core CPUs in the field of scientific computing.To effectively inherit existing OpenMP applications and reduce the transplant cost,we extend OpenMP with a group of compiler directives,which explicitly divide tasks among the CPU and the GPU,and map time-consuming computing fragments to run on the GPU,thus dramatically simplifying the transplantation.We have designed and implemented MPtoStream,a compiler of the extended OpenMP for AMD’s stream processing GPUs.Our experimental results show that programming with the extended directives deviates from programming with OpenMP by less than 11% modification and achieves significant speedup ranging from 3.1 to 17.3 on a heterogeneous system,incorporating an Intel Xeon E5405 CPU and an AMD FireStream 9250 GPU,over the execution on the Xeon CPU alone.     

并行群体仿真研究进展

通过对比分析基于多核CPU、GPU和分布式系统等三种并行群体仿真体系结构,提出了混合结构的并行群体仿真框架;对并行环境下的按空间区域分割和按agent分割等多种任务分割关键算法进行了归纳总结;对并行群体仿真的性能评估方法进行了分析。最终给出了群体仿真中并行加速算法的研究方向。