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。     

面向异构多核处理器的FPGA验证

随着处理器架构的发展,高性能异构多核处理器不断涌现.由于高性能异构多核处理器的设计十分复杂,为了降低设计风险,缩短验证周期,提前进行软件开发,复现硅后问题等,通常需要搭建现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的原型验证平台,并基于FPGA平台开展种类繁多,功能各异的软硬协同验证和调试工作,提出的基于同构FPGA平台对异构多核高性能处理器的FPGA调试、验证方法,有效地利用了异构多核处理器的架构特征,同构FPGA的对称特点,以层次化的方法自顶向下划分FPGA,自底向上构建FPGA平台.结合差速桥、自适应延迟调节、内嵌的虚拟逻辑分析仪(virtual logic analyzer,VLA)等技术可快速完成FPGA平台的点亮(bring-up)和部署.所提出的多核互补,核间替换模拟的调试SHELL等方法可以快速完整地对目标高性能异构多核处理器进行FPGA验证.通过该FPGA原型验证平台,成功地完成了硅前验证,软硬件协同开发和测试,硅后问题复现工作,并为下一代处理器架构设计提供了快速的硬件平台.     

基于向量引用Platform-Oblivious内存连接优化技术

以MapD为代表的图分析数据库系统通过GPU、Phi等新型众核处理器来支持高性能分析处理,在面向复杂数据模式时连接操作仍然是重要的性能瓶颈.近年来,异构处理器逐渐成为高性能计算的主流平台,内存连接性能的研究从多核CPU平台扩展到新兴的众核处理器,但众多的研究成果并未系统地揭示连接算法性能、连接数据集大小、硬件架构之间的内在联系,难以为未来异构处理器平台的数据库提供连接平台优化选择策略.本文以面向多核CPU、Xeon Phi、GPU处理器平台的内存连接优化技术为目标,通过优化内存哈希表设计,实现以向量映射替代哈希映射操作,消除哈希代价对内存连接算法的影响,从而更加准确地测量内存连接算法在多核CPU的cache大小、Xeon Phi的cache大小、Xeon Phi的并发多线程、GPU的SIMT（单指令多线程）机制等硬件相关因素影响下的性能特征.实验结果表明,缓存与并发多线程机制是提高内存连接算法性能的重要影响因素.缓存机制对于满足cache大小的连接操作具有性能优势,而GPU的并发多线程机制则在较大表的连接操作中具有较高的性能,Xeon Phi则在满足其L2 cache大小的连接操作中具有最高性能.实验结果揭示了内存连接操作性能与异构处理器硬件特性的联系,为未来异构处理器平台内存数据库查询优化器提供了优化策略.     

流处理器MASA-I在FPGA上的实现

流处理器与传统微处理器相比具有更高的性能和效率,已广泛应用于图像处理、媒体处理等领域。本文基于Altera EP2S180 FPGA芯片设计并实现了一款32位异构多核流处理器MASA-I,并对其硬件开销及性能进行了评估。结果表明,基于流处理的异构多核系统能够在FPGA上较好地实现,满足了流应用的需求。     

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.     

基于片上网络的多核芯片组通讯方案

多芯片协同工作是一种廉价、低风险的高密度计算应用解决方案。由于片上网络(Network On Chip,NoC)的数据通讯具有并发、分离的特性,因此可以方便地在板级集成多块NoC多核芯片协同工作,构成NoC多核芯片组,快速提供更强大的处理能力。基于某高性能图像处理项目,其硬件系统主要由4块NoC多核芯片构成,4块芯片采用全互连方式,研究了报文数据在不同多核芯片间的传输问题,提出了一种通过硬件实现的多核芯片组通讯方案,该方案已应用在某高性能图像处理项目。     

面向新一代众核处理器的高性能SNC的设计与验证

先进可扩展接口(AXI)是ARM公司推出的应用于高频系统的通道型总线,广泛应用于各种高性能SoC设计中.当前,通用处理器的主流是多核处理器,而多核处理器的主流是"通用DSP内核+应用专用核心"的异构融合结构.应用专用核心分为两种结构:同构多核和异构多核.在同构多核结构中,随着核数的增加,逐渐采用超节点结构,即在处理器中,几个内核构成一个超级节点,通过超级节点控制器实现片上网络与DSP内核之间的数据交互.在这项工作中,论文基于AXI总线,为新一代多核处理器设计了一种高性能、高带宽、低延迟的超级节点控制器.该超级节点控制器设计具有单独的读写数据通道,使用双向VALID和READY信号来实现握手机制,支持不对齐的数据传输、burst数据传输、广播操作、并支持乱序交易等.验证和综合结果表明,该超级节点控制器可以正确实现DSP内核与片上网络之间的数据交互,性能满足设计要求.     

面向SAR雷达信号处理的异构多核SoC研究

首先介绍了目前星载SAR(合成孔径雷达)系统构成,从中分析出开展高性能多核处理器的必要性和紧迫性。接下来介绍了正在研发的面向SAR雷达信号处理的异构多核SoC,详细介绍了芯片的系统结构和片上网络总线。芯片内总线采用多层二维网格总线,每层总线内部存在两种传递模式:动态传递和静态传递。动态面向数据包的灵活传递,静态面向高速数据流传递。最后,在性能和功耗等方面与目前常用的数字信号处理器进行了对比,并说明此异构多核SoC对SAR雷达信号处理结果。     

异构多核系统中跨时钟域的解决方法

随着集成电路的集成度与性能的不断发展,芯片的功耗问题已经变的十分严重,功耗带来的挑战日益突出。异构多核动态调频架构是目前研究低功耗的主流方向。SOC系统当中同一时刻只有一个处理器能够控制总线,其它处理器则处理等待状态,异构多核动态调频架构能够通过降低不控制总线的处理器频率来达到降低功耗的目的。异构多核领域的处理器和总线跨时钟域解决方案,此方案在国内属于首次提出,可以运用在异构多核动态调频(DFS)架构当中。目前手持终端设备越来越强调功耗的重要性,因此异构多核领域的处理器和总线跨时钟域解决方案将有非常好的应用前景。该方案通过在处理器和AMBA总线之间添加FIFO以及一些复杂的算法,达到消除亚稳态和正常通信的目的。最终,通过仿真发现任意调节处理器的工作频率都能满足传输协议。证明该方案能在异构多核动态调频架构中运用。     

S-Bridge:性能非对称多核处理器下负载均衡代理机制

近年来,在移动计算环境中,异构多核处理器已经逐渐成为主流.与传统同构的处理器设计相比,此类异构多核处理器以更低的功耗成本满足设备的计算需求.但是异构环境下CPU核之间的微架构差异,也为操作系统中的一些基本方法提出了新的挑战.面向性能非对称异构多核环境下调度的负载均衡问题,从系统层面提出了一种负载均衡机制S-Bridge,可以减少处理器微架构差异以及任务执行需求差异对传统负载均衡带来的影响.S-Bridge的主要贡献是从系统层提供了通用的、适配异构性的负载均衡相关接口,使任意调度器都能方便地与异构多核处理器系统进行适配.基于CFS和HMP调度器在ARM平台上进行实验,同时在X86平台上进行S-Bridge通用性的验证,结果表明：S-Bridge可以支持不同真实平台和内核版本的快速实现,平均性能提升超过15%,部分情况下可达65%.     

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...     

基于异构感知静态调度与动态迁移的异构多核调度机制

异构多核处理器体系结构可以有效减少功效开销,是处理器发展的趋势,负载不平衡问题会造成处理器执行的不稳定。提出一种基于异构感知的静态调度和动态线程迁移相结合的异构多核调度机制,解决了不同核之间的负载平衡问题,提高了吞吐量。仿真实验通过将此调度机制与静态调度策略（SS）比较,表明该机制提高了异构多核处理器的性能并保证了执行过程的稳定性。     

混合粒子群算法的异构多核处理器间任务调度

针对异构多核处理器间的任务调度问题,为了更好地发挥异构多核处理器间的平台优势,提出一种基于将有关联的且不在同一处理器上的任务进行复制的思想,从而使每个异构多核的处理器能独立执行任务,来减少不同处理器之间的通信开销,并且通过混合粒子群算法(HPSO)来调度异构多核处理器中的任务,避免由于当任意一个异构多核处理器由于任务分配过多而导致计算机不能及时且准确地得出结果.最后实验证明,对比传统的启发式分配方案和常见的遗传算法(GA),基于任务复制思想分配方案和混合粒子群算法(HPSO)具有更好的求解能力,并且可以提供执行时间更少的调度分配方案,具有较好的应用价值.     

基于机器学习的异构感知多核调度方法

异构多核处理器已成为现代嵌入式系统的主流解决方案，而好的在线映射或调度方法对其充分发挥高性能和低功耗的优势起着至关重要的作用。针对异构多核处理系统上的应用程序动态映射和调度问题，提出一种基于机器学习、能快速准确评估程序性能和程序行为阶段变化的检测技术来有效确定重映射时机从而最大化系统性能的映射和调度解决方案。该方案一方面通过合理选择处理核和程序运行时的静态和动态特征来有效感知异构处理所带来的计算能力和工作负载运行行为的差异，从而能够构建更加准确的预测模型；另一方面通过引入阶段检测来尽可能减少在线映射计算的次数，从而能够提供更加高效的调度方案。最后，在SPLASH-2数据集上验证了所提出调度方案的有效性。实验结果表明，与Linux默认的完全公平调度（CFS）方法相比，所提出的方法在系统计算性能方面提高了52%，在CPU资源利用率上提高了9.4%。这表明所提方法在系统计算性能和CPU资源利用率方面具备优良的性能，可以有效提升异构多核系统的应用动态映射和调度效果。     

基于机器学习的异构感知多核调度方法

异构多核处理器已成为现代嵌入式系统的主流解决方案,而好的在线映射或调度方法对其充分发挥高性能和低功耗的优势起着至关重要的作用。针对异构多核处理系统上的应用程序动态映射和调度问题,提出一种基于机器学习、能快速准确评估程序性能和程序行为阶段变化的检测技术来有效确定重映射时机从而最大化系统性能的映射和调度解决方案。该方案一方面通过合理选择处理核和程序运行时的静态和动态特征来有效感知异构处理所带来的计算能力和工作负载运行行为的差异,从而能够构建更加准确的预测模型;另一方面通过引入阶段检测来尽可能减少在线映射计算的次数,从而能够提供更加高效的调度方案。最后,在SPLASH-2数据集上验证了所提出调度方案的有效性。实验结果表明,与Linux默认的完全公平调度（CFS）方法相比,所提出的方法在系统计算性能方面提高了52%,在CPU资源利用率上提高了9.4%。这表明所提方法在系统计算性能和CPU资源利用率方面具备优良的性能,可以有效提升异构多核系统的应用动态映射和调度效果。     

对片上多核系统的系统结构的研究

多核技术是时下民用机和商用机领域最为热门的话题之一,作为目前CPU技术的最新发展方向,多核处理器在各个方面和单核处理器比较都具有十分明显的优势。该文从计算机设计技术的背景出发,详细介绍了多核系统的概念和和多核处理技术,最后以Intel和AMD两家公司为例,说明了多核系统构架。     

基于Cell多核处理器的层次化运行时支持技术

基于Cell处理器的异构多核架构及软件显式管理的多级存储层次,使其面临编程困难和性能难以有效发挥等问题.现有基于Cell/B.E.的编程模型多侧重于支持类似于流处理的批量访存(bulk data transfer)应用,传统非规则访存应用性能较低.通过扩展Cell/B.E.访存库增强协处理单元的自主作用,以协处理单元为中心建立Cell计算平台上的MPI和弱一致性Pthread分层并行编程运行时支持.分层的运行时支持结构及扩展后的Cell/B.E.访存库使模型具有更好的效率和可扩展性,并且提高了非规则应用的性能;模型中的MPI方便了大量传统并行应用向新架构的移植及开发,而弱一致性Pthread则为MPI提供高效的任务运行时管理支持及为系统级用户提供对架构全面控制的编程接口.实验结果表明,提出的运行时支持技术不仅可适应不同应用的要求,同时借助访存库中的剖分优化机制可有效地挖掘Cell/B.E.架构性能.